Ricerca sull'effetto cavitazione di array microstrutturati

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13455 (2022) Citare questo articolo

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In questo articolo, i parametri della struttura superficiale e i modelli di distribuzione sono studiati mediante simulazione numerica ed esperimenti. Innanzitutto, viene stabilito un modello tridimensionale di lubrificazione fluida CFD microstrutturato con effetto cavitazione e vengono progettati diversi array di texture per studiare l'influenza delle diverse modalità di distribuzione sulla capacità portante, sul coefficiente di attrito e sulla distribuzione della pressione del film d'olio. Quindi, i risultati della simulazione vengono ulteriormente analizzati e verificati dalla piattaforma sperimentale del cursore piano visualizzato e dalle regole di formazione delle bolle di cavitazione nell'array microstrutturato, nonché dalle influenze della forma della superficie e delle diverse modalità di distribuzione dell'array microstrutturato. vengono discussi gli array sulle bolle di cavitazione. I risultati mostrano che l’esistenza della cavitazione è uno dei motivi principali per cui la microstruttura aumenta la capacità portante del film d’olio, cosa che non può essere ignorata nello studio di simulazione. L'array di texture con orientamento singolo simmetrico è il migliore per migliorare la capacità portante del film d'olio e le prestazioni del cuscinetto sono le migliori quando l'angolo di inclinazione della texture è di 26,6°. Il coefficiente di attrito dell'array testurizzato con orientamento asimmetrico è inferiore del 29,4% rispetto a quello di il campione non strutturato. I risultati dell'esperimento sono coerenti con la simulazione.

La testurizzazione superficiale, che generalmente utilizza una tecnologia di lavorazione specifica per preparare la microstruttura con una determinata dimensione, forma e disposizione sulla superficie della coppia di attrito, può essere applicata per migliorare le prestazioni di lubrificazione idrodinamica dei componenti meccanici1. La struttura superficiale con un design ragionevole può offrire miglioramenti significativi In condizioni di lubrificazione fluida, l'effetto di cavitazione2,3,4 indotto dalla struttura può aumentare significativamente la capacità portante5,6 della coppia di attrito. Pertanto, la ricerca teorica e sperimentale sull'effetto di cavitazione indotto dalla struttura è molto importante per migliorare la lubrificazione7,8,9 delle parti meccaniche e ridurre il consumo di energia10.

I parametri geometrici della microstruttura sono i principali fattori che influenzano le prestazioni di lubrificazione idrodinamica della struttura superficiale. Una progettazione adeguata dei parametri geometrici può far sì che la superficie strutturata presenti prestazioni ottimali di lubrificazione e riduzione dell'attrito11,12. Wang et al.13 hanno fabbricato microtessiture circolari sulla superficie del cuscinetto reggispinta mediante attacco con ioni reattivi e hanno condotto una serie di studi sperimentali sulla capacità di carico di micropit con diverse dimensioni, profondità e densità in condizioni di lubrificazione con acqua. Yu et al.14 hanno studiato l'effetto delle diverse forme delle fossette (circolari, triangolari ed ellittiche) e la direzione della disposizione delle texture sulla distribuzione della pressione. Mentre Nanbu et al.15 si sono concentrati sull'ottimizzazione della topografia della superficie inferiore dei crateri. Wang et al.16 hanno progettato la struttura superficiale della superficie SiC con diverse modalità di distribuzione e i risultati mostrano che la struttura mista può migliorare la capacità portante delle ceramiche SiC più della struttura di una singola dimensione. Shen et al.17 hanno proposto un metodo numerico di ottimizzazione della texture basato sull'algoritmo SQP.

In termini di studi di simulazione numerica, Siripuram e Stephens18 hanno condotto analisi numeriche per diverse forme di crateri e intrecci di corpi convessi. Caramia et al.19 hanno risolto l'analisi delle prestazioni di lubrificazione della superficie della microstruttura rispettivamente dell'equazione di Reynolds e dell'equazione NS per il microtelaio e, in confronto, hanno scoperto che la forza inerziale ha un effetto significativo sull'effetto della pressione dinamica del microtelaio ed è un causa importante del fluido Liu et al.20 hanno stabilito un modello bidimensionale di microstruttura asimmetrica e hanno studiato l'influenza dell'angolo di inclinazione di uscita della struttura sulla distribuzione della pressione del fluido, sulla forma del campo di flusso, sulla capacità portante della parete superiore e sul coefficiente di attrito nel zona strutturata. Jiang et al.21 hanno utilizzato ANSYS Fluent per stabilire un modello numerico del campo di flusso tridimensionale di una tenuta meccanica con un telaio ellittico. La difficoltà di risolvere l’equazione NS è stata notevolmente ridotta grazie all’attuale miglioramento delle prestazioni dei computer e alla popolarità dei codici CFD commerciali basati sull’equazione NS22. Pertanto, è diventata una tendenza inevitabile utilizzare l’equazione NS per risolvere il modello di lubrificazione della tessitura considerando l’effetto di cavitazione.