基于FLUENT轧机油膜轴承空化现象的仿真与分析

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Simulation and analysis on cavitation phenomenon of oil-film bearingin roll mill based on FLUENTWANG Rong-yao，ZHU Lin，WANG Jian-mei，wU Xiao-jun，LI Yu-gui(Engineering Research Center of Heavy Machinery Ministry of Education，Taiyuan University of Science and TechnologyTaiyuan 030024，China)Abstract：Based on the RANS equations and two-phase flow model，coupling with a natural cavitation model，a gas-liquid mixture numerical simulation method is established to simulate the cavitation phenomenon andmigration of cavitation zone in roling mill oil film bearing by Finite Volume Method(FVM)with block meshing。

The oil film pressure field and gas phase volume fraction contours fire achieved.The study found that the mainfactor of appearing cavitation is the absolute pressure of the local flow field；the revolution has a signifcantimpact on the migration of cavitation；and the boundary of flow field is the successful key to the simulation.Thestudy concerned is useful for optimizing the structure of the oil film bearing and improving the working stabilityof the film。

Key words：oil film bearing；FVM；pressure distribution；cavitation phenomenon；cavitation migrationO 前 言早在十八世纪，流体力学的先驱 Euler就通过实验观测到流体 的空化现象并作 了相关研究。传统意义上空化是材料的剥蚀源、噪声的辐射源、构件的振动源以及流体动力的干扰源2 J。在润滑理论发展初期，人们就发现静载时轴颈的非承载区发生了空化现象 j。1956年Cole和 Huges使用玻璃轴承套观测到发散区油膜收稿13期：2013-01-28；修订日期：2013-02-19基金项目：国家青年科学基金资助项目(No.51205269)作者简介：王荣耀(1986-)，男，太原科技大学，硕士研究生研究方向：重型机械结构优化。

破 裂 呈 细 条 状 ；1983年 B.D.Jacobson和B.J.Hamrock首先用高速相机拍摄到动载轴承中的空穴 ；1991年 D.C.sun和 D.E.Brewe通过挤压油膜实验获得较好的空穴照片 。随着油膜轴承在高精度轧机上的应用，对油膜空化现象的研究不仅具有重要的理论意义，而且有着广泛的工程应用价值。

1 动压油膜轴承空化现象产生的机理空化是指在-定条件下液体介质内部出现蒸汽泡或空穴(空泡)的现象。通常 自然空化发生的主要原因是液体介质中局部压力低于液体的饱2013 N0.4 重 型 机 械 ·23·和蒸汽压(气压)，导致液体 中原有的微气核或者初生的气核成长为大的空穴 (空泡)，甚至连成片形成空穴区 。

动压油膜轴承的工作原理主要是基于粘滞流体的动压效应，如图 1所示。图中，轴颈 1在衬套 2中转动把润滑油带人收敛的楔形间隙，油液受到挤压产生-定的动压承载力，因此油膜承载区承受着相当高的压力。而在发散区油膜压力骤降，甚至出现负压，尤其是轴承承载较大时，负压的峰值也更高 J。此时发散区的部分油膜由于压力低于润滑油的饱和蒸汽压而出现空穴(空泡)，随着空穴数量的增多、体积的增大，流场的状态就会改变，油膜自然破裂，发生空化现象。

1轴颈 2衬套图 1 动压油膜轴承工作原理示意图Fig.1 Principle of dynamic pressure oil film beating working2 基于 FLUENT仿真的数学理论基础本文以低速重载轧机油膜轴承为研究对象，其流体润滑理论基于 RANS方程，数值解法采用有限体积法(FVM)，利用 SIMPLE求解器对具体问题进行有效的计算。

2.1 两相流计算的控制方程因空化现象的出现，研究对象不再是单相的流体计算，而是两相流计算，所以不但要遵循基本的物理守恒定律还要遵循组分守恒定律。计算过程中组分守恒定律通过如下控制方程实现。

atV·(p )0州 - ) (-P/z 7。v)i2w式中，t表示时间； 是体积力矢量； 是流体密度； 是流体速度矢量； 是剪切力张量，p是流体压力； 是动力粘度；e是速度应力张量，e可表示为e ÷(V V ) (2)2.2 空化模型的数学理论基础常态下非理想纯净的润滑油中溶解着不可冷凝的微气核，随着油膜压力的降低，这些微气核从饱和状态蒸发出来，密度尧生改变，这个过程由式(3)的输运方程所控制。

J-盖( )V。( 。P )Re-Re(3)·P (1- )P p式中，P 、P 分别代表计算域气、液相的密度；表示气相体积分数； 是气相速度矢量；R表示空穴产生和膨胀的相变率；R 表示空穴的压缩和破裂的相变率。 和R。从空泡在液体中运动特性的Rayleigh-Plesset方程推导得出 ：当P >P时，c专 (1 (4)当P

0.O1； 为局部特征速度；S 为饱和液体的表面张力系数；P 为液体的饱和蒸汽压；P为局部实际压强；其它符号同前。

3 计算域的控制单元和网格划分轴承和润滑油的相关参数见表1。用有限体积法对油膜的流厨行计算时，其控制体和网格的关系如图 2所示。其中黑粗线为计算域中的wal，而黑细线为计算网格，对应的红点即为网格节点，青色虚线为控制体的边界。由此可知网格节点在控制体的正中央。

表 1 轴承和润滑油的相关参数Tab.1 Correlation parameter of bearing and oil轴承直径 宽径比 偏心率 相对间 平均温 润滑油 几何包D/mm B/D 8 隙 ‰ 度/℃ 粘度 容角 (。)220 0.75 0.8 0.6 50 0.4 120网格质量对数值模拟的计算精度和收敛速度有很大影响，甚至起到决定性的作用。本次计算中油膜厚度为 10-4O m，而宽度为 165 mm，直径为220 mm，数量级相差过大。因此，为保证计算精度和收敛速度，针对油膜的特殊性，采用ICEM中的结构化网格生成技术对油膜进行分块网