轴承腔中均匀流体/壁面油膜分层流动分析

航空发动机轴承腔精确的润滑与换热设计依赖于对其内油气两相润滑介质流动与换热本质的认识。针对轴承腔内复杂的油气两相润滑介质流动状态,建立轴承腔均匀流体/壁面油膜分层流动分析模型,开展腔内油气两相润滑介质流动特性研究,探讨转子转速和润滑油供油量对均匀流体和壁面油膜两相介质压力、速度以及温度分布的影响。分析模型中,气相介质(含油滴)的等效物理特征参数通过离散油滴和气相介质的组分比例关系确定,各固体壁面与流体介质的对流换热系数根据其各自的传热特性确定。研究结果表明,均匀流体与壁面油膜两相介质的压力随着润滑油供油量的增加而增大,受转子转速的影响较为复杂;均匀流体与壁面油膜两相介质的速度随着转子转速的增高而增大,受润滑油供油量影响较小;均匀流体的温度随着润滑油供油量的增加而减小,受转子转速的影响较小;与均匀流体温度不同,壁面油膜的温度随着转子转速的增加而增大,随着润滑油供油量的增加而减小。建立了轴承腔试验台系统,开展了轴承腔油气两相流动状态下的压力和温度测试,压力和温度试验结果与理论计算结果均具有较好的吻合性,验证了提出的理论分析方法的可靠性。

旋转圆盘腔壁面油膜运动特性分析

分析了基于一种航空发动机轴承腔的拓扑结构——旋转圆盘腔壁面油膜的形成和运动特性。在获得旋转圆盘腔气相介质流场的基础上,建立了考虑油滴重力及空气阻力的油滴运动、油滴沉积及油膜运动模型,讨论了圆盘腔结构以及工况对于油膜运动特性的影响。研究结果表明,低速和高速工况下腔壁左右两侧油膜受力的不同导致油膜流动方向不同,油膜厚度和油膜平均速度沿圆盘腔壁面的周向分布规律有明显的差异;进油量和腔体结构对圆盘腔左右两侧的油膜厚度和平均速度影响会有差异,而且差异在低转速工况下会更加明显。

逆向气流对油束碰壁及壁面油膜的影响

利用激光诱导荧光法(LIF)和数值模拟方法研究了异型壁面油束碰壁及油膜形成与演变过程机理.首先在燃烧室模拟装置上进行试验,利用LIF方法研究了气流运动对38°,喷油条件下油束碰壁过程的影响;随后,在模拟装置及试验条件的基础上,对壁面油膜的形成与演变过程进行了数值模拟研究.结果显示:无气流运动时,近壁区域液相燃油存在累积现象,燃油自然蒸发对壁面液相燃油的弥散作用有限,液相燃油残留时间达10,ms以上.与无气流运动时相比,在逆向气流作用下,液相燃油累积现象减弱,总体向二次油膜区域偏移,燃油油膜在壁面油膜残存量减少.在逆向气流作用下,由于油膜流动和空间油滴二次附壁,有可能导致壁面局部地方油膜变厚.

同向剪切气流对GDI发动机燃烧室壁面油膜的影响

利用激光诱导荧光法(LIF)和数值模拟方法研究了GDI发动机中异型壁面油膜形成与演变过程机理。首先,在燃烧室模拟装置上利用LIF方法研究了气流运动对38°喷油条件下壁面油膜形成与演变过程的影响;随后,对壁面油膜的形成与演变过程进行了数值模拟。研究结果显示:静态喷油条件下,燃油自然蒸发对壁面油膜的弥散作用有限;38°侧向喷油时,在同向剪切气流作用下,壁面油膜厚度、油膜残存百分数随喷油过程的进行有明显的波动现象,并且随气流强度的增加,壁面油膜形成量减少幅度增加,说明同向剪切气流对减少油膜形成、促进油膜弥散具有重要作用。

