油滴与高温固体壁面碰撞的流动与传热及飞溅特性

考虑油滴(油膜)/固体壁面接触角动态变化和油液热力学特征参数受温度影响,基于流体体积法建立了油滴与高温固体壁面碰撞的三维流动与传热数值计算模型,通过试验验证了数值计算模型的正确性。基于数值计算模型,分析了油滴碰撞高温固体壁面后的流动与传热及飞溅特性,以试验和数值计算结果为基础,建立了描述油膜铺展/飞溅临界判据。结果表明:油滴碰撞高温固体壁面后的状态与碰撞条件有关,破碎、飞溅有利于油膜的铺展流动;二次油滴是油膜边缘破碎产生的油带断裂而成,大直径二次油滴分裂为小直径油滴;随油膜铺展进程,壁面平均热流密度增大,而油膜的径向热流密度则逐渐减小;增大碰撞速度、油滴直径和润滑油温度,有利于油膜的破碎与飞溅,二次油滴数量和下飞溅角均随之增大。

喷射油滴沉积油膜的流动铺展特性研究

航空齿轮和航空发动机主轴轴承都采用喷油润滑的方式进行润滑,喷射油滴与机械零件表面碰撞后形成的沉积油膜的流动特性影响着机械零件的润滑状态和功能。由于有关喷射油滴与固体表面碰撞形成沉积油膜及其流动铺展特性研究较为鲜见,已有的相关研究集中于液滴/固体壁面正碰撞条件下的非油类液膜流动分析,故而对机械零件相关润滑分析计算支持极为有限。采用VOF方法建立了喷射油滴/固体壁面斜碰撞及其沉积油膜流动铺展数值分析模型,通过试验研究对数值分析模型进行了修正,进而基于此数值分析模型分析了航空传动零件润滑等效条件下喷射油滴/固体壁面斜碰撞沉积油膜流动铺展特性,通过与国外相关试验结果的对比验证了所提出的数值分析模型的正确性和实用性。所开展的喷射油滴沉积油膜的流动铺展特性研究,为航空机械零部件润滑计算提供了技术方法和基础数据,对于实现航空机械零部件精确润滑设计有明显的工程意义。

运动油滴/固体壁面斜碰撞及油膜铺展的数值模拟

基于Volume of Fluid(VOF)方法建立了运动油滴/固体壁面斜碰撞及油膜铺展的数值计算模型,分析了运动油滴/固体壁面斜碰撞后的油膜铺展特征,讨论了油滴入射角、碰撞速度和油滴直径等对油膜铺展特征的影响规律。研究结果表明,前铺展因子随着入射角的减小而增大,随着碰撞速度和油滴直径的增大而增大;后铺展因子绝对值随着入射角和油滴直径的减小而减小,而碰撞速度对其几近没有影响,同时在入射角和油滴直径较小的情况下较易观察到铺展油膜的滑移现象;数值模拟结果与试验结果较好的吻合性证明了该数值模拟方法的正确性。

柴油机冷启动喷雾油滴撞壁速度效应数值分析

采用流体体积法并综合考虑液滴与壁面间传热及接触热阻的作用,建立了液滴冲击壁面数值模型,并开展实验验证了模型的可靠性。通过分析计算,揭示了液滴撞壁流动传热及破碎机制,并探索了液滴撞壁碰撞速度效应规律。研究表明:液滴最大铺展系数和碰撞点处热流密度与液滴碰撞速度密切相关;液滴达到最大铺展直径和恒定热流密度所需无量纲时间与碰撞速度不相关;燃料液滴换热量与雷诺数近似线性递增。从能量守恒方程出发,建立了液滴最大铺展系数理论解析模型,该解析解与数值解呈现出较好的一致性。

曲轴箱内机油液滴撞壁飞溅的影响因素

在发动机曲轴箱内,机油液滴撞击固体表面后的飞溅现象对机油油雾的形成有重大影响.结合流体体积函数(VOF)和壁面润湿模型,运用局部网格瞬时加密技术,建立了机油液滴冲击润湿壁面的计算模型,并通过试验验证了模型的可靠性.结果表明:机油液滴的黏度、表面张力以及油膜厚度等因素均会对撞壁后的飞溅过程产生显著影响.黏度越大,飞溅产生的二次液滴就越少,但黏度对二次液滴群的索特平均直径(SMD)并没有显著影响;机油表面张力越大,产生的二次液滴就越少,且二次液滴群的SMD也会明显变大;壁面润湿的前提下,壁面油膜越厚,撞壁飞溅产生的二次液滴就越多,平均尺寸也越大.

含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面的数值分析

采用耦合水平集-体积分数(CLSVOF)方法对含气泡油滴撞击矩形沟槽壁面现象进行数值模拟研究,考察了油滴撞击壁面后的形态演化过程,分析了中心射流形成机理和气体夹带的分布规律,并探究了沟槽宽度、沟槽深度和撞击位置对油滴铺展特性的影响。研究表明:含气泡油滴在矩形沟槽壁面铺展时会形成中心射流,沟槽内部存在气体夹带现象。气泡底部的速度旋涡是形成中心射流的主要原因,沟槽内的气体夹带受油滴铺展速度影响呈现规律性分布。沟槽宽度对含气泡油滴在垂直沟槽方向和平行沟槽方向的铺展长度影响较大,但对铺展高度影响较小。当无量纲沟槽宽度为0.3时,油滴形成颈部射流并在运动后期使垂直沟槽方向的铺展长度迅速增加。此外,沟槽深度也对含气泡油滴在各方向的铺展有重要影响,沟槽深度越大,中心射流现象越难形成。撞击位置变化不改变油滴在沟槽壁面上的运动演化过程,但对沟槽内部的气体夹带规律有一定影响。

