油气两相流喷射冷却旋转发热圆柱换热机理分析

王进礼，蔡林，郑洪涛

(1.哈尔滨工程大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;2.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

油气润滑是一种有效的润滑冷却方式，已经被广泛应用于滚动轴承［1-3］、金属切削加工［4-5］，并且在齿轮传动方面［7］也有相关报道.Ramesh 等［6］进行了油气润滑冷却滚子的相关实验，结果表明对流换热是油气润滑冷却的主要换热形式.Hōhn［7］进行了油气两相流体润滑冷却外啮合齿轮的试验研究，结果表明与传统浸油润滑相比，维持同样温升值仅需要滑油28mL/h.王进礼等［8］进行了油气润滑冷却滑动摩擦副的试验研究，油气润滑冷却低速中载滑动摩擦副时，其摩擦副温升值低于浸油润滑.

对流体冷却发热圆柱的研究有着广泛的工程背景，油气润滑冷却滑动摩擦副、滚子摩擦副、齿轮传动等都与旋转发热圆柱有关，本文对油气两相喷射冷却旋转发热圆柱进行了数值模拟，并进一步分析了喷射距离、射流雷诺数、转速对圆柱Nu的影响.为油气润滑应用于摩擦副时位置、距离等参数的确定提供了理论依据.

1 几何模型及边界条件

本文模拟的发热圆柱为滑动摩擦副转子，滑动摩擦副被油气两相流体润滑冷却，如图1所示.圆柱直径d=40mm，喷嘴距圆柱最近距离为L，圆柱转速ω，圆柱发热量为常数2 000W/m2，整个流场的长×宽为10d×10d.将圆柱按流场流动特点分成了4个区域，分别是:区域1为滞止区(流体喷射至圆柱驻点存在区域)，区域2为顺流区(流体流动方向与圆柱旋转同向区域)，区域3为分离区(流体绕过圆柱在此区域附近发生分离)，区域4为逆流区(流体流动方向与圆柱旋转反向区域)，如图2所示.

图1 油气润滑喷射冷却滑动摩擦副Fig.1 Oil air lubricates a sliding element

图2 油气润滑冷却发热圆柱Fig.2 Oil air cooling hot rotating cylinder

滑油流量保证30mL/h不变，滑油与空气体积比小于1%，因此对滑油做离散相，空气连续相假设.油气进口采用速度进口;出口采用压力出口.圆柱壁面做无滑移假设，并采用用滑移网格方法模拟圆柱旋转，利用壁面成膜模型模拟滑油喷射至圆柱表面形成油膜.对湍流的模拟采用SST k-w模型［9］.整个流场共划分四边形网格，总数约为25 000，圆柱表面Y+(圆柱壁面第1层网格尺度)约为30.表1给出了本文对油气喷射冷却圆柱流场的网格独立性计算，可以看出当网格总数为25 000时圆柱平均温度与50 000相差0.43%.

表1 网格独立性计算Table 1 Grid independence learning results

2 数值模拟结果及分析

Nu表征了壁面附近流体的无量纲温度梯度，是衡量对流换热强弱的重要准则数，定义圆柱局部努赛尔数:

表面平均努赛尔数:表面平均温度:射流雷诺数:

式中:V是空气进口速度，D是圆柱直径，υ是空气粘度，T是温度，n为壁面法向方向，S为面积.

2.1 喷射距离的影响

图4 圆柱各个区域随L变化规律Fig.4 Each zone against L

图5 不同L下圆柱Nu分布规律Fig.5 Local Nu at different L

2.2 雷诺数的影响

图6 圆柱各个区域随Re变化规律Fig.6 Each zone against Re

图7 不同Re下圆柱Nu分布规律Fig.7 Local Nu at different Re

图8 滑油蒸汽质量分数分布Fig.8 Mass fraction of oil vapor

2.3 转速的影响

图11给出了4个不同转速下，局部Nu随着转速变化规律，可以看出随着转速的增大，旋转作用的增强，Nu数与Re数变化规律一致:分离区极值点向着区域2移动，区域1极值点仍为驻点，因此，转速的增加对油气润滑冷却旋转圆柱的机制体现在旋转作用的增强，导致分离区移动而影响圆柱Nu.图9 圆柱随转速变化规律Fig.9 Cylinderagainst ω

图10 圆柱各个区域随转速变化规律Fig.10 Each zone against ω

图11 不同转速下圆柱Nu分布规律Fig.11 Local Nu at different ω

3 结束语

本文对运用CFD方法对油气喷射冷却旋转发热圆柱进行了数值模拟，通过本文的研究可以确定油气润滑在冷却如图1所示滑动摩擦副时，应使得摩擦副处于圆柱的逆流区(区域4)，并且存在最佳距离使得油气润滑冷却能力最强，随着Re的增大，油气润滑冷却能力增强.由于边界层分离使得区域3的Nu分布较其他区域复杂，且油气润滑对该区域的换热效果最差.转速对油气润滑换热能力的影响主要体现在分离区的移动，对圆柱数影响较小.本文对模拟的圆柱做了二维恒定发热量假设，这与工程实际有一定差别，因此对摩擦区发热直接建模及考虑三维模拟是下一步研究方向.

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