曾憲文，孫啟國，呂洪波

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

油氣潤滑系統(tǒng)中彎管內(nèi)油氣兩相流數(shù)值仿真?

曾憲文，孫啟國，呂洪波

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

基于FLUENT對油氣潤滑系統(tǒng)中常見的豎直向下彎管的油氣兩相流場進(jìn)行了仿真。通過分析彎管處流場的特性，研究了彎管對油氣兩相流的影響。結(jié)果表明：彎管對油氣兩相環(huán)狀流有破壞作用，且這種影響會需要到達(dá)直管一定距離后才會消失。

油氣潤滑；FLUENT；彎管；油氣兩相流

1 引 言

油氣潤滑作為一種先進(jìn)的潤滑技術(shù)，正被越來越多的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。油氣潤滑實(shí)現(xiàn)高效潤滑關(guān)鍵技術(shù)之一就是要求潤滑油能夠精細(xì)、穩(wěn)定地到達(dá)潤滑點(diǎn)［1］，這就要求油氣潤滑系統(tǒng)管路中的油氣兩相環(huán)狀流能夠保持一定的穩(wěn)定性［2］。生產(chǎn)實(shí)際中針對不同的工況，油氣潤滑系統(tǒng)的布置是非常復(fù)雜的，油氣混合設(shè)備的安裝位置受到場地區(qū)域、待潤滑設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀等的限制及潤滑設(shè)備同時存在多個潤滑點(diǎn)，這些因素決定了油氣輸送管布置形式必然是多種多樣。而彎管是其中最常見的一種形式，彎管對油氣兩相環(huán)狀流的影響是環(huán)狀流出現(xiàn)不穩(wěn)定的一個重要原因，因此對混合器出口處布置彎管部分研究意義。

管路結(jié)構(gòu)形式對于兩相流的影響，也有大量的研究。有些學(xué)者對油氣兩相流流過彎管的局部特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，提出了新的計(jì)算彎管壓力損失的計(jì)算公式［3－4］。隨著計(jì)算機(jī)水平提高，丁玨等［5］人采用數(shù)值模擬的方法，對90°方截面彎管的流動特性進(jìn)行了研究，為管內(nèi)流體的研究提供了一種新的方法。高忠信、鄧杰等［6］采用了數(shù)值仿真的方法，研究了180°圓彎管內(nèi)的氣液兩相流的流體特性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，證明了數(shù)值方法的正確性。以上研究針對油氣潤滑其油液較少的情況研究較少。

筆者將對豎直向下彎曲管路，利用FLUENT建立三維模型，對彎管部分油氣兩相流場進(jìn)行分析，得到其速度場及壓力場的分布，并分析出口處的平均壓力、速度值及潤滑油流量的波動來研究彎管對油氣潤滑效果的影響。

2 仿真模型的建立

其仿真模型如圖1所示，前半部分為油氣混合腔體，混合管直徑為10 mm，水平直管段長度為400 mm，豎直向下部分長為 100 mm，彎曲半徑為 7.5 mm。對彎管部分劃分網(wǎng)格如圖2所示。采用結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，為了獲得油液沿壁面的分布特性，對壁面采取邊界層。

圖1 豎直向下的彎管

圖2 彎管網(wǎng)格模型

為便于后面的分析描述，對彎管部分橫截面所處位置做出如圖3所示定義轉(zhuǎn)角α，順時針方向?yàn)檎?/p>

圖3 彎管截面的示意圖

3 仿真條件設(shè)置

把圖2所示的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT仿真軟件中。仿真環(huán)境及初始條件設(shè)置如下：

（1）仿真環(huán)境的設(shè)置 筆者不考慮能量的交換過程，因此將不選擇能量方程，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置工作環(huán)境為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，且考慮重力的影響設(shè)置為－9.81 N／kg。

（2）材料特性設(shè)置 空氣密度為1.225 kg／m3，動力粘度為1.789×10－5（kg／m·s）；油選擇VG46號液壓油，其密度為890 kg／m3，0.058 kg／m·s。

