经过Christine Klier，博士
在复杂的流体流动问题的模拟中的常见困难是，并非所有几何形状都可以使用单个连续的网格很好地表示。对于组件之间的相对运动的情况，这尤其如此。推销网格可用于跟踪具有计算效率的相对动作，高性能计算流体动力学（CFD）软件的最近进步，如Star-CCM +，使用重叠的推销网格使多相流体流动和刚体运动的耦合模拟。
开发了一种CFD方法，并施加了一种多旋转正齿轮系统中的油流的模拟，重点预测齿轮箱中的流场和压力扭矩以及啮合齿轮区域。使用流体（VOF）方法的体积模拟该问题中的多相流动，结果表明，所施加的CFD方法提供了一种方便有效的方法，以研究齿轮箱中的不同油填充水平相对于它们对油流量的影响在齿轮侧面上的油量分数。
缺乏齿轮润滑导致大问题
当齿轮润滑变得不足时出现的问题是每个自行车骑车者和汽车司机都是众所周知的。更换轴承，活塞，活塞环和齿轮不仅耗时，而且还昂贵，因此，齿轮润滑是一系列使用电力传输的行业的重要担忧。
变速箱的原型测试并不总是提供复杂现代齿轮所需的必要详细信息，因为它们通常具有高旋转速度的更大负载。因此，CFD模型预测是一种有效的工具，用于优化齿轮箱中的旋转部件周围的油流。CFD仿真的结果有助于提高变速箱的效率，减少齿轮（蚀）之间的摩擦，最大限度地减少了无关的旋转功率损失，并评估齿轮壳体的碎片效果。
新增强的推销型啮合能力，允许STAR-CCM +中的多个重叠的推档区域，与基于VOF方法的多相流耦合，提供了用于处理复杂模拟问题的必要仿真环境，例如旋转齿轮系统。这种耦合方法可以成功地用于在合理的时间内以合理的时间模拟旋转的调速器系统中的油流量，以满足令人满意的结果，以便在盒子中和齿轮侧的油分布和油分布。测试了三种各种水平的油和转速对润滑的影响。
使用Eulerian框架的VOF方法用于在该模型中设置多相流模拟。利用这种方法，为每个欧拉阶段求解体积分数连续性方程，而VOF模型中的不混溶的流体相界速度，压力和温度场。空气夹带和湍流制度在具有高旋转速度的齿轮箱中和油溅，可以通过这种方法表示很好。
为了模拟多个身体运动，使用了推销网格。可以在星形CCM +中使用这种能力模拟一个或多个体的相对运动，包括紧密接近的对象的任意或切向动作。每个移动体被定义为单独的区域，并且由其自己的网格表示。Star-CCM +中最新的增强允许避难区彼此重叠，是旋转啮合齿轮仿真的必不可少的能力。虽然解决方案在所有网格上同时计算，但是背景网格用作所有运动的参考网格。
模拟齿轮箱和齿轮，包括根据网格平面部分的对称平面边界条件。几何形状如下所示：
•齿轮壳体直径（D）= 280毫米，长度（L）= 200毫米
•每个D = 130 mm的两个齿轮，L = 58毫米。
由具有轮和壳体表面上的五个棱镜层单元的多面体电池组成的网格，总共约为5.4M细胞。此外，定义了网状细化区域，以确保重叠区域中足够的网格间距。两个旋转齿轮之间的最小间隙设定为1.5毫米。由于齿轮润滑的许多应用中的高温操作条件，因此决定将基于100℃的油的流体密度和粘度值设定。
三种不同的初始油位分布由用户字段函数定义。对于低油位，第一齿轮是由油槽覆盖的一半，而对于中间油位，第二齿轮的齿已经延伸到贮槽和高油位，第一齿条完全覆盖用油。
要注意的设置的一个进一步细节涉及齿轮系统的旋转速率：为了将模拟时间保持为最小，将旋转速率设置为恒定的2000rpm。在实践中，齿轮系统的速度经常随时间增加。为了评估这种效果的重要性，研究了线性斜坡对旋转速率的影响，用于中间油水平，与盒子的油分布和恒定旋转速率的齿轮侧面相比。
