Análise termohidrodinâmica para mancal radial operando com óleos não-newtonianos

Abstract

Nos últimos anos, a sustentabilidade tem sido um dos temas de grande preocupação no progresso tecnológico, e a redução do consumo de energia é um dos maiores desafios, sendo a indústria de refrigeração responsável por cerca de 20% da eletricidade utilizada em todo o mundo. A miniaturização, a redução de massa e o aumento da velocidade de rotação dos compressores submetem os óleos lubrificantes a taxas de cisalhamento cada vez mais altas. Por sua vez, nessas condições, muitos óleos podem apresentar comportamento não newtoniano. A capacidade de avaliar os efeitos não newtonianos pode ajudar na escolha e desenvolvimento de lubrificantes e mancais mais eficientes. Assim, a presente dissertação trata da simulação numérica de mancais radiais finitos operando com fluidos não newtonianos submetidos a carregamentos estáticos. Para esse fim, um modelo termohidrodinâmico foi proposto, no qual a equação de Reynolds modificada para fluidos que obedecem à lei de potência, juntamente com a equação de energia, são resolvidas usando o método de volume finito em um processo iterativo. O comportamento da viscosidade é modelado utilizando equação da lei de potência e os coeficientes empíricos são obtidos através do ajuste de curvas experimentais. O problema de fronteira livre associado à cavitação é resolvido utilizando coordenadas não ortogonais que se adaptam ao domínio de solução e a posição da fronteira de cavitação é calculada através da equação da conservação da massa. Quando comparada com resultados disponíveis na literatura a metodologia forneceu boa concordância. Também foi desenvolvido um algoritmo para otimização das propriedades reológicas de um fluido operando em mancal radial. O algoritmo busca para um dado carregamento quais são os parâmetros da lei de potência para que a força de atrito viscoso seja a menor possível. Os resultados obtidos mostram que, mesmo para pequenos desvios do comportamento newtoniano, variações significativas na capacidade de carga e na força de atrito podem ser observadas. Sob as mesmas condições operacionais, a capacidade de carga e a força de atrito são 67% e 64% mais baixas, respectivamente, para o mancal operando com um óleo alquilbenzeno do que com um óleo polioléster, enquanto o parâmetro de consistência em ???? (????) é 90% menor.

Abstract: In recent years, sustainability has been one of the major concerns in technological progress, and energy consumption reduction is one of the greatest challenges, with the refrigeration industry being responsible for about 20% of the electricity used worldwide. The miniaturization, mass reduction, and increased rotational speed of compressors subject lubricating oils to increasingly high shear rates. Consequently, under these conditions, many oils can exhibit non-Newtonian behavior. The ability to assess non-Newtonian effects can assist in the selection and development of more efficient lubricants and bearings. Therefore, this dissertation focuses on the numerical simulation of finite journal bearings operating with non-Newtonian fluids under static loadings. To this end, a thermo-hydrodynamic model was proposed in which the modified Reynolds equation for power-law fluids, along with the energy equation, is solved using the finite volume method in an iterative process. The viscosity behavior is modeled using the power-law equation, and the empirical coefficients are obtained by fitting experimental curves. The free boundary problem associated with cavitation is solved using non-orthogonal coordinates that adapt to the solution domain, and the position of the cavitation boundary is calculated through the mass conservation equation. When compared with available literature results, the methodology provided good agreement. An algorithm was also developed for optimizing the rheological properties of a fluid operating in a journal bearing. The algorithm searches for the power-law parameters that minimize the viscous friction force for a given loading condition. The obtained results show that even for small deviations from Newtonian behavior, significant variations in load capacity and friction force can be observed. Under the same operating conditions, the load capacity and friction force are 67% and 64% lower, respectively, for the bearing operating with an alkylbenzene oil compared to a polyolester oil, while the consistency parameter at reference temperature (????) is 90% lower.