（3）壁面設(shè)置 考慮近壁面油氣流動情況，采用加強(qiáng)壁面設(shè)置；為追蹤氣液界面瞬態(tài)變化，選擇幾何重構(gòu)法以便獲得精確界面變化。

（4）相設(shè)置 由于油氣潤滑是大量氣體攜帶少量油實(shí)現(xiàn)潤滑的，因此設(shè)定氣體為第一相，油為第二相，表面張力設(shè)置為0.027 3 N／m。

（5）初始邊界設(shè)置 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)置油入口、氣體入口均為速度入口，出口為壓力出口，油氣的接觸角為30°。

（6）設(shè)定氣體為第一相，油為第二相，設(shè)置流場區(qū)域內(nèi)第二相初始體積含量為0。

（7）氣體入口速度為80 m／s。

（8）油的入口速度為2 m／s。

（9）出口壓力為101 325 Pa；重力設(shè)置為－9.81 N／kg，時間步長設(shè)置為1×10－5（s）。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 管道中油氣分布

圖4為管道外壁油氣分布圖，其中紅色部分代表油液，藍(lán)色部分代表氣體?？煽吹接蜌饣旌锨惑w出口及彎管部分油氣出現(xiàn)了不連續(xù)的地方。取其在轉(zhuǎn)彎處Z＝0平面油氣兩相分布情況，如圖5所示。

圖4 管道外壁面油氣兩相分布

由圖5可看到，從水平方向到進(jìn)入彎管時，管道外壁油膜幾乎消失。在豎直向下管道，由于重力的作用，出現(xiàn)向下流動的油液波浪，擠壓氣體通道，造成壓力損失。提取進(jìn)入彎道α＝0°截面和進(jìn)入豎直管道α＝90°兩個截面上含油率和壓力值如表1所示。

圖5 彎管橫截面油氣分布圖

表1 彎管入口出口截面上含油率與壓力值

由表1可以看到，進(jìn)入彎管時含油率小于離開彎管時含油率，這與圖5所示中油氣分布情況剛好吻合，由于在進(jìn)入彎管段時，油膜受到破壞，在流出彎管重新形成油膜時受到重力作用會出現(xiàn)某一位置油液過分集中的現(xiàn)象。α＝0°截面壓力值比α＝90°截面離開彎管的截面壓力值高出7 657.46 Pa，這是由于彎管部分的壓力損失造成的。

4.2 彎管縱截面速度和壓力分布

圖6為管道Z＝0的對稱面上的速度分布圖，彎管部分處速度變化較大。內(nèi)凹壁面附近流速大于外凸面，造成此現(xiàn)象的主要原因是由于在進(jìn)入彎管后流動過程中，流體由于曲線運(yùn)動而產(chǎn)生離心作用，導(dǎo)致流體被擠壓到外壁面，凸邊出現(xiàn)擴(kuò)散效應(yīng)，內(nèi)凹面形成加速通道。

而壓力的變化則與此相反，圖7為管道Z＝0的對稱面上的壓力分布圖，彎管在內(nèi)徑沿方向的壓力梯度相對于水平管道較大，內(nèi)凹邊的壁面區(qū)域的壓力值小于外凸邊。從而引起流體從直管段到彎管段過渡時外面的壓力增大，內(nèi)壁面的壓力較小。豎直直管部分的壓力值明顯的比水平直管段的壓力值小，存在較大的壓力損失，這都是由油氣兩相間、油和管壁間黏性摩擦壓力損失及局部壓力損失造成的。

圖6 速度分布圖

圖7 壓力分布

4.3 彎管橫截面速度流線

流體在彎管中流動時，在流體黏度和離心力的影響下產(chǎn)生壓差，導(dǎo)致在橫截面上產(chǎn)生二次流。二次流使彎管橫截面方向上能量交換，影響主要流動方向的平均速度，減小流場的總壓。因此有必要對油氣兩相流動時的彎管部分的速度分布進(jìn)行研究。取α＝15°、30°、45°、60°、75°、90°及在豎直下降管路一段內(nèi)對應(yīng)截面的速度流線。圖8為不同的轉(zhuǎn)角α處橫截面內(nèi)的速度流線圖。

