基于CFX的高鐵軸承試驗(yàn)臺粉塵箱氣固雙相流分析

劉永剛，鄭景陽，李倫

（河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，對高鐵軸承性能的要求也不斷提高，高速列車中，軸承是保證其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的核心部件之一。目前，我國高鐵軸承在研發(fā)實(shí)力、生產(chǎn)水平、試驗(yàn)條件等方面與國際著名軸承企業(yè)存在著較大的差距，國產(chǎn)高鐵軸承的滾子及內(nèi)外圈表面易出現(xiàn)磨損和剝落［1］。為了滿足列車更高速、更安全、更環(huán)保的性能要求，軸承必須具備精良的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)檢測水平，故需要進(jìn)一步提高軸承試驗(yàn)技術(shù)［2］。

高鐵軸承防粉塵密封試驗(yàn)臺是對高鐵軸承進(jìn)行試驗(yàn)和測試的重要設(shè)備。文獻(xiàn)［3］研究了速度300 km／h以上時高鐵軸承疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)和風(fēng)扇的運(yùn)行方式。文獻(xiàn)［4］通過優(yōu)化高鐵軸承試驗(yàn)臺主軸的結(jié)構(gòu)，對陪試軸承的位置進(jìn)行了優(yōu)化確立。由于試驗(yàn)臺粉塵箱內(nèi)部顆粒的旋轉(zhuǎn)、黏性和粉塵箱壁面的影響，粉塵箱內(nèi)流場非常復(fù)雜。同時存在著湍流、層流以及可能出現(xiàn)的分離流尾流和射流等流動現(xiàn)象，而粉塵箱內(nèi)充滿氣固兩相混合物，故應(yīng)考慮氣固兩相間的相互作用，研究難度較大［5］。文獻(xiàn)［6］利用FLUENT軟件對粉塵箱內(nèi)不同尺寸塵粒和流場速度、方向進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確立粉塵箱內(nèi)不同尺寸塵粒的運(yùn)行軌跡和流場速度變化規(guī)律，為確立風(fēng)扇的數(shù)量和空間布局提供了理論依據(jù)。文獻(xiàn)［7］利用CFX建立了粉塵箱的有限元模型，得出了一種較理想的風(fēng)扇布局方案，但沒有進(jìn)一步分析風(fēng)扇數(shù)量和轉(zhuǎn)向?qū)α鲌龊头蹓m分布的影響規(guī)律。由于CFX軟件采用的全隱式耦合算法在旋轉(zhuǎn)機(jī)械方面有較大優(yōu)勢［8-9］，因此，采用基于CFX軟件的SST模型研究風(fēng)扇攪動對箱內(nèi)流場的速度變化和塵粒運(yùn)行軌跡的影響較為合適。

為了滿足高鐵軸承350～500 km／h的速度試驗(yàn)條件，通過建立內(nèi)循環(huán)形式的試驗(yàn)臺粉塵箱，研究了粉塵箱內(nèi)部風(fēng)扇轉(zhuǎn)動情況對流場速度變化規(guī)律和塵粒運(yùn)行軌跡的影響，分析了粉塵箱內(nèi)流場和塵粒分布的變化規(guī)律，通過最終的分析對比，確定了最接近高鐵軸承工作環(huán)境的粉塵箱內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動形式。

1 建模與仿真

1.1 模型建立

試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。箱體主要部件由被測軸承、密封圈、徑向推桿、軸向頂桿和軸承支架等組成。被測軸承外圈直徑約350 mm，在建立幾何模型時統(tǒng)一簡化為直徑350 mm的圓柱；設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺箱體為直徑750 mm、長750 mm的圓柱；傳動軸簡化為直徑150 mm、長200 mm的圓柱；軸承端面所處的平面 Z＝-400 mm［6］。

圖1 高鐵軸承試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of high-speed railway bearing test bench

