基于CFX的高铁轴承试验台粉尘箱气固双相流分析

刘永刚，郑景阳，李伦

（河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003）

随着我国高速铁路的发展，对高铁轴承性能的要求也不断提高，高速列车中，轴承是保证其运行稳定性和安全性的核心部件之一。目前，我国高铁轴承在研发实力、生产水平、试验条件等方面与国际著名轴承企业存在着较大的差距，国产高铁轴承的滚子及内外圈表面易出现磨损和剥落［1］。为了满足列车更高速、更安全、更环保的性能要求，轴承必须具备精良的设计、制造、试验检测水平，故需要进一步提高轴承试验技术［2］。

高铁轴承防粉尘密封试验台是对高铁轴承进行试验和测试的重要设备。文献［3］研究了速度300 km／h以上时高铁轴承疲劳强度试验台的设计和风扇的运行方式。文献［4］通过优化高铁轴承试验台主轴的结构，对陪试轴承的位置进行了优化确立。由于试验台粉尘箱内部颗粒的旋转、黏性和粉尘箱壁面的影响，粉尘箱内流场非常复杂。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，而粉尘箱内充满气固两相混合物，故应考虑气固两相间的相互作用，研究难度较大［5］。文献［6］利用FLUENT软件对粉尘箱内不同尺寸尘粒和流场速度、方向进行数值模拟分析，确立粉尘箱内不同尺寸尘粒的运行轨迹和流场速度变化规律，为确立风扇的数量和空间布局提供了理论依据。文献［7］利用CFX建立了粉尘箱的有限元模型，得出了一种较理想的风扇布局方案，但没有进一步分析风扇数量和转向对流场和粉尘分布的影响规律。由于CFX软件采用的全隐式耦合算法在旋转机械方面有较大优势［8-9］，因此，采用基于CFX软件的SST模型研究风扇搅动对箱内流场的速度变化和尘粒运行轨迹的影响较为合适。

为了满足高铁轴承350～500 km／h的速度试验条件，通过建立内循环形式的试验台粉尘箱，研究了粉尘箱内部风扇转动情况对流场速度变化规律和尘粒运行轨迹的影响，分析了粉尘箱内流场和尘粒分布的变化规律，通过最终的分析对比，确定了最接近高铁轴承工作环境的粉尘箱内风扇转动形式。

1 建模与仿真

1.1 模型建立

试验台结构如图1所示。箱体主要部件由被测轴承、密封圈、径向推杆、轴向顶杆和轴承支架等组成。被测轴承外圈直径约350 mm，在建立几何模型时统一简化为直径350 mm的圆柱；设计试验台箱体为直径750 mm、长750 mm的圆柱；传动轴简化为直径150 mm、长200 mm的圆柱；轴承端面所处的平面 Z＝-400 mm［6］。

图1 高铁轴承试验台结构示意图Fig.1 Structure diagram of high-speed railway bearing test bench

首先选用垂直于轴承端面的90°扇叶，风扇在粉尘箱内的排布如图2所示。设定箱体严格密封，内流场是空气和固体粉尘的连续耦合相，相间无物质传递，且粉尘颗粒属性为二氧化硅，气固双相流具有相同的温度场。粉尘颗粒位于粉尘箱内，在分析中分为2部分：一部分作为气固耦合相，以一定的体积分数影响内流场；另一部分极少数的特定粉尘颗粒作为粒子跟踪对象研究其运动轨迹的流线图，不影响内流场分布［10］。

图2 风扇排布图Fig.2 Configuration diagram of fans

利用前处理软件ICEM中Robust方法生成四面体非结构体网格，网格模型如图3所示。固定域部分生成约300 000个网格，旋转域部分生成约150 000个网格。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

1.2 边界条件

对边界条件和初始条件进行设定：

1）设定不同域的网格连接为普通interface网格连接，连接格式是GGI网格连接方式，旋转域用于interface连接3个面依次是fan-top，fan-outer和fan-bot，固定域用于interface连接3个面依次是 tank-top，tank-outer和 tank-bot，分别与对应的旋转域连接。

2）固定域其他面皆定义为旋转自由滑移（free slip）的wall，旋转域其他面皆定义为固定无滑移（no slip）的 wall。

3）材料库中设定固相粉尘颗粒是标准形状颗粒，密度均匀，其粒径均匀分布在30～150μm之间，平均粒径为70μm；箱体内粉尘颗粒所占体积分数为2%。

4）为了仿真模拟的准确求解和收敛性，设定求解格式为指定混合因子，混合因子为0.75。

5）为了使求解控制器有充足的迭代时间，设定求解器最大求解迭代步为500步。

6）设定求解器的时间控制为物理时间控制，其时间间隔为2 s。

7）设定仿真分析的残差值为10-4，设定最大逝去时间为100 s。

8）其他设置项选择软件默认状态。

1.3 仿真试验步骤

首先，对试验台的结构进行合理简化，通过外形仿真分析验证模型的可行性及合理性，为后续分析提供基础；然后，对风扇的相关重要因素进行分析，研究对风扇产生影响的参数；最后，从流场矢量分布、颗粒运动轨迹和速度云图3个方面深入分析风扇转向对搅动循环产生的影响。

