航空发动机轴承腔气液两相流型研究

The bearing chamber is an important component in aero engine. To understand the oil /air two phase flow conditions in the bearing chamber is beneficial to improve the lubrication efficiency，working performance and reliability of an aero engine. Numerical simulation, theoretical analysis, and experimental verification will be combined in this project. Firstly, based on two-way coupling model, numerical study will be performed towards the influence mechanism of working conditions on the gas-liquid two phase flow characteristics. Secondly, Hilbert-Huang Transform (HHT) will be introduced and potential problems caused by original algorithm will be modified. The relationship between the signal spectrum and flow regime will be established by HHT. After that, the criterion for flow regime will be built, which can reflect the different flow regimes appropriately. Finally, in order to improve the numerical model and the criterion for flow regime, experimental verification will be conducted by employing PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer). Influence of working conditions on flow regime will be revealed, so that the flow regime can be regulated and controlled conveniently by changing working conditions, which will contribute to safe and stable operation of aero engine system. Implement of this project will improve the theory of gas-liquid two phase flow in the bearing chamber, and also provide theoretical and technological support for design and operation of aero engine.

轴承腔是航空发动机的重要部件，对腔内气液两相流动状态的理解有助于提高发动机的润滑效率、提升发动机的工作性能和可靠性。本项目拟通过数值模拟、理论分析和实验验证相结合的研究方法，首先基于双向耦合模型计算方法，数值研究各种工况条件对腔内气液两相流动特征的影响机理；然后引入先进的信号分析方法Hilbert-Huang变换（HHT），并对原始HHT算法的潜在问题做改进，建立差压信号频谱特征与流型的关联，提取可反映流型差异的特征参数，形成轴承腔气液两相流型的判别准则；最后通过相位多普勒粒子分析仪PDPA在实验台上对数值模拟和信号分析的结果进行验证，从而进一步修正数值模型并完善流型判别准则，掌握各工况条件对流型的影响规律，以期实现对流型的调控，确保航空发动机系统的稳定安全工作。项目的实施将完善航空发动机内部气液两相流理论，为航空发动机系统的设计和运行提供理论和技术支撑。

轴承腔是航空发动机的重要部件，对腔内气液两相流动与传热的理解有助于提高发动机的润滑效率、提升发动机的工作性能和可靠性，有利于完善航空发动机内部气液两相流理论，为航空发动机系统的设计和运行提供理论和技术支撑。主要研究内容如下：.1、针对航空发动机轴承腔内油气两相可能出现的均匀流和分层流，分别采用Mixture模型和VOF模型进行了数值研究，分析了轴承腔不同位置处流场的分布。得到了两种流型下轴承前腔和后腔处流体介质速度和压力分布随转速、滑油量和空气量的变化规律。.2、针对微小型无人机发动机轴承腔在高转速情况下轴承冷却效果较差的现象，对轴承腔内的主要热源进行了理论分析计算，数值模拟了无人机轴承腔内油气两相的流动和换热情况，并得到了轴承腔的流体迹线图、速度云图、压力云图以及温度云图。在此基础上分析了各工况对后轴承冷却效果的影响规律，并提出了相应的优化方案。.3、采用计算流体力学软件基于VOF多相流模型对轴承腔内的油气两相流动进行数值模拟。分析了轴承腔工况参数（转速、进油量、进气量、进油温度、进气温度）和结构参数（腔高、腔宽）对两相流动与换热的影响，并重点讨论了腔内压力、滑油体积分数、流体速度和温度的变化趋势。结果表明，进入轴承腔的滑油多沉积在壁面上形成油膜，增大了近壁面处的滑油体积分数，有利于壁面换热。.4、高效的滑油回收能够避免轴承腔内过多热量的产生，防止滑油的变性及提高工作效率。回油结构的设计及其性能的评价对改善轴承腔回油特性至关重要。对现有轴承腔回油结构进行改进，并以腔内滑油滞留体积分数、回油比、壁面平均对流换热系数作为评判参数，分析了回油槽槽宽、槽深、偏心距等因素对轴承腔两相流动的影响。研究发现，相比于基础轴承腔，在一定范围内添加回油槽能提高轴承腔的回油能力，减少滑油在腔内的滞留量。