首先選用垂直于軸承端面的90°扇葉，風(fēng)扇在粉塵箱內(nèi)的排布如圖2所示。設(shè)定箱體嚴(yán)格密封，內(nèi)流場是空氣和固體粉塵的連續(xù)耦合相，相間無物質(zhì)傳遞，且粉塵顆粒屬性為二氧化硅，氣固雙相流具有相同的溫度場。粉塵顆粒位于粉塵箱內(nèi)，在分析中分為2部分：一部分作為氣固耦合相，以一定的體積分?jǐn)?shù)影響內(nèi)流場；另一部分極少數(shù)的特定粉塵顆粒作為粒子跟蹤對象研究其運(yùn)動軌跡的流線圖，不影響內(nèi)流場分布［10］。

圖2 風(fēng)扇排布圖Fig.2 Configuration diagram of fans

利用前處理軟件ICEM中Robust方法生成四面體非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖3所示。固定域部分生成約300 000個網(wǎng)格，旋轉(zhuǎn)域部分生成約150 000個網(wǎng)格。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

1.2 邊界條件

對邊界條件和初始條件進(jìn)行設(shè)定：

1）設(shè)定不同域的網(wǎng)格連接為普通interface網(wǎng)格連接，連接格式是GGI網(wǎng)格連接方式，旋轉(zhuǎn)域用于interface連接3個面依次是fan-top，fan-outer和fan-bot，固定域用于interface連接3個面依次是 tank-top，tank-outer和 tank-bot，分別與對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)域連接。

2）固定域其他面皆定義為旋轉(zhuǎn)自由滑移（free slip）的wall，旋轉(zhuǎn)域其他面皆定義為固定無滑移（no slip）的 wall。

3）材料庫中設(shè)定固相粉塵顆粒是標(biāo)準(zhǔn)形狀顆粒，密度均勻，其粒徑均勻分布在30～150μm之間，平均粒徑為70μm；箱體內(nèi)粉塵顆粒所占體積分?jǐn)?shù)為2%。

4）為了仿真模擬的準(zhǔn)確求解和收斂性，設(shè)定求解格式為指定混合因子，混合因子為0.75。

5）為了使求解控制器有充足的迭代時間，設(shè)定求解器最大求解迭代步為500步。

6）設(shè)定求解器的時間控制為物理時間控制，其時間間隔為2 s。

7）設(shè)定仿真分析的殘差值為10-4，設(shè)定最大逝去時間為100 s。

8）其他設(shè)置項(xiàng)選擇軟件默認(rèn)狀態(tài)。

1.3 仿真試驗(yàn)步驟

首先，對試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，通過外形仿真分析驗(yàn)證模型的可行性及合理性，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)；然后，對風(fēng)扇的相關(guān)重要因素進(jìn)行分析，研究對風(fēng)扇產(chǎn)生影響的參數(shù)；最后，從流場矢量分布、顆粒運(yùn)動軌跡和速度云圖3個方面深入分析風(fēng)扇轉(zhuǎn)向?qū)噭友h(huán)產(chǎn)生的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)扇同向旋轉(zhuǎn)

設(shè)定風(fēng)扇同向旋轉(zhuǎn)，粉塵箱內(nèi)流速及顆粒運(yùn)動軌跡如圖4所示。

圖4 同向轉(zhuǎn)動時，流速圖和粉塵軌跡圖Fig.4 Diagrams of flow velocity and dust trajectory during rotation in same direction

由圖4a可知，當(dāng)4臺風(fēng)扇同向轉(zhuǎn)動時，風(fēng)扇端面上流體質(zhì)點(diǎn)受力的方向基本保持一致。由于風(fēng)扇間形成的有旋流動相互影響，軸承端面形成強(qiáng)迫對流，粉塵顆粒以擾動流的形式運(yùn)動，并有渦量較小的渦旋產(chǎn)生，方向跟隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)動方向，渦旋的內(nèi)流場速度小，外流場速度大。此時軸承端面的粉塵顆粒以紊流的流態(tài)存在，包括回流、反流、尾流等形式，也有因垂直碰撞壁面形成的滯止流，滯止流以暫態(tài)流的形式存在，粉塵相對軸承端面的運(yùn)動形式是滑移、撞擊及撞擊后的滑移。

