Modellazione numerica dell’aerazione del lubrificante

L’aerazione è un fenomeno che comporta l’intrappolamento di un gas in un liquido. In ambito meccanico, questo fenomeno si manifesta molto spesso nei sistemi lubrificati (ingranaggi, cuscinetti…), in cui elevate quantità di aria vengono intrappolate nel lubrificante e portano alla formazione di schiuma. Nelle trasmissioni a ingranaggi, l’aumento del volume della miscela lubrificante si traduce poi in un aumento delle perdite di potenza e conseguente riduzione dell’efficienza. Di seguito viene presentato un approccio numerico basato sulla fluidodinamica computazionale (OpenFOAM) per la modellazione dell’aerazione.

Al giorno d’oggi, l’efficienza energetica rappresenta un aspetto fondamentale nella progettazione meccanica. Soluzioni efficienti si traducono non solo in puro risparmio energetico, ma anche in una maggiore affidabilità dei sistemi grazie a temperature di esercizio più contenute. Per questo motivo, lo studio dell’efficienza energetica già dalle prime fasi della progettazione è un fattore chiave per ottimizzare la capacità di carico e comportamento termico del sistema.

Per aumentare l’efficienza di un sistema è innanzitutto fondamentale avere a disposizione tecniche di modellazione in grado di descrivere correttamente la fisica del problema. Uno degli aspetti per cui mancano ancora modelli numerici adeguati è quello dell’interazione tra più fluidi, fenomeno che si ha in tutti i sistemi meccanici lubrificati. Se da un lato, alcuni lavori che si occupano di cavitazione (transizione di un fluido da liquido a vapore) nei riduttori sono già disponibili in letteratura, dall’altro il fenomeno dell’aerazione (interazione tra una fase liquida e una gassosa di diversi fluidi) è stato toccato solo marginalmente da un punto di vista numerico. Ciò è principalmente legato al fatto che l’aerazione non è sempre presente, e non sempre influisce in modo significativo sulla capacità di lubrificazione. Tuttavia, quando il livello di aerazione all’interno del sistema aumenta, il comportamento della miscela aria-lubrificante cambia in modo radicale. La presenza di aria, ad esempio, può causare il degrado prematuro del lubrificante e, quindi, promuovere l’usura.

Tra i sistemi che più soffrono di problemi legati all’aerazione ci sono le trasmissioni a ingranaggi, in cui la rotazione delle ruote promuove l’intrappolamento di aria nell’olio e formazione di schiuma. Lo sviluppo di un modello capace di riprodurre numericamente questo fenomeno può quindi portare a importanti progressi nel campo della lubrificazione e della tribologia. In tal senso gli autori hanno ideato un solutore capace di modellare l’aerazione. Di seguito si riportano i risultati della validazione di tale approccio confrontandone i risultati con dati sperimentali. Da questa analisi è risultato possibile riportare alcune interessanti considerazioni relative all’impatto dell’aerazione sulla lubrificazione.

Il fenomeno dell’aerazione

All’interno di una trasmissione a ingranaggi possono verificarsi due tipi di perdite: le perdite di potenza dipendenti dal carico, che sono quelle associate alla coppia trasmessa, e le perdite indipendenti dal carico (altresì dette a vuoto), dovute all’interazione tra gli organi in movimento e il lubrificante.

Studi sperimentali sull’aerazione condotti da Leprince et al. hanno quantificato l’aerazione che si ha nel lubrificante ed osservato come questa dipenda sia dalle proprietà fisiche del lubrificante, sia dalle condizioni operative della trasmissione.

Leprince et al. hanno proposto un approccio euristico per tenere conto dell’aerazione del lubrificante con parametri che però devono essere determinati sperimentalmente.

Studi successivi sono stati eseguiti da Neurouth et al., in cui sono state analizzate diverse condizioni operative che hanno consentito una migliore comprensione del fenomeno.

L’aumento delle perdite di potenza degli oli aerati è associato all’aumento di energia all’interfaccia tra le bolle d’aria e il lubrificante. Si è anche osservato come il montaggio di flange a una certa distanza dagli ingranaggi possa ridurre l’aerazione e, di conseguenza, le perdite.

Un approccio numerico è invece stato proposto da Cerne et al. Tale metodo è stato migliorato da Yan e Che. Una combinazione di approccio euleriano e VOF è st ta testata da Wardle e Weller.

Ma et al. hanno riformulato il termine sorgente proposto da Sene per considerare l’intensità della turbolenza e applicato il modello a vari scenari in ambito idraulico/navale.

In questo documento, il fenomeno dell’aerazione è stato modellato in ambiente OpenFOAM secondo Hirt. Nel modello, l’aria viene inglobata nel fluido quando l’energia turbolenta per unità di volume è maggiore delle forze di stabilizzazione e della tensione superficiale per unità di volume.