基于两相流理论的滑动轴承流场计算分析

　　0 引言

　　滑动轴承直接影响旋转机械的安全、稳定与可靠运行。目前滑动轴承研究大多建立在雷诺方程基础上[1-5]。雷诺方程是对 N-S 方程的简化，计算结果能够较好地反映轴承特性。但是当轴承形状和流体物性比较复杂时，其应用受到了限制。随着计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)技术的发展，国内外正在开展基于三维 CFD 技术的滑动轴承研究[6-10]。文献[6]首次建立了滑动轴承三维CFD 求解模型，指出 CFD 求出的流场与雷诺方程基本吻合，但是动力特性系数差别较大，平均达到20%，最大达到 63%。文献[7]应用 CFD 技术分析了牛顿和非牛顿流体润滑状态下的轴承特性，并与实验结果进行了对比，指出 CFD 计算结果与实验结果吻合很好。

　　上述 CFD 模型假设轴承正压区内全为液相、负压区内全为汽相，采用负压置零的方法来确定油膜边界，实际上属于单相流模型。大量的实验结果表明，轴承开扩区内油和汽混 合存在[11-13]。为了更为准确地研究轴承特性，本文提出了滑动轴承两相流分析模型，比较了两相流与单相流、雷诺方程计算结果和实验结果的差别，分析 了负压区内油膜汽化比例的影响因素。

　　1 负压区内油膜分布

　　大量的实验结果表明，负压区内油膜并非完全破裂，而是破裂成细条状，有时也会出现蕨类植物状式的气穴状[12]。Jacobson 等人的实验结果表明，负压区内同时存在气体空穴和油蒸汽空穴。气体空穴开始为单个气泡，然后越来越大，直到空穴内气体的数量恒定[13]。气穴中包含液态 润滑油、油蒸汽和气泡等成分[14]。

　　所有这些实验结果都说明，轴承负压区内油和油汽实际上是以两相流的形式混合存在。为了准确研究轴承动力特性，建模时必须考虑两相流对轴承性能的影响。

　　2 滑动轴承 3 种求解分析模型

　　2.1 雷诺方程求解模型

　　雷诺方程对 N-S 方程进行了简化，直接建立了压力求解方程：

　　式中：h 为油膜厚度;μ为润滑油黏度;p 为油膜压力;U 为轴承转速;c 为轴瓦与轴颈半径之差;e为偏心距;φ为相对于最大油膜厚度处的角度。

　　轴向边界条件和最常用的半周边界条件为：aa0a0 ~~ 2z z Lp pp p pp p = = = π ≥= = = π π = 时，， ;时，L 为轴承宽度;pa为环境压力。

　　2.2 三维 CFD 单相流模型

　　不可压缩连续性方程与动量方程为：

　　式中：v 为平均速度;ρ为流体密度;[ε]为变形率张量;g为重力加速度;F 为外部体积力。

　　边界条件：aZ Z Lp p p== ==0，p =p进口 进油压力。