杨雨谋等：难溶气体对水润滑轴承特性影响分析 *1711 存在且不可忽略的，本文采用的是全空化模型图，认 散方程进行求解.本文Fluent求解器选择的是基于压 为轴承间隙内流体由液相（润滑水）、气相（水蒸气）和 力的分离求解器，在离散方程的计算方法上选择的是 难溶气体三部分组成.气穴现象实质是气液两相之间 分离解法，在众多分离解法中，运用最广泛的是压力修 的传质相变，满足如下方程： 正法，求解方程，通过残差来判定是否收敛.具体求解 a(pf)+.(pv.)=R.-R.. 流程框图如图I所示.其中，iac即为interficial area (7) concentration(局部界面面积浓度)；vf-ir为空气体积 式中，∫表示水蒸气质量分数，v为流速矢量，y为有效 分数；用V、V,和V表示xy和z方向上的速度. 交换系数.R。、R分别为气穴和凝结的相变率，具体可 (开始) 以表示为 当P≤P时， 初始化压力场 V 2P-P1-人-)，(8) R.=C.P 利用压力场求解动量方程(2) 得到速度场 当P>P.时， 2(P.-P 利用速度场求解连续方程(1)， Re=Ce (9) 修正压力场 P 当 式中，∫表示难溶气体质量分数，P,为饱和压力（气穴 更新质量流量，压力、速度 压力)，o为表面张力系数，V为特征速度，C。、C。为相 求解能量方程⑥、气穴方程 变速率经验系数，C。=0.02,C。=0.01. (7)、湍流方程(1112) 和其他标量方程 各组分质量分数与体积分数α：之间的关系为 f/p 0= (10) 收敛？ ∑fp p残差<103、残差<103，Y,残差<10 V残差<103、，k残差<103、8残差<10- (5)湍流模型及方程. iac残差<10-3、vf-air线差<10h 湍流是一种复杂的不定常的随机的漩涡运动，除 了分子之间的碰撞外，流体微团之间通过脉动掺混剧 是 (结束) 烈的交换质量、动量.由于水的黏度较低，密度大，高 图1压力修正法求解流程框图 速工作的水润滑轴承工作时极易处于湍流状态 Fig.I Flow chart of pressure coccection method 本文使用的是RNGk-δ湍流模型，从暂态NS方 程中推出，其中k方程和δ方程分别为 1.2 物理模型 =[(c)] P.; +Gx+G-p.6-Yw 本文以普通圆柱滑动轴承为研究对象，利用Solid- Woks软件建立轴承间隙三维物理模型，其示意图如 (11) 图2所示. s=[(C)] P.: 82 轴瓦 Cu (G+CuG)-Cap-R. (12) 在上述方程中，μ是考虑湍流效应的黏性系数，R 进水孔 表示的是湍流方程源项，G表示由于平均速度梯度引 起的湍动能产生，G,表示浮力影响引起的湍动能产 生，Y,表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影 响，Cs=1.44,Cs=1.92,Cs=0.09,C和C6分别是 湍动能k及其耗散率δ的有效湍流普朗特数的倒数， 在fluent中，C=l.0,Ca=0.77. 图2滑动轴承示意图 流场计算的基本过程是在空间上用有限体积法将 Fig.2 Structure of sliding bearing 计算域离散成多个小的体积单元，在每个体积单元上 图2将X轴负方向设为起始位置，直径为d的转 对离散后的控制方程组进行求解，所以其本质是对离 子绕轴心0以转速2逆时针旋转，润滑水从轴承水平杨雨谋等: 难溶气体对水润滑轴承特性影响分析 存在且不可忽略的，本文采用的是全空化模型［18］，认 为轴承间隙内流体由液相( 润滑水) 、气相( 水蒸气) 和 难溶气体三部分组成． 气穴现象实质是气液两相之间 的传质相变，满足如下方程: ( ρm fv ) t + Δ ·( ρm νfv ) = Ｒe － Ｒc ． ( 7) 式中，fv 表示水蒸气质量分数，ν 为流速矢量，γ 为有效 交换系数． Ｒe、Ｒc 分别为气穴和凝结的相变率，具体可 以表示为 当 P≤Pv 时， Ｒe = Ce Vch σ ρlρv 2 3 ( Pv － P) 槡 ρl ( 1 － fv － fg ) ， ( 8) 当 P ＞ Pv 时， Ｒc = Cc Vch σ ρlρv 2 3 ( Pv － P) 槡 ρl fv ． ( 9) 式中，fg 表示难溶气体质量分数，Pv 为饱和压力( 气穴 压力) ，σ 为表面张力系数，Vch为特征速度，Ce、Cc 为相 变速率经验系数，Ce = 0. 02，Cc = 0. 01． 各组分质量分数 fi 与体积分数 αi 之间的关系为 αi = fi /ρi ∑fi /ρi ． ( 10) ( 5) 湍流模型及方程． 湍流是一种复杂的不定常的随机的漩涡运动，除 了分子之间的碰撞外，流体微团之间通过脉动掺混剧 烈的交换质量、动量． 由于水的黏度较低，密度大，高 速工作的水润滑轴承工作时极易处于湍流状态． 本文使用的是 ＲNG k--δ 湍流模型，从暂态 N--S 方 程中推出，其中 k 方程和 δ 方程分别为 ρm dk t =  x [i ( Ckμeff ) k x ]i + Gk + Gb － ρm δ － YM ． ( 11) ρm dδ t =  x [i ( Cδμeff ) δ x ]i + C1δ δ k ( Gk + C3δGb ) － C2δρm δ 2 k － Ｒ． ( 12) 在上述方程中，μeff是考虑湍流效应的黏性系数，Ｒ 表示的是湍流方程源项，Gk 表示由于平均速度梯度引 起的湍动能产生，Gb 表示浮力影响引起的湍动能产 生，YM 表示可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影 响，C1δ = 1. 44，C2δ = 1. 92，C3δ = 0. 09，Ck 和 Cδ 分别是 湍动能 k 及其耗散率 δ 的有效湍流普朗特数的倒数， 在 fluent 中，Ck = 1. 0，Cδ = 0. 77． 流场计算的基本过程是在空间上用有限体积法将 计算域离散成多个小的体积单元，在每个体积单元上 对离散后的控制方程组进行求解，所以其本质是对离 散方程进行求解． 本文 Fluent 求解器选择的是基于压 力的分离求解器，在离散方程的计算方法上选择的是 分离解法，在众多分离解法中，运用最广泛的是压力修 正法，求解方程，通过残差来判定是否收敛． 具体求解 流程框图如图 1 所示． 其中，iac 即 为 interficial area concentration( 局部界面面积浓度) ; vf-air 为空气体积 分数; 用 Vx、Vy 和 Vz 表示 x、y 和 z 方向上的速度． 图 1 压力修正法求解流程框图 Fig． 1 Flow chart of pressure coccection method 1. 2 物理模型 本文以普通圆柱滑动轴承为研究对象，利用 Solid￾Works 软件建立轴承间隙三维物理模型，其示意图如 图 2 所示． 图 2 滑动轴承示意图 Fig． 2 Structure of sliding bearing 图 2 将 X 轴负方向设为起始位置，直径为 d 的转 子绕轴心 O'以转速 Ω 逆时针旋转，润滑水从轴承水平 · 1171 ·