油气分配器结构设计对油气分配性能的影响.pdf

l 訇 似 油气分配器结构设计对油气分配性能的影响 l n f l uen ce of t he oi l - ai r di s t r i but or ’ S s t r uct ur e on i t s di s t r i bu t i on per f or m an ce 周正辉，孙启国，吕洪波 ZHOU Zh e n g h u i ， SUN Qi ． g u o ， L V Ho n g ． b o 北方工业大学 机电工程学院，北京 1 0 0 1 4 4 摘 要本文在原有的油气分配器的基础上， 设计了一种新型的油气分配器， 并基于O F D 仿真原理，建立 了设计后的油气分配器流体域模型 ，仿真了导流槽底面分别为平面 ，球面和锥面三种情况下 油气分配器分配界面、导流槽中截面、出口油气两相流的流体分布，并提取了各自出口油液 和气体的质量流量，分析了导流槽底面结构 油气分配器分配性能的影响。结果表明， 球面和 锥面导流槽均提高了油气分配器油液分配的均匀性和稳定性，改善了出口油液的流型 ，形成 薄的环状油膜，其中锥面导流槽油气分配器分配性能最好。 关键词 油气润滑 ； 油气分配器 ； 分配性能；导流槽 中图分类号 T H 1 1 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 4 0 1 I- 一 0 0 7 8 0 4 D o i 1 O ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 O 1 4 ． 0 1 E ． 2 3 0 引言 油气润滑技术作为一种新兴、环保 、节能的 精细润滑设 备 ，已经成为润滑技术发展主要方 向 之一 。油气润 滑是将单独输送 的润滑油和气体进 行混合使之 成为在 同一管道 内流动的气液分离的 环状流 ，并 通过油气分配设备将油气均匀分配到 多个润滑点的新型润 滑系统 H 。大量 的生产应用 已经验证 ，油气润滑相对于传统润滑方式而言 ， 在 机械 产 品高速 、重 载 、高 效 、节能 、高 自动 化 、长寿命 的发展 方向上具 有独特 的优势 ] 。 作为油气润滑 系统重要的组成部分，油气分配器 的性能对于润滑效果的影响是至关重要的。国内 油气分配器的研究主要集中在工程应用领域 ，其 中蔡茂林设计 了垂直相通 于流量调 整孔 油气分配 器 ，为 了满足 串联轴承多点润滑，彭淑玲研 究出 了能够 串联使用的内置式油气分配器 ，吴 国斌研 究 出了渐缩环状导流式油气分配器 等。在气液两 相流 的分配特性研究方面，周承富、陈小榆做 了 三通管 的内部 流场的数值模拟分析 ，梁法 春实 验研究 了三通分配器 的分配 特性。 。 ，但 是整体对 于油气分配器 内部流场 以及分流特性的理论研究 和仿真较 少。李婵对油气分配器的结构设计与性 能仿真做 了研 究，提 出了一种新的油气分配器的 结构 。 本文 在文 献【 7 】 研 究的基 础上 ，进 一步 改进 了油气分配器结构 ，建立 了其 改进后 的流体域模 型 ，结合流体力学两相流基本原理，利用F L UE NT 仿真流体特性 ，评价导流槽底面 结构不 同时油气 分配器的分配性能 。 1 新型油气分配器的工作原理及仿 真模型 图1 是设计的油气分配器结构示意图，油液和 气体在经过油气混合器作用后形成环状 的气液两 相流 ，从图1 油气分配器左端入 口流入，进入内锥 体环形腔 ，环形腔扩大了油膜在圆周方 向的分布 范 围，对油气环状流起到了整流作用 ，有利于油 气环状流从油气分配器的右端出口均匀分配。 入 口 ＼ [ 图1 油气分配器结构示意图 利用S 0LI DwORKS 软件建立 油气分配器流 体域模型 ，并在不影响结果的前提下作适 当的简 收稿日期2 0 1 3 -0 9 - 2 2 基金项目北京市属高等学校人才强教计划资助项 目 P HR 2 0 1 1 0 7 1 0 9 作者简ft ． 周正辉 1 9 8 8一 ，男，硕士生，研究方向为油气润滑关键技术及成套设备研发。 【 7 8 】 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 0 1 上 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参l 匐 似 化 。如 图2 所示 ，油气从环形腔进入无间隙导流槽 然后从六个 出口流 出，为 了避免油液随机分配的 不均匀 ，将油气分配器六个出 口间隔性地接到两 个 出口中，1 、3 、5 设置为直孔，接入出 口1 ；2 、 4 、6 设置为侧孔，接入 出口2 。将模型中导流槽设 计 为平面 、球 面和锥面 ，分 别对 应图2 中的 a 、 b 、 c 。 