Modeling lubricants enhanced by finite elasticity polymers
Sınırlı elastisite polimerleri ile gelistirilmiş yağlayıcıların modellenmesi
- Tez No: 849479
- Danışmanlar: DOÇ. LUCA BIANCOFIORE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Viskoelastisite, ince film yağlama, azaltılınış dereceli modelleme, hesaplamalı yöntemler, polimerler
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 208
Özet
Yağlama, göreceli hareket halindeki ve sürtünme ve aşınmaya duyarlı mekanik ve biyolojik yüzeylerin uzun ömürlülüğü için gereklidir. İyi tasarlanmış bir yağlayıcı, örneğin polimer katkı maddeleri ile zenginleştirilmiş bir baz yağ, hem enerji hem de malzeme kayıplarını etkili bir şekilde azaltabilir. Bununla birlikte, karmaşık reolojik davranış sergileyen, özellikle viskozitenin basınca (piezo-viskozite), sıcaklığa ( termal incelme), kayma hızına (kayma incelmesi) ve viskoe-lastisitenin başlangıcına bağımlılığını sergileyen bu yağlayıcı karışımlarının modellenmesinde zorluk ortaya çıkar. Ince yağlayıcı filmin yük taşıma kapasitesinin doğru tahminleri, kaymaincelemesinin dikkatli bir şekilde modellenmesini gerektirir. Genelleştirilmiş Reynolds denklemi (GR) ve yaklaşık kayma dağılımı (ASD) gibi mevcut modellerin sırasıyla büyük hesaplama süresi ve zayıf doğruluk gibi dezavantajları vadır. Bu çalışmada yeni bir yaklaşım, yani değiştirilmiş viskozite (MV) mod-elini sunuyoruz. Hem MV hem de GR için, (i) kayan (kavitasyon oluşturmayan) kontaklar, (ii) kavitasyon yapan ve (iii) sıkıştıran kontaklar için yükü, maksimum basıncı ve hesaplama süresini araştırıyoruz. Hesaplama süresinin (i) kavitasyon oluşturmayan kayan ve yuvarlanan kontaklar için önemli ölçüde ve (ii) kavita-syon yapan ve sıkıştıran kontaklar için birkaç büyüklük sırası kadar azaldığını gözlemledik. Güçlü elastik yağlayıcılar için viskoelastik Reynolds (VR) yaklaşımı (Ahmed & Biancofiore, .Journal of Xon-Newtonian Fluid I'viechanics, 292, 104524, 2021.) Oldroyd-B kurucu ilişki için mekanik temaslar için viskoelastik yağlama filminin (i) basınç dağılımını ve (ii) yük taşıma kapasitesini modellemede etkili olduğu gösterilmiştir. Bu çalışmada, VR yaklaşımını, (i) polimer zincirlerinin sonlu uzamasını ve (ii) kayma incelmesini açıklayan doğrusal olmayan, sonlu uzaya-bilir, doğrusal olmayan elastik (FENE) tipi kurucu ilişkilere kadar genişlettik. FENE- kullanarak, Weissenberg sayısı l1Vi, yani polimer gevşeme süresi ile akış süresi ölçeği arasındaki oran ve sonlu geni§letilebilirlik parametresi L arasındaki geniş bir aralıkta mükemmel bir uyum göstererek, DNS'ye kar§ı VR yakla§ımını doğruladık. CR ve FE:\'E-P. Kapsamlı bir doğrulamanın ardından, kanal yüksekliği r: muylu dı§ınerkezlik oraııı tarafından yöııetileu bir kaymalı yatağın basıııç dağılımı ve yük taşııııa kapa:oite:oi dikkate alımr. Filnıiıı yük taşınıa ka-pa:oitesinin W i, T, ve e'a oldukça doğrusal olmayan bir bağımlılık gösterdiği gözlemlmmiştir: küçük Wi değerleri için artarken, polimerin kapasitesiyle büyük ölçüde sınırlanmıştır. Yüksek derecede viskoclastik rejimler için gerilme, doygun-hık ve ardından bir düşüş gözlemlenir. Ek olarak, zayıf (kuvvetli) bir eksantrik konfigürasyon, hem W i hem de L 'a kıyasla yükteki büyümeyi desteklemede ( en-gellemede) önemli bir rol oynar. Bu etkiler önemlidir ve güçlü bir viskoelastik sıvı ile yağlanan ince temas noktaları modellenirken dikkate alınmalıdır. Ek olarak, çe§itli doğrusal olmayan kurucu ilişkiler için VR yaklaşımını üç boyutlu yağlanmış temaslara (kartezyen ve silindirik koordinat sistem-lerinde) doğru genişlettik ve De cinsinden doğrusallaştırılmış bir model sağladık. Hesaplama gereksinimlerindeki artış nedeniyle, denklemlerin etkin çözümü için küresel olarak tam örtülü bir sayısal teknik benimsendi. e = 0.9 ( ve parabo-lik kaydırıcı) taşıyan uzatılmış mil yataği için yük ve sürtünme tepkisi, kanal en boy oranına ( aksi takdirde N ewton tipi bir yağlayıcı için sıfır) karşı güçlü bir değişiklik gösterdi; a = fx / fz , yani kanalın akış yönünde ve açıklık yönündeki uzunlukları arasındaki oran. Geçici yüzey hareketinin elastik bir polimerin tep-kisi üzerindeki etkileri de, ikinci dereceden pertürbasyon modeli ve VR yaklaşımı aracılığıyla, yük taşıma kapasitesi ve sürtümneyc özel olarak odaklanılarak incelenmiştir. Pertürbasyon yapılan modellerin yalnızca (i) hareket belli bir :o Üre ilerledikten sonra (ii) JJe'nin küçük olduğuııda geçerli olduğunu bulduk. Polimer esnekliğinin filmin sıcaklık dağılımı üzerindeki etkisine basitleştirilmiş bir bakış, De'a karşı zayıf bir bağımlılık gösterdi. Sıvı yayılımı nedeniyle filmin ısınması, De büyük olmadığı sürece büyük ölçüde etkilenmeden kaldı.
