油氣兩相流噴射冷卻旋轉發熱圓柱換熱機理分析

王進禮，蔡林，鄭洪濤

(1.哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001;2.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

油氣潤滑是一種有效的潤滑冷卻方式，已經被廣泛應用于滾動軸承［1-3］、金屬切削加工［4-5］，并且在齒輪傳動方面［7］也有相關報道.Ramesh 等［6］進行了油氣潤滑冷卻滾子的相關實驗，結果表明對流換熱是油氣潤滑冷卻的主要換熱形式.Hōhn［7］進行了油氣兩相流體潤滑冷卻外嚙合齒輪的試驗研究，結果表明與傳統浸油潤滑相比，維持同樣溫升值僅需要滑油28mL/h.王進禮等［8］進行了油氣潤滑冷卻滑動摩擦副的試驗研究，油氣潤滑冷卻低速中載滑動摩擦副時，其摩擦副溫升值低于浸油潤滑.

對流體冷卻發熱圓柱的研究有著廣泛的工程背景，油氣潤滑冷卻滑動摩擦副、滾子摩擦副、齒輪傳動等都與旋轉發熱圓柱有關，本文對油氣兩相噴射冷卻旋轉發熱圓柱進行了數值模擬，并進一步分析了噴射距離、射流雷諾數、轉速對圓柱Nu的影響.為油氣潤滑應用于摩擦副時位置、距離等參數的確定提供了理論依據.

1 幾何模型及邊界條件

本文模擬的發熱圓柱為滑動摩擦副轉子，滑動摩擦副被油氣兩相流體潤滑冷卻，如圖1所示.圓柱直徑d=40mm，噴嘴距圓柱最近距離為L，圓柱轉速ω，圓柱發熱量為常數2 000W/m2，整個流場的長×寬為10d×10d.將圓柱按流場流動特點分成了4個區域，分別是:區域1為滯止區(流體噴射至圓柱駐點存在區域)，區域2為順流區(流體流動方向與圓柱旋轉同向區域)，區域3為分離區(流體繞過圓柱在此區域附近發生分離)，區域4為逆流區(流體流動方向與圓柱旋轉反向區域)，如圖2所示.

圖1 油氣潤滑噴射冷卻滑動摩擦副Fig.1 Oil air lubricates a sliding element

圖2 油氣潤滑冷卻發熱圓柱Fig.2 Oil air cooling hot rotating cylinder

滑油流量保證30mL/h不變，滑油與空氣體積比小于1%，因此對滑油做離散相，空氣連續相假設.油氣進口采用速度進口;出口采用壓力出口.圓柱壁面做無滑移假設，并采用用滑移網格方法模擬圓柱旋轉，利用壁面成膜模型模擬滑油噴射至圓柱表面形成油膜.對湍流的模擬采用SST k-w模型［9］.整個流場共劃分四邊形網格，總數約為25 000，圓柱表面Y+(圓柱壁面第1層網格尺度)約為30.表1給出了本文對油氣噴射冷卻圓柱流場的網格獨立性計算，可以看出當網格總數為25 000時圓柱平均溫度與50 000相差0.43%.

表1 網格獨立性計算Table 1 Grid independence learning results

2 數值模擬結果及分析

Nu表征了壁面附近流體的無量綱溫度梯度，是衡量對流換熱強弱的重要準則數，定義圓柱局部努賽爾數:

表面平均努賽爾數:表面平均溫度:射流雷諾數:

式中:V是空氣進口速度，D是圓柱直徑，υ是空氣粘度，T是溫度，n為壁面法向方向，S為面積.

2.1 噴射距離的影響

圖4 圓柱各個區域隨L變化規律Fig.4 Each zone against L

圖5 不同L下圓柱Nu分布規律Fig.5 Local Nu at different L

2.2 雷諾數的影響

圖6 圓柱各個區域隨Re變化規律Fig.6 Each zone against Re

圖7 不同Re下圓柱Nu分布規律Fig.7 Local Nu at different Re

圖8 滑油蒸汽質量分數分布Fig.8 Mass fraction of oil vapor

2.3 轉速的影響

圖11給出了4個不同轉速下，局部Nu隨著轉速變化規律，可以看出隨著轉速的增大，旋轉作用的增強，Nu數與Re數變化規律一致:分離區極值點向著區域2移動，區域1極值點仍為駐點，因此，轉速的增加對油氣潤滑冷卻旋轉圓柱的機制體現在旋轉作用的增強，導致分離區移動而影響圓柱Nu.圖9 圓柱隨轉速變化規律Fig.9 Cylinderagainst ω

圖10 圓柱各個區域隨轉速變化規律Fig.10 Each zone against ω

圖11 不同轉速下圓柱Nu分布規律Fig.11 Local Nu at different ω

3 結束語

本文對運用CFD方法對油氣噴射冷卻旋轉發熱圓柱進行了數值模擬，通過本文的研究可以確定油氣潤滑在冷卻如圖1所示滑動摩擦副時，應使得摩擦副處于圓柱的逆流區(區域4)，并且存在最佳距離使得油氣潤滑冷卻能力最強，隨著Re的增大，油氣潤滑冷卻能力增強.由于邊界層分離使得區域3的Nu分布較其他區域復雜，且油氣潤滑對該區域的換熱效果最差.轉速對油氣潤滑換熱能力的影響主要體現在分離區的移動，對圓柱數影響較小.本文對模擬的圓柱做了二維恒定發熱量假設，這與工程實際有一定差別，因此對摩擦區發熱直接建模及考慮三維模擬是下一步研究方向.

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