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基于热流耦合的齿轮对流换热及温度场分析
作 者: 董春锋
导 师: 林腾蛟
学 校: 重庆大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 齿轮 热流耦合 对流换热 温度场 计算流体动力学
分类号: TH132.41
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
齿轮啮合过程中由于轮齿啮合面相对滑动将产生大量热量,若产生的热量不能及时散去则会导致齿轮的温度上升,引起齿轮的承载能力和工作性能的下降,甚至直接导致齿轮失效。齿轮箱的润滑冷却效果是决定齿轮温度的主要原因,而齿轮箱内润滑油的流动特性对其性能有较大的影响。因此,开展基于热流耦合的齿轮对流换热及温度场数值仿真分析,对改善齿轮副传热特性具有重要的理论意义及工程应用价值。本文课题来源于重庆市科技攻关计划项目。基于齿轮啮合原理、流体动力学和传热学理论,运用数值仿真方法,研究油浴润滑的齿轮箱内部流场、齿轮对流换热及齿轮温度场。本文的主要研究工作如下:①将UG建立的渐开线齿轮副参数化模型导入Gambit中,建立齿轮箱内流体的计算模型;采用动网格及UDF技术,在Fluent中对齿轮箱油浴润滑的内部气液两相流场进行了瞬态特性数值模拟,得出瞬时油液分布、流体压力和速度。②对不同齿轮转速和浸油深度的齿轮箱内部流场进行流体动力学仿真,计算其瞬时油液分布以及压力、速度时间历程,对比分析了不同转速和浸油深度对齿轮箱内部流场特性的影响规律。③构建了包括流体与固体的齿轮箱三维瞬态传热有限元模型,计算了啮合齿面的平均热流量,利用Fluent软件对齿轮箱的传热模型进行热流耦合仿真分析,得出了齿轮对流换热系数的等值线。④对运转过程中齿轮的瞬态温度场进行了流体动力学仿真,得出不同时刻齿轮副的温度等值线以及轮齿啮合区附近节点的温度时间历程,并研究了转速对齿轮温度分布的影响。
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全文目录
中文摘要 3-4 英文摘要 4-8 1 绪论 8-14 1.1 课题背景及其研究意义 8 1.2 国内外研究现状 8-12 1.2.1 齿轮温度场研究 8-10 1.2.2 CFD 技术用于流场研究 10 1.2.3 齿轮对流换热的研究 10-12 1.3 本文的主要研究内容 12-14 2 齿轮箱内部流场数值模拟 14-28 2.1 引言 14 2.2 计算流体动力学理论 14-18 2.2.1 流体基本控制方程 14-16 2.2.2 RNG k-ε两方程湍流模型 16-17 2.2.3 压力耦合方程求解的PISO方法 17-18 2.3 Fluent简介 18-20 2.3.1 Fluent软件的程序结构 18-19 2.3.2 Fluent软件中的动网格理论 19-20 2.4 齿轮箱内部流场的计算模型 20-22 2.4.1 齿轮副的几何参数 20-21 2.4.2 齿轮箱内部流体网格 21 2.4.3 边界条件及物理参数 21-22 2.5 齿轮箱内部流场的动态模拟结果 22-26 2.5.1 齿轮箱内部流体分布 22-23 2.5.2 齿轮箱内部流体的压力场 23-25 2.5.3 齿轮箱内部流体的速度场 25-26 2.6 本章小结 26-28 3 不同工况对齿轮箱内流场特性的影响 28-44 3.1 引言 28 3.2 齿轮不同转速时齿轮箱内流场分析 28-35 3.2.1 齿轮不同转速时齿轮箱内流体分布 28-30 3.2.2 齿轮不同转速时齿轮箱内流体压力比较分析 30-33 3.2.3 齿轮不同转速时齿轮箱内流体速度比较分析 33-35 3.3 齿轮不同浸油深度时齿轮箱内流场分析 35-42 3.3.1 齿轮不同浸油深度时齿轮箱内流体分布 36-37 3.3.2 齿轮不同浸油深度时齿轮箱内流体压力比较分析 37-40 3.3.3 齿轮不同浸油深度时齿轮箱内流体速度比较分析 40-42 3.4 本章小结 42-44 4 齿轮副对流换热系数的分析与计算 44-62 4.1 引言 44 4.2 齿轮箱几何模型与网格划分 44-46 4.3 齿轮副及箱内流体的传热分析 46-52 4.3.1 齿轮与润滑油之间的热交换 47-50 4.3.2 箱体与外界空气的热交换 50-51 4.3.3 齿面输入摩擦热流量的计算 51-52 4.4 齿轮副及箱内流体传热模型的求解 52-60 4.4.1 边界条件的设定 52-54 4.4.2 齿轮齿面对流换热系数 54-56 4.4.3 齿轮端面对流换热系数 56-59 4.4.4 结果对比分析 59-60 4.5 本章小结 60-62 5 齿轮副瞬态温度场分析 62-68 5.1 引言 62 5.2 瞬态热平衡方程及边界条件 62-63 5.3 齿轮副温度场结果分析 63-67 5.3.1 啮合轮齿及箱内流体的瞬态传热分析 63-66 5.3.2 不同转速时齿轮副温度场分析 66-67 5.4 本章小结 67-68 6 结论与展望 68-70 6.1 结论 68 6.2 展望 68-70 致谢 70-72 参考文献 72-76 附录 76 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录 76 B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目 76
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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械零件及传动装置 > 机械传动机构 > 啮合传动 > 齿轮及齿轮传动
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