油滴与深油膜正碰撞的动力学分析

为揭示航空发动机轴承腔中润滑油滴与壁面油膜的碰撞特性,采用VOF方法建立了油滴与深油膜正碰撞的三维数值分析模型。通过数值计算,分析了油滴与深油膜正碰撞后溅射油膜与空腔的形貌演化与流动铺展过程,以及二次油滴的初始特性;探讨了油滴直径和碰撞速度对碰撞结果的影响。结果表明:碰撞形成的溅射油膜以油滴接触点为中心向外铺展,最终发展为冠状油膜,其间伴随有大量尺寸各异的二次油滴产生;油膜内部形成的空腔近似空间半球形状,二次油滴的直径呈对数正态分布;随着油滴直径和碰撞速度的增大,油冠高度、空腔深度和直径均增大;二次油滴直径分布区间随着油滴直径的增大和碰撞速度的减小而更加分散。与相关试验结果进行对比,验证了提出的数值分析模型的正确性与可靠性。

运动油滴/固体壁面斜碰撞的状态辨识及特征分析

航空发动机轴承腔油气两相流动与换热研究是轴承腔润滑与换热设计的重要基础工作,而运动油滴与轴承腔壁面的碰撞状态辨识及特征分析是轴承腔油气两相流动与换热研究的组成部分。基于VOF方法建立了运动油滴与固体壁面斜碰撞数值仿真模型,实现了运动油滴与固体壁面斜碰撞状态的数值模拟,分析了碰撞油滴直径、入射角和碰撞速度对沉积油膜铺展长度、油膜堆积厚度和溅射油滴数目等碰撞状态特征参数的影响规律,提出了运动油滴与固体壁面斜碰撞条件下的状态判断准则,并得到了文献的物理试验工作的支持。研究结果表明:随着油滴入射角减小,沉积油膜铺展长度和油膜堆积厚度增大,溅射油滴数目减少;随着碰撞速度和油滴直径的增大,沉积油膜铺展长度和溅射油滴数目均增大,但油膜堆积厚度对应前者呈减小趋势、对应后者仍呈增大趋势。

气流对含气泡油滴撞壁铺展流动过程的影响

油-气润滑系统工作过程中,有效的润滑油膜是确保摩擦副润滑效果的关键,其形成质量与输送气流作用下含气泡油滴撞壁后的铺展流动过程密切相关。为探索该铺展流动过程,基于VOF(Volume of fluid)方法对输送气流作用下含气泡油滴的撞壁过程进行数值模拟研究。观察了输送气流作用下含气泡油滴撞壁后的铺展流动过程,探讨了气流入射角及碰撞-气流速度比对含气泡油滴铺展特性的影响,分析了铺展过程中的气泡破裂及中心射流机制。发现当气流方向与含气泡油滴碰撞方向(竖直方向)存在差异时,含气泡油滴撞壁后在x方向的铺展呈非对称性。随着气流入射角的减小,非对称铺展现象越明显。碰撞-气流速度比增大时,非对称铺展现象减弱。碰撞速度较低(碰撞-气流速度比小于4)时含气泡油滴撞壁后,上侧油膜厚度不断减小直至达到极限值,最终在气流拖曳力、黏性剪切力及表面张力的共同作用下发生破裂。碰撞速度较高(碰撞-气流速度比等于4)时含气泡油滴撞壁后,其内部产生的速度涡旋致使部分铺展油液向气泡底部汇聚,中心射流得以形成。中心射流逐步发展直至穿透上侧油膜,气泡发生破裂。之后,气泡两侧油膜发生破碎并形成膜油滴,壁面油膜逐渐收缩成油膜层。

油滴/金属壁面正碰撞的油膜动力学特性

为诠释轴承腔中润滑油滴与腔壁碰撞形成的沉积油膜流动铺展问题,采用流体体积(VOF)方法建立了油滴与金属壁面正碰撞的三维数值分析模型,在试验获得油滴与壁面静态接触角的基础上,通过数值计算,探讨了沉积油膜动态铺展和回缩过程,以及油滴直径和碰撞速度对沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力等油膜动力学特性的影响。结果表明:沉积油膜在最大铺展直径时呈中心微凹的圆盘形状,进入回缩阶段后则蜕变为边缘薄中心厚的圆盘形状;沉积油膜的回缩速度和回缩阶段的碰撞力都非常小,其值接近于0,并保持基本恒定;随着油滴直径的增大,沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力均增大;随着碰撞速度的增大,油膜铺展直径和碰撞力增大,特征厚度却随之减小。与相关试验结果的对比,验证了提出的数值分析模型的可靠性和正确性。

油滴与铝合金壁面的碰撞试验

机械零部件喷油或滴油润滑方式下油滴与零件表面碰撞后形成的沉积油膜流动特性决定着零件表面润滑油膜的分布特征和零件的润滑状态,对于这一润滑现象的深入理解需要对油滴与金属固体壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展行为进行研究。建立了油滴与铝合金壁面碰撞的试验装置,采用高速相机拍摄了油滴与铝合金壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展与形貌演化过程,分析了碰撞油滴的变形及沉积油膜的铺展与回缩历程,探讨了碰撞条件和润滑油黏度对沉积油膜流动铺展特性的影响。结果表明:与铝合金壁面碰撞后形成的沉积油膜铺展较快而回缩较为缓慢,没有明显的整体回缩现象和振荡过程。较小碰撞角度下,铺展初期油滴与壁面之间存在轻微滑移现象,受重力和铺展能量的作用,铺展后期油膜发生断裂并溅射离开壁面,但没有二次油滴生成。前铺展因子随着碰撞角度的减小和碰撞速度的增加而增大,后铺展因子则随着两者的增大而增大。油滴直径对前、后铺展因子的影响不太明显。