锥面 b c 图2 油气分配器 的流体域 模型 利用WO RKB E NC H分别对油气分配器流体域 模型划 分 网格 ，图3 为 油气分配器 流体域 网格模 型 ，它列举 了导流槽为平面 、球面 、锥面的网格 分布情况， 表1 给出了不同模型的网格数和 网格节点 数 。 图3 流体域 网格模型 表1 不同导流槽结构油气分配器流体域网格数与节点数 2 油气分配器的数学模型 在油气润滑 系统 中，气液两 相流 油液和气 体 是指油液在高速气体 的带动 下沿管壁散开 形 成一 层连续环状 的油膜，高速气体在管壁的中心 推动 油膜 向前移动 。本文将采用VOF 界 面线性插 值法 ，它适用于解决油气分配器 中多相不混合且 相互间滑移可以忽略的流体。 2 ． 1 控制方程 对于一个空 间位置 固定 的无穷小控制体 ，在 单位时间 内，根据质量守恒 定律 ，单位时间内流 出控制体的流体总质量等于控制体 内流体单位时 间的变化量 。由此可导出流体流动的质量方程 a P , d y I l a 、 即， 一O p 一a o u a ov 0 2 O t 8 x a y 8 z 式中，P 为流体密度，k g j m3 ；t 为时间；u，v， w 分别为x，Y ，Z 三个方向的速度，m／ s 。 P 仪 p 1 0 cp I 3 式 中，0 c 为含 气率 气体体积分数 ， P 气 体密度， P 油液密度。 将牛顿第二运动定律F ma 应用到流动模型 ， 作用于微团上力 体积力和表面力的总和 等于 微 团的质量乘以微 团运 动时的加速度 。于是得到 流体动量方程，即纳维一 斯托克斯方程。 v 一 望 O x 鲁 p 4 一 p 5 O t V p w 一 笔 鲁 yz p 6 式中， 为算子 ，在直角坐标 系中，V定义 为． 一一a a a 一 一 d V 1 1 ， 2 3 7 01 2 2 OV3 其 中， 1 ， 1 ， 1 ， 2， V 3 分别是坐标轴 ， 1 ， 2 ， V 3 的单 位矢 量 ；P 为流 体微 团上 的压强 ， p a； ／ ，‘， ，／ 分别为X ，Y ，z 三个方向的体积力， N； 为速度向量， Vu i v jw k； 表示作 用在垂直于i 轴平面上j 方 向的切应力，与流体微团 剪切变形的时间变化率有关。 考虑到精 度要 求和计 算时间，本文采用标准 kE模型 ，这就 需要求解其 湍动 能和耗散率 方 程。k一￡模型湍动能k与耗散率 ￡方程分别为 _ a p e v 晏 }f “ ] I G G b p 一 8 旦 旦 l f ] l C IE G Ig J- G 3 一 9 O t 出 l ＼ 0 e 出J k 式中，O “ k ， 分别是湍动能 k与耗散率 ￡的 普朗特数 ； 为平均速度梯度引起的湍动能产生 项； 为浮力影响引起的湍动能产生项； 为湍 流脉动膨胀对耗散 率的影响 ； ， 是用户定义 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 0 1 上 [ 7 9 1 舀一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 化 出口 1 油气入口 图4 油气 分配 器一分二 结构 示意 图 出 口 2 的源项；C l ，C 2 ， 为经验常数； o 是k与 E的函数 ．．一 p 1 0 卜 0 一 ￡ 式中，C f1． 为经验常数。 2 ． 2 分流系数 图4 为油气 分配器一 分二结 构示意 图 ，其 中 M。 ，M。 ，M 分别为油气分配器入 口，出口1 ，出 口2 的油液质量流量 ；N。 ，N。 ，N 分别为油气分配 器入 口，出口l ，出口2 的气体质量流量 。根据质 量守恒 ，单位时 间内油气分配器入 口的质量等于 出 口1 ，出口2 流出的总质量 。定义分流 系数 为出 口质量流量与入 口质量流量的比值，例如 出口1 的 液相分流系数为 九 1 1 ‘ M o M M 2 出口1 的气相分流系数为 九 瓮 同理 出口2 的液相分流系数为 M o 1 2 1 3 出口2 的气相分流 系数为 一 I V2 一 I V 2 1 4 Nn N、 N、 对 于 理 想 的 一 分 二 的 油 气 分 配 器 九 ， 0 ．5 ， 九 0 ． 5 ，因此当分流系数越接近于0 ．5 时 ，油气分配器的分配效果越好。 3 仿真与结果分析 按照上面建立的数学模型，在F L UE NT 的VO F 两相流模型 中，选择相应的求解方程 ，其 中气相 设 置 为 空 气 ， 密 度 为 1 ． 2 2 5 k g ／ m ， 黏 度 为 1 ． 7 8 9 4X1 0 _ k g ／ m S ～ ；液 相 为 4 6 号 抗 磨 液 压 油 ，密度为8 9 0 k g ／ m ，黏度为 O ． 0 5 8 k g／ I I 1 ． S ～， [ 8 o 1 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 - 0 1 I- 在 kE湍流模型 中，根据La u n d e r 等 的推荐值 ， 取C1 1 ． 