由圖4b～圖4d可知，在粉塵箱內(nèi)壁面和軸承外圈之間，每臺風(fēng)扇形成的有旋流緊接著進(jìn)入相鄰風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)域做有旋流動，形成一個完整連續(xù)的旋渦域，渦面整體規(guī)律有序，旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向相同。此時粉塵顆粒做有旋流動，以環(huán)流形式存在，相對軸承外圈面的運(yùn)動形式是繞軸向旋轉(zhuǎn)的滑移。

此外，由于風(fēng)扇彼此間的擾動流碰撞，僅在風(fēng)扇的近場流有一定的流速，且以渦旋形式存在，沒有明顯的規(guī)律可尋。此時粉塵顆粒以紊流、擾流的形式存在，并且有粉塵到達(dá)軸承端面，粉塵流相對軸承端面的運(yùn)動形式基本為撞擊，因撞擊的角度不同，撞擊后大部分粉塵相對軸承端面滑移，也有部分顆粒因垂直碰撞形成暫態(tài)的滯止流。當(dāng)粉塵顆粒的流態(tài)以渦流形式存在時，其內(nèi)流場速度小，外流場速度大，粉塵箱內(nèi)壁面上粉塵的運(yùn)動速度大，被測軸承外圈粉塵流速小。同時軸承外圈流速較小也是由于此處的擾動流造成的，粉塵顆粒因受到不同方向的力導(dǎo)致合力衰減。由此可以得出，在此風(fēng)扇轉(zhuǎn)動模式下的粉塵顆粒與粉塵箱內(nèi)壁面及被測軸承大部分處于滑移摩擦狀態(tài)，摩擦方向基本是繞軸向的旋轉(zhuǎn)，因此粉塵箱內(nèi)壁面和被測軸承受到磨蝕磨損，且粉塵箱內(nèi)壁面處的流速較大，風(fēng)扇所做的功大部分作用在粉塵箱內(nèi)壁面上。

此風(fēng)扇轉(zhuǎn)動模式存在以下問題：1）雖能較好地模擬高鐵軸承在運(yùn)行過程中繞軸向旋轉(zhuǎn)的粉塵顆粒的污染，但高鐵軸承所處的實(shí)際環(huán)境比較復(fù)雜，不僅僅受到有序的旋轉(zhuǎn)粉塵顆粒污染，實(shí)況中的粉塵顆粒運(yùn)動是無序的亂流，旋轉(zhuǎn)只是其中一種，此風(fēng)扇轉(zhuǎn)動模式不能有效地反映被測軸承受到來自不同方向的粉塵顆粒碰撞、滑移。2）粉塵箱內(nèi)壁面磨蝕比較嚴(yán)重，對其防護(hù)層、密封圈等的耐磨性提出了更高的要求，增加了試驗(yàn)成本，被測軸承沒有形成實(shí)際狀況中的點(diǎn)蝕。3）箱體內(nèi)運(yùn)動的粉塵顆粒由于慣性相對較大，在向心力的作用下運(yùn)動在壁面固定的軌道上，且顆粒越大越靠近壁面，很難碰撞軸承，直至磨損變小，隨著慣性減小才可能運(yùn)動至軸承附近，因此內(nèi)置一定粒徑的粉塵粒子失去了意義。

2.2 相鄰兩臺風(fēng)扇同轉(zhuǎn)向，另兩臺風(fēng)扇反轉(zhuǎn)向

設(shè)定任意相鄰兩臺風(fēng)扇同轉(zhuǎn)向，另兩臺反轉(zhuǎn)向。粉塵箱內(nèi)流速及顆粒運(yùn)動軌跡如圖5所示。

圖5 同向+反向時，流速圖和粉塵軌跡圖Fig.5 Diagrams of flow velocity and dust trajectory during rotation in same and reserve direction