考虑油滴变形和二次油滴效应的轴承腔壁面油膜流动分析

航空发动机轴承腔油气两相流动状态下的壁面油膜分布和流动速度直接影响其润滑和换热特性。考虑油滴变形和二次油滴沉积效应作用,通过油滴变形和运动、油滴/腔壁碰撞过程质量和动量转移以及二次油滴运动和沉积分析,获得油滴沉积过程的质量和动量转移;在此基础上利用根据力平衡原理和质量守恒原理建立的壁面油膜分布和流动的力学模型获得壁面油膜的厚度和速度分布。分析和探讨了油滴变形对油滴速度和运行轨迹的影响,变形和二次沉积效应对油滴质量和动量转移以及壁面油膜厚度和速度分布的影响。计算结果表明:考虑变形后油滴所受阻力增加,其运动速度减小,运行轨迹更加弯曲,一次质量转移增加,一次动量转移减小;二次油滴的数量很大,其沉积质量和动量转移是轴承腔中油滴质量和动量转移的主要部分;油滴变形和二次沉积效应作用下壁面油膜的厚度和流动速度都明显增大,润滑油加速排出。

航空发动机热区轴承腔壁面油膜流动及温度特性

将热区轴承腔壁面油膜划分为若干上下游相互关联的流动控制单元,结合壁面油膜流动状态以及油滴的运动状态进行单位时间内各壁面油膜控制单元中的油滴/油膜碰撞转移分析,基于此构建壁面油膜控制单元的非定常质量、动量和能量方程,并利用Matlab自编软件求解获得轴承腔壁面油膜厚度分布、流动速度分布和温度分布特性,最终形成轴承腔壁面油膜流动及温度特性分析的方法。结果表明:在所研究的工况范围内,轴承腔壁面油膜厚度分布在0~1 mm内,油膜速度分布在0~5 m/s范围内,壁面油膜温度分布在100~140℃范围内;轴承腔左右两侧的壁面油膜厚度、速度和温度都随着周向角度的增加而不断增加,且在相同工况下轴承腔壁面油膜的最高温度比最低温度增加了约为13%;随转子转速的增加,轴承腔壁面油膜的速度及温度是增加的,而壁面油膜的厚度是减小的;随着进油量的增加,轴承腔壁面油膜厚度和速度是增加的,而油膜温度略有下降。开展的航空发动机热区轴承腔壁面油膜流动及换热特性研究工作,为轴承腔润滑系统的精确设计提供了理论支持和基础数据。

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油-气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜层的形成质量产生重要影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究,考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律.研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因.气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂.不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性.碰撞速度和液体黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响.碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象.液体黏度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.

电喷汽油机进气道油膜壁面温度模型研究

基于进气门传热原理,建立了油膜壁面温度的模型。根据不同工况下的暖机试验数据,研究了进气流量、转速及冷却水温等工况参数对油膜壁面温度的影响规律。通过进一步优化模型结构,并采用MATLAB/Simulink工具箱辨识参数。试验结果表明:模型的预测误差控制在2%以内,油膜吸附壁面温度是影响预测油膜特性参数、指导油膜补偿器设计的重要因素。

湿壁氛围甲烷预混火焰传播的可视化试验研究

针对壁面油膜对受限空间内预混火焰燃烧过程的影响机理,设计开发了基于定容燃烧弹和纹影法的燃烧可视化试验系统,研究了不同初始压力条件下正十二烷/正十四烷油膜对甲烷预混火焰燃烧过程的影响,通过背景建模与背景差分预处理和粒子群优化算法改进OTSU自适应阈值算法,开发了一种适用于纹影图像的火焰轮廓分割算法,基于火焰前锋面轮廓提取结果定量研究火焰传播速度和火焰面积.结果表明湿壁氛围下油膜蒸发过程对预混火焰燃烧过程影响有限,壁面油膜蒸气对混合气当量比的影响是预混火焰燃烧强度的主要影响因素.

活塞形状对GDI发动机性能影响的CFD研究

基于Star-CD软件对比分析了两种不同顶面形状的活塞对混合气形成及燃烧特性的影响,为GDI发动机结构优化与活塞选型提供CFD分析依据。计算结果表明:带有导流面的斜坡型活塞可增大缸内滚流比,提高点火时刻湍动能。中置凹坑型活塞有利于火焰面的传播,在单次喷油策略下对活塞顶面油膜量的控制效果更优,降低了颗粒物的排放。

某GDI汽油机燃烧过程CFD模拟与结果评估

针对某GDI发动机的喷雾、燃烧过程进行了CFD模拟,并对缸内滚流、涡流形成、壁面油膜生成、以及点火、火焰传播等情况进行了评估,系统地展示了缸内燃烧模拟技术在发动机正向设计中的应用。