2 结果与分析

2.1 风扇同向旋转

设定风扇同向旋转，粉尘箱内流速及颗粒运动轨迹如图4所示。

图4 同向转动时，流速图和粉尘轨迹图Fig.4 Diagrams of flow velocity and dust trajectory during rotation in same direction

由图4a可知，当4台风扇同向转动时，风扇端面上流体质点受力的方向基本保持一致。由于风扇间形成的有旋流动相互影响，轴承端面形成强迫对流，粉尘颗粒以扰动流的形式运动，并有涡量较小的涡旋产生，方向跟随风扇转动方向，涡旋的内流场速度小，外流场速度大。此时轴承端面的粉尘颗粒以紊流的流态存在，包括回流、反流、尾流等形式，也有因垂直碰撞壁面形成的滞止流，滞止流以暂态流的形式存在，粉尘相对轴承端面的运动形式是滑移、撞击及撞击后的滑移。

由图4b～图4d可知，在粉尘箱内壁面和轴承外圈之间，每台风扇形成的有旋流紧接着进入相邻风扇的旋转域做有旋流动，形成一个完整连续的旋涡域，涡面整体规律有序，旋转方向与风扇的转向相同。此时粉尘颗粒做有旋流动，以环流形式存在，相对轴承外圈面的运动形式是绕轴向旋转的滑移。

此外，由于风扇彼此间的扰动流碰撞，仅在风扇的近场流有一定的流速，且以涡旋形式存在，没有明显的规律可寻。此时粉尘颗粒以紊流、扰流的形式存在，并且有粉尘到达轴承端面，粉尘流相对轴承端面的运动形式基本为撞击，因撞击的角度不同，撞击后大部分粉尘相对轴承端面滑移，也有部分颗粒因垂直碰撞形成暂态的滞止流。当粉尘颗粒的流态以涡流形式存在时，其内流场速度小，外流场速度大，粉尘箱内壁面上粉尘的运动速度大，被测轴承外圈粉尘流速小。同时轴承外圈流速较小也是由于此处的扰动流造成的，粉尘颗粒因受到不同方向的力导致合力衰减。由此可以得出，在此风扇转动模式下的粉尘颗粒与粉尘箱内壁面及被测轴承大部分处于滑移摩擦状态，摩擦方向基本是绕轴向的旋转，因此粉尘箱内壁面和被测轴承受到磨蚀磨损，且粉尘箱内壁面处的流速较大，风扇所做的功大部分作用在粉尘箱内壁面上。

此风扇转动模式存在以下问题：1）虽能较好地模拟高铁轴承在运行过程中绕轴向旋转的粉尘颗粒的污染，但高铁轴承所处的实际环境比较复杂，不仅仅受到有序的旋转粉尘颗粒污染，实况中的粉尘颗粒运动是无序的乱流，旋转只是其中一种，此风扇转动模式不能有效地反映被测轴承受到来自不同方向的粉尘颗粒碰撞、滑移。2）粉尘箱内壁面磨蚀比较严重，对其防护层、密封圈等的耐磨性提出了更高的要求，增加了试验成本，被测轴承没有形成实际状况中的点蚀。3）箱体内运动的粉尘颗粒由于惯性相对较大，在向心力的作用下运动在壁面固定的轨道上，且颗粒越大越靠近壁面，很难碰撞轴承，直至磨损变小，随着惯性减小才可能运动至轴承附近，因此内置一定粒径的粉尘粒子失去了意义。

2.2 相邻两台风扇同转向，另两台风扇反转向

设定任意相邻两台风扇同转向，另两台反转向。粉尘箱内流速及颗粒运动轨迹如图5所示。

图5 同向+反向时，流速图和粉尘轨迹图Fig.5 Diagrams of flow velocity and dust trajectory during rotation in same and reserve direction