由圖5a可知，在風(fēng)扇端面上，流體質(zhì)點(diǎn)受力方向依然分散且合力較小，流場的整體流速較小。由圖5b～圖5d可知，在粉塵箱內(nèi)壁面和軸承外圈之間，擾動流和強(qiáng)迫對流形成的渦流數(shù)量減少，渦旋破碎和雙胞渦流現(xiàn)象消失。此時軸承外圈面的粉塵流向紊亂，流態(tài)以回流、反流和暫態(tài)的滯止流為主，粉塵顆粒相對軸承外圈面的運(yùn)動形式以繞軸向的旋轉(zhuǎn)滑移為主，同時還有撞擊和撞擊后的滑移。在軸承端面上，2組不同轉(zhuǎn)向的風(fēng)扇形成強(qiáng)對流，并無渦旋產(chǎn)生，對向流被迫相互擠壓，在風(fēng)扇間的中線形成相同方向并離開軸承端面。軸承端面粉塵顆粒的流態(tài)主要以強(qiáng)迫對流形式存在，也有暫態(tài)的滯止流，此時粉塵相對軸承端面的運(yùn)動形式是滑移、撞擊和撞擊后的滑移。此風(fēng)扇轉(zhuǎn)動方式下軸承周圍的粉塵運(yùn)動也比較接近實(shí)況，但當(dāng)改變風(fēng)扇的傾角來改善流場軸向流速時，軸承外圈面的軸向粉塵流速上下側(cè)分布不均。在圖5b中，下側(cè)風(fēng)扇吹出的流體經(jīng)過軸承后側(cè)繞到上側(cè)風(fēng)扇回流，回流后的粉塵流體又回到下側(cè)風(fēng)扇，如此反復(fù)循環(huán)形成環(huán)流，在軸承外圈的垂直面形成旋轉(zhuǎn)攪動，不是理想的效果。在被測軸承的表面，2組風(fēng)扇形成的軸向速度相反，直接吹出的軸向速度要大于回流的軸向速度，造成軸承一側(cè)的粉塵流速大于另一側(cè)，粉塵運(yùn)動分布不均。由圖5c可知，以風(fēng)扇所處的平面為分界面，試驗(yàn)臺箱體內(nèi)左側(cè)空間的整體流速大于右側(cè)。此風(fēng)扇轉(zhuǎn)動方式下風(fēng)扇作用于軸承上的有效功較低，同時造成能源浪費(fèi)。

2.3 相鄰風(fēng)扇轉(zhuǎn)向相反

設(shè)定相鄰兩臺風(fēng)扇依次轉(zhuǎn)速相反，粉塵箱內(nèi)流速及顆粒運(yùn)動軌跡如圖6所示。

圖6 反向轉(zhuǎn)動時，流速圖和粉塵軌跡圖Fig.6 Diagrams of flow velocity and dust trajectory during rotation in reserve direction

