航空发动机轴承腔是发动机主轴支承的重要部件，其润滑设计和换热分析有赖于对轴承腔中润滑介质流动特性的理解。航空发动机轴承腔中，高速旋转的轴承内圈与保持架将环下流出的润滑油以油滴的形式甩向轴承腔内壁并形成腔壁油膜，并以油滴、油膜和腔内气体共同作用的形式，在轴承腔中形成了复杂的两相流动状态［1-4］。轴承腔油气两相介质的流动分布状态称为流型。依据流型进行轴承腔油气两相润滑研究因其能够在严格理论指导下进行而具有较高分析精度和效率，故而近年来为人们所重视。基于流型的轴承腔油气两相润滑问题研究的一个基础工作是流型判断，其中通过试验以判断流型特征参数的差异确定流型，是十分有效的技术。国内外有关航空发动机轴承腔油气两相流动的研究已有不少。但从流型角度研究轴承腔油气两相介质物理特性以及有关流型判断研究的工作尚不是很多。Wu等对油气两相泡状流动和均相流动进行了研究［5，6］，但研究的目的还是提出特定两相流动的分析方法，流型种类是事先确定的，另外泡状流动也并不是发动机轴承腔油气两相流动的主要流型。文献［7］基于DNA编码和混沌神经网络技术提出油气两相流型判断方法，但由于数据多来自于管道两相流动试验，故无论是针对的流型类别还是流型判断适用性都难以应用于发动机轴承腔的场合。文献［8］以润滑介质压力和速度为特征参数探讨了描述流型差异的可能性，但从结果来看，所选定的特征参数在数值上的差异尚不足于明晰地辨识轴承腔油气两相流型类别。基于上述研究状况，本文针对发动机轴承腔中主要出现的两种油气两相流型，以数值有大差异、试验获取简易以及在较宽结构与工况条件下的鲁棒性为原则，通过数值分析与相关试验，提出了辨识轴承腔油气两相流型的特征参数。本文研究对于基于流型揭示轴承腔油气两相介质流动物理本质、支持航空发动机轴承腔润滑和换热设计工作，是十分有意义的工作。
1轴承腔中两种油气两相流动模型的数学描述均相流动和含油滴气/液分层流动是航空发动机轴承腔中最常出现的油气两相流动形式。油气两相均相流动是在腔内壁面油膜厚度较薄、油膜流动速度较低情况下，将滑油和腔内空气均匀化处理的流动类型。当腔内壁面油膜厚度较厚、油膜流动速度较高时，需要考虑油气界面上的能量交换作用，故而出现油气“分层”的处理方式，油滴同时散布在空气中，此乃含油滴气/液分层流动形式提出的工程基础。描述油气均相流动的控制方程有连续方程和动量守恒方程，其表达式分别为?ρ?t+?V?(ρU)=0(1)?(ρU)?t+?•(ρU?U)=－?p+μ?•(?U+(?U)T)+S(2)上两式中，ρ和μ分别是油气均相密度和动力粘度，且有ρ=γlρl+γgρg和μ=γlμl+γgμg。其中γ是体积分数，下标l和g分别代表滑油相和气相;U是介质流速;p是介质压力;S是源项;t是时间;?是散度符号。描述含油滴气/液分层流动的控制方程同样有连续方程和动量守恒方程，其表达式分别为(γkμk(?Uk+(?Uk)T))+Sk+Dk(4)上两式中，下标k=l、g分别代表滑油相和气相;Dk表示在油气两相界面作用力中占主导地位的界面阻力，两相界面阻力的计算公式为［9］Dg=－Dl=CDρAgl|Ul－Ug|(Ul－Ug)(5)式中，CD是量纲阻力系数;Agl是两相界面密度，其表达式为Agl=|?γl|(6)气相对油滴的界面阻力为［9］Dl=CDρlAll|Ug－Ul|(Ug－Ul)(7)若用dl表示油滴平均直径，油滴与气相的界面密度All为All=6γldl(8)
2轴承腔油气两相流动的数值模型
2.1轴承腔结构及流体介质物理特性分析中采用的轴承腔结构如图1所示［1］，图中坐标为圆柱坐标。转轴(含套筒)半径rsh=62mm，轴承腔高度h=28mm，宽度b=20mm;轴承腔排气和排油口直径?=17mm。1-轴承内圈;2-滚动体;3-轴承外圈;4-轴承腔;5-轴承支撑件;6-腔壁;7-端盖;8-套筒;9-密封件;10-转轴图1轴承腔结构及坐标示意介质的物理特性为:气体密度ρg=2.923kg/m3，滑油密度ρl=954kg/m3;气体动力粘度μg=1.837×10－5kg/(m•s)，润滑油动力粘度μl=0.0095kg/(m•s);润滑油表面张力系数σl=0.036N/m。
