Modelagem analítico-numérica de mancais hidrodinâmicos com fluidos Newtonianos e não-Newtonianos

Abstract

A busca por melhores desempenhos em motores de combustão interna, máquinas elétricas e sistemas mecânicos que utilizam mancais hidrodinâmicos tem motivado os recentes estudos na área de lubrificação com a aplicação da dinâmica de fluidos computacional. A modelagem numérica tem se mostrado bastante eficaz em comparação com modelos físicos, com baixo custo. Dessa forma, o presente trabalho estuda a dinâmica de alguns fluidos não-Newtonianos em mancais radiais curtos, utilizando os modelos Herschel-Bulkley, Bingham e Pseudoplástico, nos quais os resultados foram comparados com os dos fluidos Newtonianos. Aqui, o objetivo principal é comparar a distribuição de pressão do fluido, a ocorrência de cavitação e os parâmetros de desempenho, tais como capacidade de carga, força de atrito e taxa de vazamento lateral. O modelo matemático utilizado foi baseado nas equações de Reynolds com o procedimento proposto por Payvar-Salant acoplado ao modelo de cavitação de Elrod e as condições de contorno de Jakobsson, Floberg e Olsson (JFO). As equações dos mancais foram resolvidas em um programa escrito em linguagem MATLAB com discretização pelo Método de Volumes Finitos e a solução através do Algoritmo de Matriz Tri-Diagonal cíclica (TDMA). Os resultados apontaram algumas vantagens em todos os parâmetros de desempenho quando os fluidos não Newtonianos de Herschel-Bulkley ou Bingham são comparados com fluidos Newtonianos.

The search for better performance in internal combustion engines, electrical machines and mechanical systems which use hydrodynamic journal bearings has motivated the recent studies in the field of lubrication with the application of computational fluid dynamics. Numerical modeling has been shown to be quite effective compared to physical models with low cost. In this way, the present work studies the dynamics of some non-Newtonian fluids in short journal bearings, using the Herschel-Bulkley, Bingham and Pseudoplastic models and the results were compared to those for Newtonian fluids. Here, the main objective is to compare fluid pressure distribution, cavitation occurrence and performance parameters, such as load carrying capacity, friction force and side leakage rate. The used mathematical model was based on the Reynolds equations with the procedure proposed by Payvar-Salant coupled with the Elrod cavitation model and the Jakobsson, Floberg and Olsson (JFO) boundary conditions. The bearing equations were solved in a program written in MATLAB language with discretization by the finite volumes method and a cyclic Tri-Diagonal Matrix Algorithm solver. The results pointed out some advantages in all performance parameters when HerschelBulkley or Bingham non-Newtonian fluids are compared to Newtonian fluids