Page 89 - 摩擦学学报2025年第4期

第 4 期 张晓寒, 等: 赛龙材料微量第二润滑介质增强水润滑摩擦学特性研究 577

为550 N时纯水润滑状态下的摩擦系数，这种现象可 2.1 几何模型构建
以通过经典的Stribeck曲线进行解释，如图7所示. 由 钢环与试块之间的间隙设定为50 μm，尽管该间
横坐标赫西数(Hersey number, H)可知，当黏度(η)以及 隙大小使摩擦对偶间处于流体动压润滑状态，且与试
速度(N)不变时，随着载荷(P)的增大，赫西数减小. 载 验中的间隙大小存在差异，但由于试验中环块摩擦对
荷较小时，转速的增加使摩擦对偶间的润滑状态由混 偶间所处的混合润滑状态可以被分解为流体动压润
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合润滑状态向流体动压润滑状态转变，在润滑状态转 滑状态和固体接触状态 ，所得到的仿真结果仍然能
变的过程中，赫西数越小，摩擦系数越小. 够解释部分试验现象. 因此，通过仿真得到的流场分
布状况以及第二润滑介质在接触区内的体积分数有

助于理解试验过程中观察到的现象.

2.2 网格划分
Friction coefficient P=150 N 中内置的网格划分模块对图8(a)中所建立的模型进行
本文中所使用的二维模型如图8所示，采用Fluent

P=550 N 网格划分. 将模型导入网格划分模块后，选用四边形
网格对流体区域进行非结构化网格划分，设置单元尺
寸为1 mm. 由于该模型的仿真部分只针对环块之间的
H=ηN/P 接触区和钢环表面，因此需要对该区域的网格进行加
Fig. 7 Classic Stribeck curve 密处理，设置单元尺寸为0.1 mm. 此外，为避免网格粗
图 7 经典的Stribeck曲线
糙区和网格密集区之间网格单元尺寸差异较大，导致

网格交错现象的产生，对两区域的交界处进行了网格
2 仿真研究
加密处理. 划分完成后[图8(c)]，网格数量为27 285，扭
为验证上述试验现象，本研究中利用ANSYS 曲度(Skewness)约为0.698，网格质量(Element Quality)
Fluent 2020 R2 对接触区内第二润滑介质的分布进行了 约为0.78，同时对边界进行分类和命名，主要包括静止

数值模拟. 由于Fluent无法设置初始压力，因此本研究 壁面(Static Wall)、旋转壁面(Moving Wall)，进水口
中仅对不同转速对第二润滑介质分布的影响进行了仿 (Inlet 1)，进油口(Inlet 2)和出口(Outlet).

真. 仿真过程中采用VOF方法(两相流的流体力学数值计 2.3 边界条件
算中建立在欧拉网格下的界面追踪方法)追踪水与乳 仿真中所设置的边界条件如下：注水口设定为速
化油之间的界面协同作用，并结合Fluent自带的有限体 度入口，速度设置为0.3 m/s (与试验时进水速度保持
积法对VOF方法中的控制方程进行了离散化处理. 关 一致)；出口设定为压力出口，初始压力设定为大气
于VOF方法的更多详细信息可以在文献[17]中找到. 压；注油过程中，注油口设置为速度入口；停止注油

Water inlet
(a) (b) (c)

y Oil outlet
x

y
z x

Water outlet
Fig. 8 Two-dimensional model used in the work: (a) two-dimensional model of ring-block tribopair;
(b) oil injection method at the area highlighted within the red frame in (a); (c) mesh subdivision
图 8 本文中所使用的二维模型：(a)环块摩擦副的二维模型；(b)图(a)中红框部位注油方式示意图；(c)网格划分