高铁轴承试验台粉尘箱中气固两相流动的数值模拟

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Numerical Simulation on Gas-Particular Two Phase Flows in Dust BOX ofHigh-Speed Railway Bearing Test BenchWang Fei -，Liu Yong-gang ，Song Li-ming - ，Yang Wen-zhuo ，(1.College of Mechanical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2.Henan Key Laboratory for Machinery Design and Transmission System，Luoyang 471003，China)Abstract：The flow field and the track of the dust particles in the dust box of dust proof bearing test bench are simula-ted by using the turbulence model and discrete phase model of Fluent，and the gradient variation of air velocity and thetrack of the dust particles with different diameter in the dust box are obtained.The resuh shows that the dust particleshave good folowing performance，and their velocity field distribution is similar with flow field distribution while their di-ameters are smal1.But with the increase of particles diameter，the inertial force increases.In addition，the velocity di-rection changes slowly and the colision frequency of the dust particles with the wal of bearings and dust box increases。

The dust particles with diferent diameter present different track。

Key words：roling bearing；high speed railway bearing；test bench；gas-particle two phase flow；Fluent；numericalsimulati0n高速铁路从 2O世纪60年代进入使用阶段以来，运行速度不断提高，其中以日本、法 国和德国等的高速铁路发展最为突出。随着高速铁路的飞速发展，也带动了高速铁路轴承技术的发展与进步，高速铁路轴承的主要供货商，如：SKF，FAG及NTN都拥有先进的轴承试验技术和试验装置，其中SKF与 FAG所用的高速铁路轴承试验机，轴承的试验速度已经达到 550 km/h，同时可以模拟轴承运行环境 ，如风速和温度等对轴承性能的影响。

由于我国高速铁路的发展起步较晚，现有的铁路收稿 日期 ：2012-09-20；修回日期：2013-01-10基金项 目：国家八六三”项 目(2009AA044902)；河南科技大学校青年基金资助项目(2011QN11)轴承试验技术与国外还存在着-定的差距。中国现已成为世界高铁大国，包括轴承在内的许多关键技术，必须眷掌握和拥有 自主知识产权，才能真正具备高端市场的核心竞争力 J。因此，需要加强 300 km/h高速铁路轴承试验台的开发，为高速铁路轴承的设计制造提供试验数据支撑，以满足我国高速铁路的发展要求。

防粉尘性能试验台是对高速铁路轴承进行试验和测试的重要设备，该试验台能够模拟轴承的实际工况并进行防粉尘密封性能试验。模拟温度范围为室温至 100 oE，-次可试验 2套(或 2对)铁路轴承。其中粉尘箱是模拟轴承工况和进行试验的关键部件。对粉尘箱内部的气固两相流厨· 48· 《轴承2013.No.7行仿真分析不仅能对粉尘箱的设计提供-定的指导，更有利于降低试验成本。但由于受轴承试验台粉尘箱内部颗粒的旋转、黏性和粉尘箱壁面的影响，其内部流场非常复杂，流场中同时存在着湍流、层流以及可能出现的分离流、尾流和射流等流动现象，而粉尘箱内输送的流体属于气固两相昆合物，故应考虑气固两相间的相互作用，研究难度较大。

下文采用 CFD方法对粉尘箱内气固两相流动进行数值模拟，利用 Fluent提供的湍流模型和离散相模型对粉尘箱内气流场中的固体颗粒的运动进行仿真，从而定性分析不同直径颗粒在粉尘箱内的运动轨迹。

1 气固两相流的计算模型目前用于描述气固两相流场变化的数理模型主要有基于 Euler坐标系的连续介质模型、基于Euler-Lagrange坐标系的颗粒轨道模型和颗粒流体模型2 3类∨粒轨道模型可在充分考虑颗粒与流体问相互作用的前提下，模拟出复杂历程的颗粒相轨迹，同时节势算存储量 J。故选择颗粒轨道模型即 Euler-Lagrange方法 对应的Fluent离散相模型进行分析。在 Euler-Lagrange方法中，将流体相视为连续相，并且求解N-sty程，而离散相可通过计算流场中大量粒子的运动而得到。

