李司宇

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

阻尼器是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要減震部件。阻尼器通過阻尼油結(jié)合阻尼體動(dòng)作，吸收轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)和額定運(yùn)行過程中的振動(dòng)能量，保證機(jī)器安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作條件苛刻，需要在高真空條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，而阻尼器在注油過程中，或因不恰當(dāng)?shù)墓r產(chǎn)生液體或者融入氣體，從而影響設(shè)備長期運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，因此阻尼器注油過程是設(shè)備零部件制備的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。

目前，關(guān)于該類高真空條件下專用阻尼器注油過程分析，國內(nèi)外還沒有開展過相關(guān)研究。阻尼油注油工藝文件中只規(guī)定了壓力及溫度控制條件，但未對(duì)綜合工況下的不同界面的流體狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)研究。機(jī)械行業(yè)內(nèi)阻尼器的注油往往是在常壓下進(jìn)行的，未對(duì)綜合工況下的不同界面的流體狀態(tài)提出具體要求，因此系統(tǒng)性開展注油過程仿真分析對(duì)高真空環(huán)境下注油工藝制定有指導(dǎo)意義。

1 物理模型建立

注油的物理過程是阻尼油在重力和壓力的共同作用下從儲(chǔ)油腔通過注油管注入到阻尼器中。開始注油時(shí)，緩慢地打開上下油腔之間的閥門，油從靜止?fàn)顟B(tài)以一定的速度從注油管流出，在重力和速度慣性的作用下，流入阻尼器中，在注油管中油與注油腔中的空氣接觸并混合，在此過程中可能會(huì)伴隨著一定量的空氣混入，或使油發(fā)生一定量的相變。阻尼器、儲(chǔ)油腔和注油腔幾何模型如圖1所示，在每一次注油開始之前需要對(duì)整個(gè)注油裝置進(jìn)行抽空處理，對(duì)阻尼油進(jìn)行預(yù)除氣，目的是盡可能地減少注油環(huán)境中的氣體含量。

圖1 仿真注油過程幾何模型

在計(jì)算過程中，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡化，儲(chǔ)油腔保留油液區(qū)域，阻尼器按實(shí)際體積做等效處理，只需考慮油液流過的主要區(qū)域的幾何模型。在整個(gè)模型外建立真空包圍體模型，以模擬封閉的注油器空間。

2 仿真參數(shù)設(shè)置

高真空條件下注油的工況參數(shù)包括儲(chǔ)油腔的加熱帶溫度和注油腔的壓力值。選取阻尼油和空氣的各物性參數(shù)[1]。計(jì)算基礎(chǔ)工況的目的在于發(fā)現(xiàn)整個(gè)注油過程中，阻尼油在哪些位置更容易卷入空氣產(chǎn)生氣泡，并計(jì)算大致的氣泡量[2]。根據(jù)注油技術(shù)條件設(shè)置計(jì)算過程中的邊界條件設(shè)置，上儲(chǔ)油腔設(shè)置真空度6 Pa，下注油腔設(shè)置真空度6 Pa。上儲(chǔ)油腔溫度50℃，下注油腔溫度25℃。分別根據(jù)真空度和溫度值選取空氣和阻尼油的各條件參數(shù)，見表1。

表1 兩種物質(zhì)的主要條件參數(shù)

2.1 計(jì)算模型選取

由于整個(gè)注油過程需要研究的是兩相流流態(tài)，阻尼油是連續(xù)的液相，可能混入油中的氣泡為離散的氣相[3]。即計(jì)算過程為瞬態(tài)、氣液兩相和三維物理過程，物理模型幾何結(jié)構(gòu)差別較大，需要先進(jìn)的仿真軟件以提高結(jié)果的精度。CFX擁有包括流體流動(dòng)、傳熱和多相流等問題的通用物理模型，CFX基于有限元的有限體積算法，具有數(shù)值精準(zhǔn)性。

計(jì)算CFX中提供了3種可以計(jì)算多相流間相間傳遞的模型，分別是自由表面模型、混合模型和粒子模型。自由表面模型無法計(jì)算相間物質(zhì)傳遞，混合模型在計(jì)算前需給定兩相間界面交互深度，但由于在注油前無法估計(jì)氣體侵入量所以不選擇上述模型，本次計(jì)算采用粒子模型進(jìn)行相間傳遞的計(jì)算，粒子模型可以很好地計(jì)算出液體中存在的氣泡和空氣中存在的液滴的具體情況[4]。

計(jì)算湍流流動(dòng)狀態(tài)的湍流模型選擇，選擇湍流模型中的低雷諾壓力模型，因其可以很好地計(jì)算流體近壁面處的黏性底層，并能計(jì)算層流和湍流共存的狀態(tài)。

2.2 計(jì)算內(nèi)容

本次計(jì)算基于基礎(chǔ)的注油技術(shù)條件，計(jì)算關(guān)注的點(diǎn)在于最可能會(huì)產(chǎn)生氣體入侵現(xiàn)象的位置，而發(fā)生這種現(xiàn)象的本質(zhì)是由于液體的流速過快或者液體飛濺到固體壁面產(chǎn)生環(huán)流，此時(shí)將部分與之接觸的氣體卷入液體中，對(duì)于本計(jì)算模型來說，易產(chǎn)生環(huán)流的位置在注油管的彎管處。

截取注油管彎管處橫截面不同注油時(shí)刻的氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖2所示。