结果：旋转正齿轮系统的CFD分析
由于这种模拟的高计算需求，为所有情况模拟了两个齿轮的两个完整转旋转（R）。此时，流场未达到稳态条件，但由于系统中的高旋转动能，石油已经被迫出齿轮齿区域。
图1：中间油位的排水变化。
在我们看来，重要的流程进程已经发生在那个时间点，确定齿轮侧翼的油分布，齿轮箱中的齿轮和油分布之间的摩擦。齿轮箱（图1）的油分布在1/8,1 / 4和1/2旋转后的中间油位给出了良好的指示，在短时间间隔之后已经溅出了油贮槽的油状物。此外，模拟的结果使得能够对速度流线和流场（图2）以及系统（图3）的压力分布，如中间油位所示的详细瞬态评估。
图2：（a）简化显示齿轮和（b）瞬态速度流场之间的瞬态流动特征在变速箱中的变化。
简化线（图2a）表示啮合齿轮之间的瞬态流动特征，从而给出一些指示油流是否仍然足以润滑。图2b展示了随时间的速度流场的变化。在仿真开始（1/8 r）开始时，该领域的特征在于相邻齿轮齿之间的循环和啮合齿轮区域中的几乎是层流条件。然而，在1 r之后，湍流结构已经在齿轮箱中的流场主导。
图3中的压力条件表明，最初，大多数油量保留在油槽中，因此，可以将大量的油挤压到间隙区域中。在1 R之后，油溅已经对齿轮箱壳体的压力效应，而相互啮合齿轮区域中的低压条件表明油抽吸进入间隙。
图3：压力条件在变速箱中的时间变化。
优化润滑和找到最佳油填充高度的挑战是最小化溅射效果（流离失所的油量），扭矩和摩擦，同时最大化齿轮侧面的油膜。仿真结果使能系统最佳填充水平的定性和定量评估。
在所有情况下（低，中和高油位），在1/2 r后最新的间隙区域中的空气气泡变得显而易见（图4）。图5描绘了在1/3 r和1 r的中间油位后盒子（5a）和齿轮侧的油分布。当与三个不同的填充高度进行比较齿轮侧面的油的体积分数（VF）时，它表明最高油位导致齿轮侧的最高VF。
图4：在1/3 r的啮合齿轮和三种不同的油填充水平下的油的体积分数（另外用于在1/2 r处填充水平）。
另一方面，与齿轮1的最高水平相比，VF曲线之间的增加/减少在不同的填充水平之间并不成比例，并且中间填充水平有良好的值。上述比较也表明中间表示与系统中可用的油量相比，水平导致小的油溅效应。对于这种填充深度，压力，扭矩和摩擦条件也相当低。
图5：a）齿轮箱中的油的容积分数和b）在1/3 r和1 r后的齿轮侧面上。
还研究了在模拟中包括旋转频率的线性斜坡的效果，并且仅对齿轮侧面上的油分数进行了小的影响。
齿轮箱中的瞬态流场，压力和扭矩和在啮合齿轮区域中已经有效地使用CFD方法研究。所应用的方法提供了一种方便的方法来研究不同的油填充高度对齿轮箱中的油流量的影响以及齿轮侧面的油的体积分数。
由于其高比热容量，液体润滑剂还满足了齿轮箱冷却系统的重要功能。未来的工作将包括齿轮箱中的油温模拟和散热以及齿轮箱壁的热传导和齿轮侧面。这些结果作为案例研究和实验数据对于进一步的模型验证至关重要。
CFD Schuck Ingenieurgesellschaft MBH
www.cfd-schuck.de/en.
图片提供：CFD Schuck Ingenieurgesellschaft MBH，www.cfd-schuck.de/en.
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