Numerical Simulation of Hydrodynamic Lubrication in aPlane Slider Bearing

Abstract

This dissertation addresses the need for reliable predictive tools for hydrodynamic lubrication in plane slider bearings, where thin-film pressure generation governs load support, friction reduction, and wear prevention. Although the Reynolds equation remains the classical design model, its agreement with higher-fidelity Navier–Stokes/CFD simulations under varying operating conditions is insufficiently quantified, forming the research gap of this work. A convergent wedge bearing was therefore investigated using three complementary approaches: the analytical Reynolds solution, a MATLAB finite-difference solver, and a two-dimensional ANSYS Fluent CFD model. Six cases were studied by varying sliding velocity and lubricant properties: U = 1, 5, and 10 m/s for a reference oil ρ = 850 kg/m³, μ = 0.085 Pa·s, then U = 10 m/s with SAE 10W μ = 0.035 Pa·s, ISO VG 46 μ = 0.046 Pa·s, and SAE 40 μ = 0.145 Pa·s. The three methods showed near-perfect agreement, validating the Reynolds-based numerical model. Peak pressures were 3.126×10⁵, 1.564×10⁶, 3.132×10⁶, 1.294×10⁶, 1.698×10⁶, and 5.338×10⁶ Pa, respectively, with the maximum located at X ≈ 0.87. The study concludes that viscosity and sliding speed strongly control pressure generation, and SAE 40 provides the highest load-carrying capacity. تتناول هذه المذكرة الحاجة إلى أدوات تنبؤ موثوقة للتزييت الهيدروديناميكي في المحامل الانزلاقية المستوية، حيث يتحكم توليد الضغط داخل الغشاء الرقيق في دعم الحمولة، تقليل الاحتكاك، والحد من التآكل. وعلى الرغم من أن معادلة رينولدز تُعد النموذج الكلاسيكي في التصميم، إلا أن مدى توافقها مع محاكاة نافير–ستوكس /CFDعالية الدقة تحت شروط تشغيل مختلفة لا يزال غير محدد بشكل كا ٍف، وهو ما يمثل فجوة البحث في هذا العمل. لذلك، تمت دراسة محمل ذي فجوة إسفينية متقاربة باستخدام ثلاث مقاربات متكاملة: الحل التحليلي لمعادلة رينولدز، َح ّل عددي بطريقة الفروق المحدودة مطور ببرنامج ،MATLABونموذج CFDثنائي الأبعاد باستخدام . ANSYS Fluentدُرست ست حالات من خلال تغيير سرعة الانزلاق وخصائص المزلق : U = 1و 5و m/s 10لزيت مرجعي بكثافة ρ = 850 kg/m³ولزوجة، μ = 0.085 Pa·s SAE ، وμ = 0.046 Pa·sبلزوجةISO VG 46 ، وμ = 0.035 Pa·s بلزوجةSAE 10W مع زيوتU = 10 m/s ثم 40بلزوجة . μ = 0.145 Pa·sأظهرت الطرق الثلاث توافقاً شبه تام، مما يؤكد صلاحية النموذج العددي المعتمد على ،10⁶×1.698 ،10⁶×1.294 ،10⁶×3.132 ،10⁶×1.564 ،10⁵×3.126 معادلة رينولدز. بلغت قيم الضغط الأعظمي و Pa 10⁶×5.338على التوالي، وكان موضع الضغط الأعظمي عند . X ≈ 0.87وتخلص الدراسة إلى أن اللزوجة وسرعة الانزلاق تتحكمان بقوة في توليد الضغط، وأن زيت SAE 40يوفر أعلى قدرة على حمل الحمولة