由圖6a可知，相鄰風(fēng)扇轉(zhuǎn)向相反時，在風(fēng)扇端面上，由于流體質(zhì)點(diǎn)受力方向分散且合力變小，與圖5a相比，整體流場的粉塵顆粒的流速相對較小。在粉塵箱內(nèi)壁面和軸承外圈之間，由于受風(fēng)扇不同方向有旋流的影響，形成強(qiáng)迫對流，粉塵顆粒以擾動流的形式運(yùn)動，形成若干渦度明顯的渦流，方向跟隨距離最近的風(fēng)扇轉(zhuǎn)向，同時也有部分渦流因靠近壁面造成渦流分離，沒有形成完整的渦流，也有因2個渦流相距過近形成的雙胞渦流，方向跟隨胞心較大的渦流，渦旋的內(nèi)流場流速小，外流場流速大。軸承外圈面的粉塵運(yùn)動相對紊亂，以紊流形式存在，有回流、反流、尾流等，也有因垂直碰撞壁面形成暫態(tài)的滯止流，相對軸承外圈面的運(yùn)動形式以繞軸向的旋轉(zhuǎn)滑移為主，同時還有不同流向的粉塵撞擊，視撞擊角度不同，然后滑移或者暫停。在軸承端面上的粉塵顆粒還保持著相當(dāng)?shù)牧魉俸鸵欢ǖ倪\(yùn)動規(guī)律：從左側(cè)風(fēng)扇中心點(diǎn)發(fā)出一簇束流在其他3臺風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)作用下，分別向這3臺風(fēng)扇發(fā)散，形成分離流，在軸承端面的邊緣形成強(qiáng)迫對流，開始相互干擾形成有渦流；軸承端面的粉塵顆粒的流態(tài)以束流、分離流的形式存在，也有暫態(tài)的滯止流，此時粉塵相對與軸承端面的運(yùn)動形式是滑移、撞擊和撞擊后的滑移，粉塵分布更接近實(shí)況。

由圖6b和圖6d可知，由于相鄰風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向相反，造成渦流激烈碰撞，改變了流體質(zhì)點(diǎn)原來的方向；風(fēng)扇左右分別產(chǎn)生強(qiáng)迫對流，形成粗糙的對稱渦旋，方向跟隨距離最近的風(fēng)扇；兩風(fēng)扇之間也因擾動流形成方向相反的對稱渦旋，方向分別跟隨距離最近的風(fēng)扇，渦旋內(nèi)流場速度小，外流場速度大。此時粉塵顆粒以擾流和渦旋流為主，也有部分顆粒因直接碰撞形成暫態(tài)的滯止流。不僅有部分粉塵到達(dá)軸承端面，也有有旋流動的粉塵到達(dá)軸承外圈面，粉塵流相對軸承端面的運(yùn)動形式多是撞擊、撞擊后的滑移，視撞擊的角度不同，撞擊后粉塵有不同的滑移速度。

對比圖5b和圖6b可知，隨著顆粒運(yùn)動速度的減弱，顆粒的運(yùn)動流線明顯變少，圖6b所示的流線雖有徑向流動的軌跡但流速很小。由圖6c可知，這種風(fēng)扇轉(zhuǎn)動模式下被測軸承主要受來自顆粒滑移摩擦和碰撞，但滑移的方向有所改變。由圖6d可知，箱體壁面上距離風(fēng)扇最近的4個點(diǎn)受到一簇粉塵流撞擊，隨后向周圍均勻擴(kuò)散，撞擊速度部分轉(zhuǎn)化為平行于壁面的速度，壁面上粉塵顆粒流速由小變大，再依次向周圍擴(kuò)散減小，但流速相對風(fēng)扇同向轉(zhuǎn)動模式較小且方向有所改變。此時粉塵相對軸承端面的運(yùn)動形式是滑移、撞擊和撞擊后的滑移，粉塵分布更接近實(shí)況。基于以上分析可以得出：此時粉塵在軸承徑向上的速度比較符合高鐵軸承的實(shí)際工況條件，每臺風(fēng)扇形成的有旋流緊接著進(jìn)入相鄰風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)域做有旋流動，整體形成了實(shí)際繞軸向旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，渦面整體規(guī)律有序，對比文獻(xiàn)［9］中的方案3，該方案整體速度比3臺風(fēng)扇時更大，更接近實(shí)際工況條件。

3 結(jié)論

1）風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向決定了試驗(yàn)臺繞軸向旋轉(zhuǎn)流體之間擾動流和渦流，以及內(nèi)流場粉塵顆粒的流態(tài)和相對運(yùn)動形式。

2）與高鐵軸承實(shí)際工況最為符合的粉塵箱內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動模式是相鄰風(fēng)扇轉(zhuǎn)向相反。