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        表面親疏水特性對毛細管內(nèi)雙組分滲流特性的影響*

        2022-01-17 08:20:48陳春輝周劍鋒邵春雷
        潤滑與密封 2021年11期
        關(guān)鍵詞:雙組分毛細管當(dāng)量

        陳春輝 周劍鋒 邵春雷

        (南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 江蘇南京 211816)

        螺栓法蘭墊片靜密封連接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于承壓設(shè)備和管道,理論上密封面之間的間隙不可能完全消除,因此泄漏無法避免,但可以控制在能接受的范圍。一般來說,靜密封連接結(jié)構(gòu)的泄漏形式分為2種,即界面泄漏和滲透泄漏。界面泄漏是指介質(zhì)通過法蘭與墊片的交界面逸出的泄漏,這種泄漏的程度主要取決于界面的間隙大小。為了研究界面泄漏,人們提出了3種泄漏模型,即平行圓板模型、三角溝槽模型和多孔介質(zhì)模型[1-3]。滲透泄漏是指介質(zhì)通過墊片毛細管的泄漏,這種泄漏主要與材料的物理特性有關(guān)。可以認為,大多數(shù)非金屬墊片和金屬-非金屬復(fù)合墊片材料近似為多孔介質(zhì)[4]。對于氣體,假定多孔介質(zhì)各向同性,氣體流過多孔介質(zhì)的流道由n個彎彎曲曲、半徑大小不等的毛細管組成,按Hagen-Poiseuille公式(以下簡稱H-P公式)計算,則氣體通過多孔介質(zhì)的層流流率LL為

        (1)

        式中:p1為管道入口處壓力;p2為管道出口處壓力;ri為通道半徑;η為流體的動力黏度;li為通道的長度。

        壓縮狀態(tài)下,毛細管的形狀發(fā)生改變,式(1)要根據(jù)試驗結(jié)果進行校正。

        對于非圓截面管道,可采用水力當(dāng)量直徑Dh代替式(1)中的ri進行計算。根據(jù)流體力學(xué)對于非圓截面水力當(dāng)量直徑的表述,即非圓截面管道的水力當(dāng)量直徑是圓截面水力當(dāng)量半徑的4倍,故水力當(dāng)量直徑的表達式應(yīng)如式(2)所示。對于湍流,由于流速分布比較均勻,計算誤差在2%左右;而對于層流,由于非圓形截面的壁面周邊的速度與圓截面的情況差別較大,誤差較大(可能超過20%)。

        (2)

        式中:A為管道截面積;P為浸潤周邊長。

        目前常用的靜密封泄漏預(yù)測方法多基于H-P公式。而對于復(fù)雜組分的泄漏模型,由于組分在毛細管內(nèi)的流動情況十分復(fù)雜,尚未有可行的方法。對于毛細管內(nèi)的雙組分滲漏,一方面要考慮組分之間的相互影響,另一方面要考慮毛細管壁面特性對流動的影響,較之于單組分滲漏,情況更加復(fù)雜。本文作者采用格子玻爾茲曼方法(LBM)模擬毛細管內(nèi)雙組分的流動過程,可以同時考慮雙組分作用和壁面特性對滲漏的影響,進而獲得壁面親疏水特性對滲流的影響規(guī)律[5]。

        1 物理模型

        泄漏通道表面形貌異常復(fù)雜,研究人員利用分形理論等對粗糙的泄漏通道進行了簡化。為便于分析,文中將截面隨機變化的泄漏通道簡化為具有當(dāng)量截面積和水力周長的矩形截面微通道,如圖1所示。

        圖1 不規(guī)則泄漏微通道簡化為當(dāng)量矩形截面直通道Fig 1 Simplification of irregular leak path(a) into equivalentrectangular section straight channel(b)