2.2计算条件及方法
计算中将滑油和空气均视为定常、不可压缩、粘性牛顿流体，且油气两相与外界无热量交换。润滑介质的初始压力和速度均为零。分析中在进油口和进气口分别施加质量进口边界条件，其进口边界的湍流参数可以根据质量进口边界计算得到;在排油口和排气口分别施加压力出口边界条件，相对压力为零，且将出口设置为开放形式;流固界面上采用无滑移壁面边界条件，壁面附近湍流参数由壁面函数法确定。分析是在表1所示的工况范围内进行的，根据文献［1，2］中试验结果，确定适用两种油气两相流动模型的工况条件。数值分析在商业软件ANSYSCFX平台上进行。利用单元划分软件Gambit对轴承腔油气两相流场进行单元划分，采用SIMPLE方法求解连续方程、动量方程和湍流方程并用代数多重网格法(AMG)进行计算加速。流体的湍流特性采用SSTk-ω模型描述。计算分为500个时间步进行，收敛标准为1.0×10－4，守恒收敛标准为0.03。表1轴承腔油气两相流动数值模拟的工况条件流型工况进油量ml/kg•s－1转轴转速n/r•min－1进气量mg/kg•s－1均相流动0.00713500～145000.010.005～0.009140000.01含油滴气/液分层流动0.0536000～120000.010.053～0.1120000.013轴承腔油气两相流型的特征参数根据分析结果提出了用体积含油率γl和无量纲速度u珔作为辨识两相流型的特征参数，其表达式为u珔=60u2πrshn(9)式中，u是润滑介质的圆周速度。以轴承腔中部z=10mm、θ=135°位置上的特征参数作为讨论对象，并考虑到试验测量的简便，故更关注于特征参数在腔壁附近的变化规律。
3.近腔壁附近的γl和u珔在若干工况条件下的分布情况如图2所示。根据有关腔壁油膜厚度和速度的相关试验工况［1，2］，均相流动和含油滴气/液分层流动的工况条件是不一样的，图中的均相流动工况条件为:进油量ml=0.007kg/s，进气量mg=0.01kg/s，转子转速n=14000r/min;含油滴颗粒气/液分层流动的工况条件为:进油量ml=0.053kg/s，进气量mg=0.01kg/s，转子转速n=12000r/min。图2表明在接近腔壁附近，两种流型下的体积含油率γl和无量纲速度u珔均彼此之间有较大差异，从而为均相流动和含油滴气/液分层流动流型的辨识提供了可能。较之均相流动含油滴气/液分层流动的体积含油率γl要大得多，原因在于此种流动状态下有壁面油膜存在，在壁面油膜内部γl值接近于1。均相流动因含油率低而有较高的介质流动速度，且在接近静止腔壁时有一个速度突降;而在含油滴气/液分层流动情况下，此时的无量纲速度描述的是油膜流动速度，故而速度小得多且变化平缓。
4流型特征参数的鲁棒性分析流型特征参数的辨识能力是否会因为工况条件不同而有所弱化甚至消失，亦即流型特征参数的鲁棒性对于特征参数是否能在较宽工况范围行使流型辨识职能是十分重要的。为此探讨近腔壁附近(=89.7mm处)γl和u珔随工况参数变化的情况，以分析特征参数γl和u珔的鲁棒性。图3和图4分别给出了两种流型下体积含油率γl和无量纲速度u珔随着进油量和转轴转速变化的情况。显然，进油量和转轴转速对两种流型的γl基本上没有影响，亦即γl作为流型辨识特征参数的鲁棒性很好。某些工况条件对两种流型的u珔有一定影响，但注意到两种流型的u珔数值差距较大，这一影响尚不足于造成辨识的困难，因此u珔作为流型辨识特征参数的鲁棒性也是很好的。
5结论
体积含油率和无量纲速度可以作为辨识均相流动与含油滴气/液分层流动这两种航空发动机轴承腔中主要两相流动形式的特征参数，并且具有较好的鲁棒性。试验中在腔壁附近合理布置测试位置，就可以通过测量出的体积含油率和无量纲速度的明显差异，做出轴承腔中出现均相流动或含油滴气/液分层流动的判断。