由图5a可知，在风扇端面上，流体质点受力方向依然分散且合力较小，流场的整体流速较小。由图5b～图5d可知，在粉尘箱内壁面和轴承外圈之间，扰动流和强迫对流形成的涡流数量减少，涡旋破碎和双胞涡流现象消失。此时轴承外圈面的粉尘流向紊乱，流态以回流、反流和暂态的滞止流为主，粉尘颗粒相对轴承外圈面的运动形式以绕轴向的旋转滑移为主，同时还有撞击和撞击后的滑移。在轴承端面上，2组不同转向的风扇形成强对流，并无涡旋产生，对向流被迫相互挤压，在风扇间的中线形成相同方向并离开轴承端面。轴承端面粉尘颗粒的流态主要以强迫对流形式存在，也有暂态的滞止流，此时粉尘相对轴承端面的运动形式是滑移、撞击和撞击后的滑移。此风扇转动方式下轴承周围的粉尘运动也比较接近实况，但当改变风扇的倾角来改善流场轴向流速时，轴承外圈面的轴向粉尘流速上下侧分布不均。在图5b中，下侧风扇吹出的流体经过轴承后侧绕到上侧风扇回流，回流后的粉尘流体又回到下侧风扇，如此反复循环形成环流，在轴承外圈的垂直面形成旋转搅动，不是理想的效果。在被测轴承的表面，2组风扇形成的轴向速度相反，直接吹出的轴向速度要大于回流的轴向速度，造成轴承一侧的粉尘流速大于另一侧，粉尘运动分布不均。由图5c可知，以风扇所处的平面为分界面，试验台箱体内左侧空间的整体流速大于右侧。此风扇转动方式下风扇作用于轴承上的有效功较低，同时造成能源浪费。

2.3 相邻风扇转向相反

设定相邻两台风扇依次转速相反，粉尘箱内流速及颗粒运动轨迹如图6所示。

图6 反向转动时，流速图和粉尘轨迹图Fig.6 Diagrams of flow velocity and dust trajectory during rotation in reserve direction

由图6a可知，相邻风扇转向相反时，在风扇端面上，由于流体质点受力方向分散且合力变小，与图5a相比，整体流场的粉尘颗粒的流速相对较小。在粉尘箱内壁面和轴承外圈之间，由于受风扇不同方向有旋流的影响，形成强迫对流，粉尘颗粒以扰动流的形式运动，形成若干涡度明显的涡流，方向跟随距离最近的风扇转向，同时也有部分涡流因靠近壁面造成涡流分离，没有形成完整的涡流，也有因2个涡流相距过近形成的双胞涡流，方向跟随胞心较大的涡流，涡旋的内流场流速小，外流场流速大。轴承外圈面的粉尘运动相对紊乱，以紊流形式存在，有回流、反流、尾流等，也有因垂直碰撞壁面形成暂态的滞止流，相对轴承外圈面的运动形式以绕轴向的旋转滑移为主，同时还有不同流向的粉尘撞击，视撞击角度不同，然后滑移或者暂停。在轴承端面上的粉尘颗粒还保持着相当的流速和一定的运动规律：从左侧风扇中心点发出一簇束流在其他3台风扇的旋转作用下，分别向这3台风扇发散，形成分离流，在轴承端面的边缘形成强迫对流，开始相互干扰形成有涡流；轴承端面的粉尘颗粒的流态以束流、分离流的形式存在，也有暂态的滞止流，此时粉尘相对与轴承端面的运动形式是滑移、撞击和撞击后的滑移，粉尘分布更接近实况。

由图6b和图6d可知，由于相邻风扇的转向相反，造成涡流激烈碰撞，改变了流体质点原来的方向；风扇左右分别产生强迫对流，形成粗糙的对称涡旋，方向跟随距离最近的风扇；两风扇之间也因扰动流形成方向相反的对称涡旋，方向分别跟随距离最近的风扇，涡旋内流场速度小，外流场速度大。此时粉尘颗粒以扰流和涡旋流为主，也有部分颗粒因直接碰撞形成暂态的滞止流。不仅有部分粉尘到达轴承端面，也有有旋流动的粉尘到达轴承外圈面，粉尘流相对轴承端面的运动形式多是撞击、撞击后的滑移，视撞击的角度不同，撞击后粉尘有不同的滑移速度。

对比图5b和图6b可知，随着颗粒运动速度的减弱，颗粒的运动流线明显变少，图6b所示的流线虽有径向流动的轨迹但流速很小。由图6c可知，这种风扇转动模式下被测轴承主要受来自颗粒滑移摩擦和碰撞，但滑移的方向有所改变。由图6d可知，箱体壁面上距离风扇最近的4个点受到一簇粉尘流撞击，随后向周围均匀扩散，撞击速度部分转化为平行于壁面的速度，壁面上粉尘颗粒流速由小变大，再依次向周围扩散减小，但流速相对风扇同向转动模式较小且方向有所改变。此时粉尘相对轴承端面的运动形式是滑移、撞击和撞击后的滑移，粉尘分布更接近实况。基于以上分析可以得出：此时粉尘在轴承径向上的速度比较符合高铁轴承的实际工况条件，每台风扇形成的有旋流紧接着进入相邻风扇的旋转域做有旋流动，整体形成了实际绕轴向旋转的状态，涡面整体规律有序，对比文献［9］中的方案3，该方案整体速度比3台风扇时更大，更接近实际工况条件。

3 结论

1）风扇的转向决定了试验台绕轴向旋转流体之间扰动流和涡流，以及内流场粉尘颗粒的流态和相对运动形式。

2）与高铁轴承实际工况最为符合的粉尘箱内风扇转动模式是相邻风扇转向相反。