4 4 ，C 2 1 ． 9 2，C3 0 ． 0 9，o 1 ． 0， 0 1 ． 3，Cu0 ． 0 9 。 3 ． 1导流槽底面形状对分流系数的影响 仿真时 间为0 ． 0 2 s 时 ，油气分配器分配界面 的 油膜分布 图如图5 所示 ，图5 a ，图5 b ，图5 c 分 别对应上 图2 中导流槽下 底面为平面 ，球面 ，锥 面三种情况 ，从 图中可以看到 ，导流槽底面结构 对于油气分配器分配界面油膜分配产 生一定 的影 响，导流槽为球面的油气分配器油液分配 效果明 显要好于导流槽底面为平面的分配效 果，其 中锥 面导流槽更利于油液在分配界面均 匀分配 ，因此 从 图中可 以观察到锥面导流槽油液分配 图的效果 最好，导流槽内的油液分布十分均匀。 疆 誊 l 蠢 薯 图5 分配界面油膜分布图 由于两个 出口的液相，气相分流 系数满足 九 ， 1 ， 九 】 九 2 1 ，因此 只需要分析各油气分配器 出口1 的分流系数，就可以反映出整个油气分配器 的分配 效果 。图6 、 图7 分别 给 出 了在 相 同条件 下 ，不 同导流槽油气分配 器的液相和气相分流 系 数随时间变化情况 ，从 图6 中发现导流槽底面为平 面 ，球面 ，锥面的三种 油气分配器 ，其液相分流 系数越来越接近0 ． 5 ，油液分配效果越来越好。气 相分流系数 相差不大 ，且都在0 ． 4 9 6 0 ． 5 0 6 之间， 分配均匀。表2 给出了液相和气相分流系数的均值 和方差 ，由表数据得 出三种油气分配器 液相和气 相分流 系数的方差依次减 小，说 明油气分配器保 持均匀分配的稳定性越来愈好 。 图6 油气分配 器出口1 液相分流系数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 骞 、l 匐 化 0 5 0 6 0 5 0 4 0 S 0 2 0 5 妊 0 49 8 求 0 4 9 6 0 49 4 0 00 5 0 0 1 0 01 5 0 0 2 时间m 油气分配 器出 口l 气相分流 系数 表2 九 n 和九 的平均值与方差 平面O ． 5 3 5 2 5 3 1 2 9 1 ．0 6 1 0 球面0 ．4 8 8 1 1 1 7 3 2 8 ．3 7 1 0 锥面0 ． 5 0 3 3 0 3 1 1 5 5 ．4 9 1 0 。 0 ． 4 9 8 9 3 6 41 1 7 1 ． 0 5 1 0 一 。 0 ．5 0 0 7 6 3 4 5 6 1 ． 2 6 1 0 0 ．4 9 9 2 8 6 5 2 2 9 ． 3 7 1 0 一 3 ．2 导流槽底面形状对流形的影响 图8 、图9 分 别截取 了油气分配 器导流槽 中截 面和出 口油膜分布图，从图中可以看出，导流槽 底面 为球 面和锥面时，油液分布 更加均 匀，导流 槽底面 的这种下 凹曲面，有利于一 定流速的油液 沿槽 的壁 面散开 ，容 易向下 出 口汇 集形成环状 的 油膜，而且相比较 图9 中出口流形 ，导流槽底面为 锥面时 ，油液在 由导流槽 向下 出口渗漏时 ，会形 成涡流 ，对于油膜的影 响更大 ，产生环状油膜的 效果更好。 ■量 j i 麓 黼■ ◎ ◇ 囝 a b c 图8 导流槽中截面油膜分布图 4 结论 本文基于气液 两相流的基本 理论 ，结合计算 两 簟} 量 a 】 b c 图9 出口油膜分 布图 流体动力学原理 ，利用F l u e n t 软件对不 同结构的油 气分配器 的分配性能进行研究 ，具体工作和结论 如下 在原 有的油气分配 器结构和理论 的基 础上 ， 设计 了一种新型的油气分配器结构 。 建 立 了改 进 后的 油 气分配 器 的CF D仿 真模 型 ，分别仿真 了导流槽底面为平面，球面，锥面 三种情况下的油气分配情况。 用油液 、气体 的分配 系数衡量油 气分配器 的 性能 ，得出在相 同的条件下，锥面导 流槽 油气分 配 器相对 于球面和平 面导流槽油气分配器油气分 配更加均匀，且油气分配稳定性更好 。 从 导流槽 中截面和 出口油膜分布可 以得 出， 导流槽底 面的结构对于 油气环状流 的成形 产生一 定 的影 响 ，锥面 、球 面 有利 于油 液形 成环 状油 膜，且锥面导流槽油膜效果更好。 参考文献 【 1 】杨 中和， 刘 厚飞 ． 气液 两相流 冷却 润 滑技 术～ 油气润 滑 【 J 】 ． 液压与气动， 2 0 0 4 4 7 7 7 9 ． 【 2 ]刘启祥． 油气润滑技术在连铸机上的应用[ J J ． 液压气动与 密封 ， 2 0 1 0 ， 3 0 1 5 2 5 4 ． 【 3 】吴建荣． 油气润滑系统在热轧平整机中的应用研究[ D】 ． 沈 I E I 东北大学， 2 0 0 6 1 - 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