Fluent软件通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒(液滴或气泡)的轨迹 J∨粒作用力平衡方程(颗粒惯性力 作用在颗粒上的各种力)在笛卡尔(Cartesian)坐标系下的形式( 方向)为， Utp (-p)g(oP-Pg)Fx；(1)P纛 ， p口p二斗 (2)式中：F。为颗粒的单位质量曳力；F 为颗粒的附加质量力；M为流体相速度； 为颗粒速度；/.L为流体动力黏度；g为重力加速度；P 为流体密度；P 为颗粒密度；d 为颗粒直径。

相对 Reynolds数(颗粒 Reynolds数)为： 型! 二/x拖拽系数为c。 ，(3)(4)式中：系数 口1，口2，Ⅱ3按照 Morsi和 Alexander提出的方法确定。

(1)重力。由于研究的是稀相流动，所以可忽略颗粒重力的影响。

(2)其他作用力。(1)式中包含的其他作用力 在某些情况下可能很重要，其中最重要的-项是所谓的视质量力”(附加质量力)，它是由于要使颗粒周围流体加速而引起的附加作用力。视质量力为F l P sd(u- u )， (5)当P >P 时，视质量力不可忽视。流场中存在的流体压力梯度引起的附加作用力为F ：f 。 (6) 、Pp， 。

(3)Safman升力。在附加力中也可以考虑由于横向梯度(剪切层流动)导致的Safman升力，F： ， (7)ppd。(dlkdk1)式中：K2.594；d dlk，dkl为流体变形速率张量。该式仅适用于较信粒的Reynolds数流动。

颗粒轨迹模型以及描述颗粒质量/热量传递的附加方程都是在离散的时间步长上逐步进行积分运算求解的。对(1)式积分就可得到颗粒轨迹每个位置上的颗粒速度∨粒轨迹为dp， (8)沿着每个坐标方向求解此方程就得到了离散相的轨迹。

2 数值分析试验台粉尘箱结构复杂，主要部件由被试轴承、密封圈、轴承座、陪试轴承、推杆和顶杆等组成。其中被试轴承、密封圈、陪试轴承等径向尺寸变化不大，约为 350 mm左右，在建立几何模型时简化为直径 350 mm的圆柱体。而推杆、顶杆等的作用是对被试轴承施加轴向及径向载荷，直径 3Omm的圆杆对颗粒流场分布影响不大，故可在模型中忽略。为对试验台粉尘箱内部工况进行气固两相流的数值模拟，作如下假设：(1)流体在流动过程中不可压缩；(2)忽略固体粒子间的相互作用；(3)固体粒子占体积的比例小于 10%，粒子的存在对气流参数的影响很小；(4)假定固体粒子是直径相同、密度均匀的球体；(5)气固两相流具有相王玲，等 ：含银无铅铜铋滑动轴承材料摩擦学特性研究 ·55·趋势基本相似，0 试样摩擦副摩擦因数从开始的0.03逐渐上升并稳定在0.05左右，6 试样摩擦因数从开始的0.025逐渐上升并稳定在0.042左右。

85 min后6 试样摩擦因数有明显下降趋势，并逐渐稳定在 0.04左右，整个试验过程摩擦因数均低于O 试样 ，且变化较为平稳；而 85 min后 0 试样摩擦因数明显增大，并且变化不稳定。

试验结束后测量 2种试样的磨痕宽度，并计算其体积磨损量，结果如图7b所示，图中6 试样的体积磨损量明显小于0 试样，可见加入适量的银对铜铋轴承材料的摩擦学特性确有明显的改善效果。

3 结论(1)当滴油量为 30滴/min，即润滑情况较好时，银对铜铋轴承材料的摩擦学特性影响不明显，银含量为 0.8%时，对铜铋轴承材料的摩擦学特性有-定的改善作用；在滴油量为 1/min及 1滴/5 min相对润滑不好的情况下，银对铜铋轴承材料减摩、耐磨性能的改善作用较为明显，银的适宜添加范围也较宽，但银的最佳添加量为 0.80%。

(2)润滑情况较差的试验条件下，铜铋轴承材料容易产生黏着磨损和磨粒磨损，表现出较差的摩擦磨损特性；银含量适宜的铜铋轴承材料磨损程度较轻微，黏着、犁沟痕迹明显较轻，磨痕表面较为光滑。