Özet (Çeviri)
Lubrication is essential for the longevity of mechanical and biological surfaces in relative motion and susceptible to friction and wear. A well designed lubricant, for example a base oil enhanced with polymer additives, can effectively reduce both energetic and material losses. However, difficulty arises when modeling these lubricant mixtures exhibiting complex rheological behavior, in particular, a dependence of the viscosity on pressure (piezoviscosity), temperature (thermal thinning), shear rate (shear thinning) and the onset of viscoelasticity. Accu- rate estimates of the load carrying capacity of the thin lubricating film requires careful modeling of shear thinning. Available models such as the generalized Reynolds equation (GR) and the approximate shear distribution (ASD) have drawbacks such as large computational time and poor accuracy, respectively. In this work, we present a new approach, i.e. the modified viscosity (MV) model. We investigate, for both MV and GR, the load, the maximum pressure and the computational time, for (i) sliding (non-cavitating) contacts, (ii) cavitating and (iii) squeezing contacts. We observe that the computational time is reduced (i) considerably for non-cavitating sliding and rolling contacts and (ii) by several order of magnitudes for cavitating and squeezing contacts. For strongly elas- tic lubricants, the viscoelastic Reynolds (VR) approach (Ahmed & Biancofiore, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 292, 104524, 2021.) has been shown to be effective in modeling (i) the pressure distribution and (ii) the load car- rying capacity of a viscoelastic lubricating film for mechanical contacts for the Oldroyd-B constitutive relation. In this work, we have extended the VR approach to the non-linear finitely extensible non-linear elastic (FENE) type constitutive relations that account for the (i) finite extension of the polymer chains and (ii) shear thinning. We have validated the VR approach against DNS, showing an excellent agreement over a wide range of the Weissenberg number W i, i.e. the ratio between the polymer relaxation time and the flow time scale, and finite extensibility parameter L, using FENE-CR and FENE-P. Following a thorough validation, the pressure distribution and the load carrying capacity of a journal bearing, whose channel height is governed by the journal eccentricity ratio e, is considered. It is observed that the load carrying capacity of the film portrays a strongly non-linear dependence on W i, L and e: while it increases for small values of W i, limited greatly by the capacity of the polymer to stretch, a saturation and a subsequent decline is observed for highly viscoelastic regimes. Additionally, a weakly (strongly) eccentric configuration plays an important role in promoting (hindering) the growth in load versus both W i and L. These effects are signif- icant and have to be considered when modeling thin contacts lubricated with a strongly viscoelastic fluid. Additionally, we have extended the VR approach towards three-dimensional lubricated contacts (in cartesian and cylindrical coor- dinate systems) for several non-linear constitutive relations and have provided a linearized model in De. Owing to the increase in computational requirements, a globally fully-implicit numerical technique was adopted for the efficient solution of the equations. The load and friction response for an extruded journal bearing e = 0.9 (and parabolic slider) showed a strong variation versus the channel aspect ratio (otherwise zero for a Newtonian lubricant), i.e. a = ℓx/ℓz , the ratio between the channel streamwise and spanwise lengths. The effects of transient surface mo- tion on the response of an elastic polymer have also been examined, with a specific focus on the load carrying capacity and the friction, via a second-order pertur- bation model and the VR approach. We find, the perturbed models only offer a matching prediction (i) once the motion has proceeded from some time and, (ii) the De is small. A simplified look into the influence of polymer elasticity on the temperature distribution of the film showed a weak dependency versus De. The film heating owing to the fluid dissipation remained largely unaffected unless the De was large.
Benzer Tezler
- The effects of design parameters on the strength of adhesively bonded single lap joints
Tasarım parametrelerinin tek tesirli yapıştırma bağlantılarının dayanımına etkileri
TİMUR SOĞANCI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. SÜREYYA ERGÜN BOZDAĞ
- Soğutma sistemlerinde kullanılan nanoyağlayıcıların termal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of thermal properties of nanolubricants used in refrigeration systems
AYBÜKE ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYSEL KANTÜRK FİGEN
- Multiscale modeling and simulations of polyelectrolyte multilayers and polyelectrolyte complexes
Çok katmanlı polielektrolitler ve polielektrolit komplekslerin çok ölçekli modelleme ve simülasyonları
ERHAN ÖZDEMİR
Doktora
İngilizce
2023
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLAY ERTAŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ EROL YILDIRIM
- Sondaj çamuru uygulamaları için kil-polimer etkileşimlerinin belirlenmesi
Determination of the clay-polymer interaction for drilling mud applications
EREN KARGI
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİM İŞÇİ TURUTOĞLU
- Nonlinear modeling of non-Newtonian hydrodynamic lubrication
Newton olmayan hidrodinamik yağlamanın doğrusal olmayan modellemesi
HUMAYUN AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LUCA BIANCOFIORE