[发明专利]一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法

说明书

本发明公开了一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法；该减阻装置及减阻方法利用Taylor‑Couette流动情况下反向旋转的Taylor涡的周期性，改变Taylor涡尺寸，减少大尺寸Taylor涡数量；通过在轴套内壁面沿轴向设置不同半径的周期性圆柱表面，转轴在转动时，通过控制Taylor‑Couette流动中转轴和轴套之间间隙的液面高度，控制转轴的转速和工作液体的注入速度，实现不同注入速度下Taylor涡的迟滞效应；通过缓慢增加转轴和轴套之间工作液体的液位高度，改变Taylor涡的尺寸和数量，使得Taylor涡的尺寸变化，大尺寸的Taylor涡数目减少，从而减少转轴的阻力；该减阻装置具有加工便捷、成本低，减阻方法减阻效果显著的特点。

技术领域

本发明涉及一种液体润滑转轴减阻技术，具体地说，涉及一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法。

背景技术

液体润滑的转轴与轴套作为经典的润滑减阻转动在基础研究和工程领域内应用极为普遍。如何减低转轴转动时带来的摩擦阻力在工程应用领域显得尤为重要。2015年A.J.Greidanus1等人(Turbulent Taylor–Couette flow over riblets:drag reductionand the effect of bulk fluid rotation[J].Experiments in Fluids,2015,56(5):107.)通过在圆柱内转子表面构造微米级沟槽最高达到5.3％的减阻率。该方法虽然能够获得稳定的减阻量，但转子表面沟槽的加工较困难，成本相对较高，且不能获得较为显著的减阻量。目前工业应用领域没有较好的方法能够有效持续的降低转轴和轴套间的阻力。且不能获得较为显著的有效持续的降低转轴和轴套间的阻力的效果。

转轴与轴套之间润滑液体流动属于典型的Taylor-Couette流动，当转轴的转速超过一临界值时，该临界值对应的Taylor数一般大约为1708左右。在液体内部会产生沿主轴方向呈规则周期性分布的反向旋转的Taylor涡对，并且在不同的雷诺数下Taylor涡的形态各异。在外筒固定，内筒转动时，随着内转子转速的增加流动状态依次为Couette流动、Taylor涡流动、波动涡流动、调制涡流动和湍流Taylor涡流动。现有研究表明，转轴所受的扭矩跟Taylor涡的尺寸和数量密切相关。一般在Taylor涡的数量相同时，Taylor涡的尺寸越大，对应的转轴的扭矩值越大。同时，Taylor涡的强度越高对应的扭矩值越大。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于周期性台阶柱面的减阻装置及减阻方法；该方法基于Taylor-Couette流动情况下反向旋转的Taylor涡的周期性，改变Taylor涡尺寸，减少大尺寸Taylor涡数量，通过在轴套内表面沿轴向设置不同半径的周期性圆柱表面，调制Taylor涡的尺寸和数目，使得Taylor涡的尺寸变化，大尺寸的Taylor涡数目减少，从而减少转轴的阻力；该方法具有加工方便、成本低、减阻效果显著的特点。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是:一种基于周期性台阶柱面的减阻装置，其特征在于包括转轴、轴套，所述轴套为中空、一端密封的圆柱体，轴套内璧上沿轴向等间距设有若干凹凸台阶，转轴位于台阶柱面轴套内且与台阶柱面轴套同轴安装，转轴与轴套内璧形成等距间隙；转轴和轴套的尺寸按以下公式:

0.8≥η＝R_i/R_o≥0.6，ξ＝H/(R_o-R_i)≥6，

式中，R_i为转轴半径，R_o为轴套半径，H为转轴的高度；

对轴套的内壁面圆柱形下凹台阶高度为h，按以下公式:

0.1(R_o-R_i)≤h≤0.45(R_o-R_i)