考虑空化效应的倾斜织构表面摩擦学性能cfd分析

考虑空化效应的倾斜织构表面摩擦学性能cfd分析

大多数设备损失是由摩擦磨损造成的。据不完全统计，不同形式的摩擦磨损导致80%以上的机械零件损失。为了提高机械设备的运动能力、增加其可靠性、提高其使用寿命,对降低摩擦磨损、改善润滑性能的控制必不可少。传统摩擦学认为,互相接触的2个表面越光滑磨损量越小。然而近几年大量的研究和实践表明,在摩擦副表面加工具有一定排列规律的微观结构不但能够提高承载能力,而且可以降低摩擦副表面之间的摩擦磨损,延长机械零部件的使用寿命当前国内对表面织构的基础研究大多集中在平行摩擦副织构表面的各织构参数对摩擦学性能的影响,但在实际工况中往往会出现倾斜的情况,如滑动轴承、热-力耦合条件下机械密封动静环之间形成的收敛与发散油膜间隙等。CUPILLARD等相关研究表明,倾斜角的引入对织构的有效性和其摩擦学性能都有着很大的影响,在许多情况下,整体楔形效应的影响会掩盖织构的益处1模拟模型的构建1.1相为催化剂的压力和速度为了考虑惯性项的影响式中:ρ为润滑剂的密度;u为x坐标方向的速度;η为润滑剂的动力黏度;p为油膜的压力。织构间隙由于突变带来的空化效应采用Fluent自带空化模型Schnerr-Sauer进行描述,源相R式中:ρ当pp式中:n1.2坑宽度和厚度二维单微孔倾斜织构几何模型示意图如图1所示,计算流体域总长度L=300μm;凹坑宽度d=100μm,凹坑位于下壁面的正中间;出口油膜厚度h模型的左端设为压力入口,为一个标准大气压;右端为压力出口,也设为一个标准大气压;上下边界均采用无滑移边界条件,下边界静止,上边界运动速度为u=20m/s,方向如图1所示。1.3网格无关性验证对于该计算模型的网格划分采用ICEM软件进行。由于油膜厚度方向尺寸与织构长度方向尺寸差别在2个数量级,所以采用自由网格划分时会出现油膜厚度方向网格数量较少,显然很难满足计算过程对网格精细度的要求,故采用结构化网格划分。网格数量较少时,仿真结果的误差会比较大;网格过密时,会使仿真的计算量增大,且当网格数增加到一定水平时再增加网格密度对计算结果的影响很小。故仿真时需要对网格无关性进行验证来确定合适的网格尺寸,以确保仿真结果的精度。经过计算对比最终将油膜厚度方向的网格尺寸设为0.1μm;织构长度方向网格尺寸设为0.5μm。选择Fluent2D二维双精度求解器,求解器类型选为Pressure-Based,压力速度耦合采用SIMPLE算法。操作压力设为101325Pa。对于空化的模拟采用Mixture多相流模型,空化压力设为30kPa。由于空化产生气相,流体状态选择k-ε湍流模型,有利于计算收敛。计算的收敛精度设为10分别计算各h2结论分析2.1空化条件下出口油膜厚度h对于收敛油膜间隙而言,织构的引入能否提高油膜的承载性能是该研究深入开展的前提。图2为考虑空化条件下出口油膜厚度h从图2所示的承载力对比来看织构的引入是有益的,提高了油膜的承载力。从图3所示的压力分布曲线的对比来看,织构的引入通过改变压力的分布形式与极值大小,改变了油膜承载力。2.2考虑空化效应的倾斜织构以出口油膜厚度h图4所示为考虑空化和不考虑空化2种情况时的压力云图。图5为发生空化时气相体积分数云图。图6为该2种情况下上壁面的压力分布曲线。结合图4和图6可知,不考虑空化效应的影响时,在织构的入口由于油膜间隙的突然增大造成的发散效应导致产生很大的负压,在织构的出口处由于油膜间隙的突然变小形成动压效应,所以在此处产生很大的正压力;考虑空化效应时,在织构的入口处当压力降低至润滑液的饱和蒸汽压时液体就会发生空化来阻止压力的进一步降低,如图5所示,所以在织构入口的最低压力为液体的饱和蒸汽压力,在织构的出口处其机制和不考虑空化是一致的。对其上壁压力进行积分求得上壁的承载力在考虑和不考虑空化时分别约为170和120N。由此可知,空化不仅影响了流场的压力分布,而且改变了油膜的承载力,因此在分析倾斜织构表面时有必要考虑空化效应的影响。图7为Δh=0.2μm,h2.3模型参数的影响分析2.3.1影响涂层深度的影响图8示出了Δh=0.2μm,不同h2.3.2倾斜角与油膜厚度的影响以最优承载力为研究对象,图9所示为不同h从图9中可以发现,随着倾斜角的增加最优承载力呈递增的趋势。造成这一现象的主要原因可以从图10中看出,相同油膜厚度条件下倾斜角越大,所产生的附加动压效应就越明显,会产生更高的压力极值进而产生更高的油膜承载力。图11所示为不同Δh值所对应的最优承载力值随油膜厚度h从以上分析可以得出,织构表面所能够获得的最大承载力除了受织构深度的影响外还受到倾斜角和油膜厚度的影响。在较大倾斜角、较小油膜厚度条件下织构表面具有较大的最优承载力。2.3.3最优贡献率与倾斜角度的关系以最优承载力相对于无织构条件下承载力的增长率作为承载性能改善的衡量指标。最优承载力增长率为有织构最优承载力与同条件下无织构承载力的差值与无织构承载力的比值,其值是一个相对增量,在衡量承载性能的改善程度方面更具代表性。图13所示为不同h通过观察最优增长率所对应的空化云图(见图14—16)可以发现一个规律,同一h由上可知空化效应较强时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而减小;空化效应较弱时,最优承载力增长率会随着倾斜角的增大而增大。因此可得出,最优承载力增长率的变化与空化效应密切相关。结合图13及最优承载下对应的空化云图可知,倾角一定时,在低油膜厚度条件下空化效应较小,此时较大的倾斜角有利于提高最优承载力增长率;在较高油膜厚度下空化效应较强,此时较小的倾斜角下会有较大的最优承载力增长率。3空化效应对油膜承载力的影响(1)验证了在收敛间隙中,合理地引入织构是有益的,能够改善油膜的承载性能。(2)与平行织构表面有所不同,在倾斜织构表面中,与不考虑空化相比,考虑空化效应时油膜承载力不一定更大,倾斜角一定时,在较大油膜厚度下空化效应具有更好的压力提升作用。(3)织构深度会影响油膜的承载性能,且每个模型都会存在