油气润滑系统中弯管内油气两相流数值仿真.pdf

机械研究 与应用 2 0 1 3 年 第4 期 第2 6 卷， 总 第1 2 6 期 应用与试验 油气润滑系统中弯管 内油气两相流数值仿真 曾宪文 ， 孙启 国， 吕洪波 北方工业大学 机 电工程学院 ， 北京1 0 0 1 4 4 摘要 基于 F L U E N T对油气润滑系统中常见的竖直向下弯管的油气两相流场进行了仿真。通过分析弯管处流场的 特性， 研 究了弯管对油气两相流的影响。结果表明 弯管对油气两相环状流有破坏作用， 且这种影响会需要到达直管 一 定距 离后才会消失。 关键词 油气润滑； F L U E N T ； 弯管； 油气两相流 中图分类号 T H1 1 7 ． 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 4 1 4 2 0 1 3 0 4 - 0 0 7 7 - 0 3 Num e r i c a l Si m ul a t i O n 0 f oi l a i r Two pha s e Fl o w i n El bo w o f t he 0i l ～Ai r Lubr i c at i o n Sy s t e m Z E N G X i a n - w e n ， S U N Q i - g u o ， L V H o n g - b o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e r i n g 1 0 0 1 4 4， C h i n a Ab s t r a c t O i l - a i r t w o -p h a s e fl o w i n e l b o w o f t h e o i l -a i r l u b r i c a t i o n s y s t e m i s s i mu l a t e d b a s e d O I 1 F L UEN T．T h e e l b o w r e fl e c t s 0 n o i l - a i r t w o - p h a s e f l o w i s r e s e a r c h e d t h r o u g h s t u d y i n g t h e f l o w fi e l d c h a r a c t e ris t i c ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t o i l a i r a n n n l a r fl o w wi l l n o t b e d i s r u p t e d b y e l b o w u n t i l o i l a i r f l o w r e a c h t o a c e r t a i n l e n g t h o f s t r a i g h t p i p e ． Ke y wo r d s o i l a i r l u b r i c a t i o n；F L UE NT；e l b o w；o i l - a i r t wo - p h a s e f l o w 1 引 言 油气润滑作为一种先进的润滑技术 ， 正被越来越 多的应用到工业 生产 的各个领域。油气润滑实现高 效润滑关键技术之一就是要求润滑油能够精细 、 稳定 地到达润滑点⋯ ， 这就要求油气润滑 系统管路 中的 油气两相环状流能够保持一定的稳 定性 。生产实 际中针对不同的工况 ， 油气润滑系统的布置是非常复 杂 的， 油气混合设备 的安装位置受到场地区域 、 待润 滑设备的结构形状等 的限制及 润滑设备 同时存在多 个润滑点 ， 这些 因素决定了油气输送管布置形式必然 是多种多样。而弯管是其中最常见的一种形式， 弯管 对油气两相环状流的影响是环状 流出现不稳定的一 个重要原因 ， 因此对混合器出 口处布置弯管部分研究 意义。 管路结构形式对于两相流的影响， 也有大量的研 究 。有些学者对油气两相流流过弯管 的局部特性进 行 了理论和实验研究 ， 提出了新的计算弯管压力损失 的计算公式 “ 。随着计算机水平提高 ， 丁珏等 人 采用数值模拟 的方法 ， 对 9 0 。 方截面弯管的流动特性 进行 了研究 ， 为管 内流体 的研究提供 了一种新 的方 法。