圖8 豎直向下彎管不同截面處的速度流向圖

根據(jù)提取圖形過程可知圖形的上部為外凸邊，下部對應(yīng)內(nèi)凹壁面。在α＝0°處流體徑向速度指向內(nèi)凹壁面，這是由于此面徑向壓力梯度較大引起的。到達(dá)彎管后，流體黏性和慣性開始作用，從α＝15°處開始形成二次流，由于中部氣體軸向主流的慣性作用，不能馬上形成完整的漩渦，但二次流體帶動內(nèi)部的低速流體，不斷發(fā)展逐步出現(xiàn)漩渦，到α＝90°可看到在靠近內(nèi)壁處出現(xiàn)明顯的漩渦。隨著流體繼續(xù)沿直管流動，其二次流逐漸消失，到達(dá)y＝－20，渦流基本消失，說明彎管的作用沿直管方向逐漸減弱，直至消失。

5 結(jié) 論

筆者對豎直向下的90°彎管系統(tǒng)，進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了彎管處的油氣分布、壓力分布及速度變化情況，得到主要結(jié)論如下：

（1）通過分析彎管處的油氣分布圖，可以看到彎管對油氣兩相環(huán)狀流流型有破壞作用，導(dǎo)致經(jīng)過彎道以后的，外凸面的油膜較薄。

（2）通過分析彎管縱截面的速度壓力分布，可看到由于受到彎管曲率及流體慣性的影響，彎管徑向的速度和壓力梯度比直管大，內(nèi)凹面的壓力值較小，速度值較大，外凸面與之相反。這將導(dǎo)致流體在周向形成二次流，而出現(xiàn)環(huán)狀流不穩(wěn)定的現(xiàn)象。由橫向截面的速度分圖，可以看到彎管造成的擾動在進(jìn)入水平直管后并不能迅速消失，而要在進(jìn)入直管一段時間后才能夠重新恢復(fù)。因此對于后面接油氣分配器的系統(tǒng)，如若需要用到彎管，要盡量的靠近混合器出口，以便有足夠的空間來消除彎管的影響。

（3）以上研究結(jié)論為油氣混合系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)提供參考。

［1］ 楊和中，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤滑技術(shù)（一）［J］.潤滑與密封，2003（1）：107－109.

［2］ 李志宏.油氣潤滑水平管內(nèi)環(huán)狀流流動特性研究［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2012.

［3］ 郭烈錦，黃建春，郭純斌.油氣兩相流流過彎管的局部阻力特性研究［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，5（32）：38－41.

［4］ 鹿院衛(wèi)，王躍社.彎管內(nèi)氣液兩相流局部阻力特性研究［J］.油氣儲運(yùn)，2000，19（3）：32－35.

［5］ 丁 玨，翁培奮.90°彎管內(nèi)流動的理論模型及流動特性的數(shù)值研究［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21（3）：314－317.

［6］ 高忠信，鄧 杰，葛新峰.圓形彎管氣液兩相流數(shù)值模擬［J］.水利學(xué)報(bào)，2009（6）：8－9.

Numerical Simulation of Oil－air Two－phase Flow in Elbow of the Oil－Air Lubrication System

ZENG Xian－wen，SUN Qi－guo，LV Hong－bo
（College of Mechanical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Oil－air two－phase flow in elbow of the oil－air lubrication system is simulated based on FLUENT.The elbow reflects on oil－air two－phase flow is researched through studying the flow field characteristic.The results show that oil－air annular flow will not be disrupted by elbow until oil－air flow reach to a certain length of straight pipe.

oil－air lubrication；FLUENT；elbow；oil－air two－phase flow

TH117.1

A

1007－4414（2013）04－0077－03

2013－05－28

北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃資助項(xiàng)目（PHR 201107109）

曾憲文（1987－），女，山東濟(jì)寧人，碩士，研究方向：油氣潤滑設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)及其成套設(shè)備研發(fā)。