        根據(jù)墊片的工況條件及簡化的微通道,可以建立如圖2所示的矩形微通道流動模型。介質(zhì)由高壓側(cè)經(jīng)矩形微通道流向低壓側(cè),介質(zhì)的主相為輕密度相,分散相為重密度相(液滴)。通道兩端為流體的進出口邊界,流動由通道兩端的壓差產(chǎn)生[6-8]。

        圖2 矩形微通道內(nèi)雙組分流動模型Fig 2 Bicomponent flow model in rectangular microchannel

        2 微流道內(nèi)雙組分流動的格子玻爾茲曼模擬方法

        對于兩相流動的LBM模擬,國內(nèi)外學(xué)者提出了多種模型。SWIFT等[9]以多相多組分流體的自由能理論和熱力學(xué)為基礎(chǔ),提出了自由能模型(一種多相LBM模型)。TAKADA等[10]和FRANK等[11]利用自由能模型成功模擬氣泡上升過程;HAO等[12-13]利用自由能模型模擬液滴的變形過程和多孔介質(zhì)內(nèi)的氣液兩相流現(xiàn)象。HE等[14]模擬了三維Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定問題,形象地描述了2種液體的交融過程。

        文中采用HE等[14]提出的兩相流(雙組分)模型進行模擬,2種組分的分布方程分別如式(3)和(4)所示,其中g(shù)i和fi能分別回歸到不可壓縮流動的納維斯托克斯方程(N-S方程)和界面追蹤方程[15]。

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        其中,ωi是權(quán)重系數(shù);p和ρ分別是流體的壓力和密度;eiα和eiβ是離散速度;uα和uβ是x和y方向的速度分量;宏觀變量的計算方法參見文獻[14],即

        φ=∑fi

        (7)

        (8)

        (9)

        其中,ρ是宏觀密度;u是宏觀速度矢量;ψ是ρ或φ的函數(shù),ψ(ρ)和ψ(φ)與流體動力學(xué)的壓力p和熱動力學(xué)的壓力pth有關(guān)[16]。

        (10)

        (11)

        其中pth根據(jù)Carnahan-Starling狀態(tài)方程[14,16]計算,即

        (12)

        若指數(shù)函數(shù)φ(x,t)已知,則可根據(jù)式(13)、(14)、(15)分別確定流體的密度(ρ)和運動黏度(ν)以及弛豫因子τ1。

        (13)

        (14)

        (15)

        3 結(jié)果與討論

        3.1 矩形通道內(nèi)的速度分布規(guī)律

        圖3 單一組分在微通道內(nèi)的速度分布規(guī)律Fig 3 Velocity distribution of a single component inmicrochannel(a) the flow distribution of light 1.5×10-4);(b) the flow distribution of

        圖4 純輕相介質(zhì)在微通道內(nèi)的速度變化Fig 4 Velocity variation of pure light phasemedium in microchannel

        3.2 球形重相液滴在微通道內(nèi)的運動特性

        圖5 重相液滴在輕相中的運動情況Fig 5 Motion of heavy phase droplet in light phase(a) thedroplet located in the center of microchannel;(b)the droplet located on the wall of microchannel

        圖5(a)中液滴速度的變化如圖6所示。重相液滴的速度呈現(xiàn)波動上升趨勢,這是由于流動過程中重相和輕相之間不斷相互作用,液滴在前進的過程中不斷調(diào)整形狀,甚至約在3 000步和5 000步的時候速度出現(xiàn)了較大波動。

        圖6 位于通道中心的液滴的速度變化規(guī)律Fig 6 Velocity variation of the droplet located inthe center of microchannel

        圖7 不同壁面性質(zhì)下位于通道中心的液滴的速度變化規(guī)律Fig 7 Velocity variations of droplet located in centerof microchannel under different wall properties

        3.3 環(huán)形重相組分對輕組分流動的影響

        對于親水性壁面,重相分布最終將緊貼于矩形微通道壁面,因此,為了縮短模擬時間,在模擬的初始時刻,在局部壁面處設(shè)置如圖8所示的環(huán)形重相。模擬開始后,重相開始在壁面擴展,并由于輕相的拖動,在壁面爬行。ΔLx為環(huán)形液膜的軸向?qū)挾?,h為液膜的厚度。