圖2 注油管彎管處橫截面不同注油時(shí)刻的氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

從圖2（a）、（b）和（c）可以看出，在剛開始注油時(shí)，瞬態(tài)注油的第2秒時(shí)注油管中充斥了大量的空氣。隨著注油時(shí)間的增長，阻尼油會(huì)迅速充滿注油管，并且在第4秒時(shí)，截面處的兩相體積分?jǐn)?shù)占比開始發(fā)生顯著變化，油量明顯增多；再隨著時(shí)間增加，當(dāng)注油進(jìn)行到第18秒的時(shí)候，截面處全部充滿阻尼油，幾乎無氣體含量。之后的注油時(shí)段中氣體含量持續(xù)減低為0。

在目前的注油工況條件下，注油過程中會(huì)在加油管內(nèi)卷入一定量的空氣，產(chǎn)生氣泡，但隨著注油時(shí)間的增長，阻尼油流速增加，油液沖破氣泡，會(huì)使氣泡量減小到可以忽略的范圍之內(nèi)。

3 對(duì)比工況計(jì)算

3.1 對(duì)比工況選取

注油工藝過程規(guī)定了2條技術(shù)要求，一是注油器的注油腔壓力高于儲(chǔ)油腔壓力時(shí)不得進(jìn)行注油或打開注油閥；二是阻尼器注油時(shí)不能出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象，針對(duì)如上的技術(shù)要求開展下列變工況分析計(jì)算。

3.2 注油腔壓力變化影響分析

首先將注油腔的壓力增大，模擬當(dāng)注油腔壓力分別為500、800和1 000 Pa時(shí)的注油物理過程。

圖3（a）為當(dāng)注油腔的壓力為500 Pa時(shí)，瞬態(tài)計(jì)算的第7秒，從注油管流出的阻尼油會(huì)出現(xiàn)短暫的速度降為0的流體流動(dòng)停駐現(xiàn)象。圖3（b）為注油腔的壓力增大到800 Pa時(shí)，瞬態(tài)計(jì)算的第13秒，阻尼油從注油管管口流出后會(huì)因壓力過大，造成一部分的阻尼油向上噴濺。圖3（c）為持續(xù)增大注油腔壓力，增大至1 000 Pa時(shí)，瞬態(tài)計(jì)算的第4秒，阻尼油還未完全填充注油管內(nèi)部，就會(huì)因壓力過大造成阻尼油無法順利地流出注油管，并且僅有的一部分已經(jīng)注入阻尼器中的阻尼油也不是靜止?fàn)顟B(tài)，而是從阻尼器中向上部氣體空間中噴濺。

圖3 不同壓力下注油腔阻尼油氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

在適當(dāng)程度地減小注油腔壓力后進(jìn)行了計(jì)算，圖4是讀取注油過程開始后的前30 s歷程中，注油管出口位置處的阻尼油的流速。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)注油腔壓力值在6~70 Pa之間時(shí)，阻尼油流速較為平穩(wěn)，但是注油腔壓力達(dá)到幾百帕量級(jí)后會(huì)造成阻尼油流速劇烈的變化。上述對(duì)比計(jì)算的結(jié)果是，當(dāng)注油腔壓力大到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)油的反噴現(xiàn)象。所以要在不改變儲(chǔ)油腔壓力的情況下，使注油腔壓力抽空程度在6~70 Pa范圍之內(nèi)，這樣才能保證阻尼油不會(huì)出現(xiàn)反噴現(xiàn)象。

圖4 注油從開始至30 s的進(jìn)程中注油管出口處阻尼油速度

3.3 儲(chǔ)油腔壓力變化影響分析

在注油腔壓力不變的情況下，對(duì)比計(jì)算上油腔壓力分別為6、50和100 Pa的注油物理過程。

分別截取同一時(shí)刻，不同壓力下的阻尼油體積分?jǐn)?shù)云圖，從圖5（a）可以看出，當(dāng)上儲(chǔ)油腔壓力為10 Pa時(shí)，阻尼油從注油管流出后可以呈自由向下流動(dòng)的趨勢(shì)。壓力增大到50 Pa時(shí)就會(huì)出現(xiàn)有少部分的阻尼油液滴在注油過程中飛濺出阻尼器的情況如圖5（b）所示。當(dāng)壓力增大到100 Pa時(shí)，飛濺的程度更為明顯，如圖5（c）所示。當(dāng)儲(chǔ)油腔壓力在6~10 Pa時(shí)注油管出口流速在整個(gè)注油過程中趨于穩(wěn)定趨勢(shì)，流體流動(dòng)狀態(tài)較為穩(wěn)定，阻尼油可以順利地注入阻尼器中。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)有的注油工藝技術(shù)參數(shù)可以滿足阻尼器注油工藝過程中對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的要求。

（2）當(dāng)下注油腔壓力增大到一定程度會(huì)使從油管流出的阻尼油產(chǎn)生反噴到注油腔空間中的情況，所以為了防止阻尼油出現(xiàn)反噴現(xiàn)象，本文算例得出下注油腔的壓力不得高于800 Pa。

（3）當(dāng)上儲(chǔ)油腔壓力增大到一定程度時(shí)會(huì)使阻尼油注油的速度過快，造成阻尼油從油管出口噴濺而出，本文算例得出上儲(chǔ)油腔的壓力不得高于50 Pa。

圖5 不同壓力下儲(chǔ)油腔阻尼油氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