        圖8 初始時刻的環(huán)形重相模型Fig 8 Ringlike heavy phase model at initial time

        對于初始時刻為環(huán)形的重相模型,在約2 000步的時候,重相的形狀基本調(diào)整完畢,其構(gòu)成了光滑邊緣的孔狀結(jié)構(gòu),如圖9(b)所示。對于如圖9(a)所示的初始時刻只有半球的模型而言,雖然同樣由于表面張力的作用,重相在槽道底面鋪開,但由于體積分?jǐn)?shù)較小,對通道的流道截面的影響不如環(huán)形重相顯著。

        圖9 親水性壁面上重相的分布規(guī)律Fig 9 Distribution of heavy phases on hydrophilic wall(a)hemispherical heavy phase model at initial time;(b) ringlike heavy phase model at initial time

        研究發(fā)現(xiàn),對于親水性壁面,重相的體積分?jǐn)?shù)對流道截面的型式影響顯著。將重相體積分?jǐn)?shù)δ定義為

        δ=VF/VP

        (16)

        式中:VF為重相的體積,VF=ΔLx(2Lyh+2Lzh-4h2);VP為通道的體積,VP=LxLyLz。

        圖10所示為2種不同體積分?jǐn)?shù)重相條件下,輕相的速度變化規(guī)律。當(dāng)δ較大時,對通道的堵塞作用更明顯,通道的阻力更大,因此輕相的速度較小。

        圖10 重相體積分?jǐn)?shù)對輕相速度的影響Fig 10 Influence of heavy phase volume fractionon light phase velocity

        4 模擬結(jié)果與H-P公式計算結(jié)果的比較

        根據(jù)式(1),可以計算單相介質(zhì)在一定壓差條件下的滲漏率。而根據(jù)LBM模擬結(jié)果,可以確定通道內(nèi)輕相的平均流速,進而可以計算得到體積流量,即v*Y*Z*。表1列舉了8組參數(shù)條件下LBM模擬結(jié)果與H-P公式計算結(jié)果。

        表1 LBM模擬結(jié)果與H-P公式計算結(jié)果

        由表1可知,8組數(shù)據(jù)中,除第2組數(shù)據(jù)和第7組數(shù)據(jù)外,LBM模擬滲漏率均大于H-P公式計算滲漏率。對于純輕相和純重相組分的流動(第1和2組數(shù)據(jù)),由于重相的黏度大,所以純重相的滲漏率明顯小于純輕相的滲漏率。從表1中亦可以看出,隨著重相體積分?jǐn)?shù)的增加,滲漏率明顯減小。在采用H-P公式計算時,使用的黏度是根據(jù)2種物質(zhì)黏度和其所占體積分?jǐn)?shù)折算得到的當(dāng)量黏度,這與LBM模擬發(fā)現(xiàn)的兩相流滲流狀態(tài)的偏差較大,說明采用當(dāng)量黏度計算滲漏率存在較大偏差。另外,H-P公式計算時采用了當(dāng)量直徑,這也給計算結(jié)果帶來了一定誤差。

        5 結(jié)論

        采用LBM研究了微通道內(nèi)雙組分的流動過程,考慮通道壁面效應(yīng)對組分的影響,研究2種密度不同的組分在通道內(nèi)的流動特性。得到以下結(jié)論:

        (1)通道壁面的親水、疏水特性對雙組分的流動影響十分顯著,特別是親水壁面,重相在壁面上的黏滯,使通道的截面尺寸減小,最終使得輕相的體積流量變小。

        (2)重組分在親水性泄漏通道壁面上的黏滯,有利于減小滲漏。

        (3)雙組分在親水性壁面通道內(nèi)的流動不同于一般的雙組分混合流動,因此在利用H-P公式建立泄漏預(yù)測模型時需要采用合適的校正方法。

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