高忠信、 邓杰等 采用了数值仿真的方法， 研究 了 1 8 0 。 圆弯管内的气液两相流的流体特性， 数值计 算结果和实验结果 吻合 ， 证 明了数值方法的正确性 。 以上研究针对油气润滑其油液较少的情况研究较少。 笔者将对竖直 向下弯曲管路 ， 利用 F L U E N T建立 三维模型， 对弯管部分油气两相流场进行分析 ， 得到 其速度场及压力场 的分 布， 并分析 出 口处 的平均压 力 、 速度值及润滑油流量的波动来研究弯管对油气润 滑效果的影响。 2 仿真模型 的建 立 其仿真模型如图 1所示 ， 前半部分为油气混合腔 体 ， 混合 管 直径 为 1 0 m m， 水平 直管 段 长度 为 4 0 0 m m， 竖 直 向下部 分 长为 1 0 0 m m， 弯 曲半径 为 7 ． 5 m m。对弯管部分划分网格如图 2所示。采用结构化 的四面体 网格 ， 为了获得油液沿壁面的分布特性 ， 对 壁面采取边界层。 图 1 竖直 向下的弯管 图2 弯管网格模型 为便于后面的分析描述 ， 对弯管部分横截面所处 位置做出如图 3所示定义转角O ／， 顺时针方向为正。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 8 基金项目 北京市属高等学校人才强教计划资助项 目 P H R 2 0 1 1 0 7 1 0 9 作者简介 曾宪文 1 9 8 7 一 ， 女， 山东济宁人， 硕士， 研究方向 油气润滑设备关键技术及其成套设备研发。 7 7 应用与试验 2 0 1 3 年 第4 期 第2 6 卷 ， 总 第1 2 6 期 杌械研究与应用 图 3 弯管截面的示意图 外凸面 3 仿 真条 件设 置 把图 2所示的网格文件导人 F L U E N T仿真软件 中。仿真环境及初始条件设置如下 1 仿真环境的设置 笔者不考虑 能量的交换 过程 ， 因此将不选择能量方程 ， 根据实际情况 ， 设置工 作环境为 1 标准大气压 ， 且考虑重力 的影响设置为一 9． 81 N／k g 。 2 材料特性设置空气密度为 1 ． 2 2 5 k g ／ IT I ， 动力粘度为 1 ． 7 8 9 1 0 k g ／ m s ； 油选择 V G 4 6号 液压油， 其密度为 8 9 0 k g ／ IT I ， 0 ． 0 5 8 k g ／ m S 。 3 壁面设置考虑近壁面油气流动情况 ， 采用 加强壁面设置 ； 为追踪气液界 面瞬态变化 ， 选择几何 重构法以便获得精确界面变化。 4 相设置 由于油气润滑是大量气体携带少 量油实现润滑的， 因此设定气体为第一相 ， 油为第二 相 ， 表面张力设置为 0 ． 0 2 7 3 N ／ m。 5 初始边界设置根据实际生产中， 设置油入 口、 气体人 口均为速度人 口， 出口为压力出口， 油气的 接触角为 3 0 。 。 6 设定气体 为第一相 ， 油为第 二相 ， 设置流场 区域内第二相初始体积含量为 0 。 7 气体入口速度为 8 0 m／ s 。 8 油的人 口速度为 2 m ／ s 。 9 出 口压力 为 1 0 1 3 2 5 P a ； 重力设置为一 9 ． 8 1 N ／ k g ， 时间步长设置为 1 x l 0 s 。 4 仿真 结果分析 4 ． 1 管道中油气分布 图4为管道外壁油气分布图， 其 中红色部分代表 油液 ， 蓝色部分代表气体。可看到油气混合腔体出口 及弯管部分油气 出现了不连续 的地方。取其在转弯 处 Z 0平面油气两相分布情况， 如图 5所示 。 l l鞫 - _ 图4 管道外壁面油气两相分布 由图 5可看到 ， 从水平方 向到进入弯管时 ， 管道 7 8 外壁油膜几乎消失。在竖直 向下管道 ， 由于重力的作 用 ， 出现向下流动的油液波浪， 挤压气体通道 ， 造成压 力损失。提取进入弯道 O ／ o 截面和进入竖直管道 O ／ 9 0 。 两个截面上含油率和压力值如表 1 所示。 图5 弯管横截面油气分布图 I ‘ i 酒 表 1 弯管入 口出口截面上含油率 与压力值 由表 1可以看到， 进入弯管时含油率小于离开弯 管时含油率 ， 这与图 5所示 中油气 分布情 况刚好 吻 合 ， 由于在进人弯管段时， 油膜受到破坏 ， 在流出弯管 重新形成油膜时受到重力作用会出现某一位置油液 过分集中的现象。O Z 0 。截面压力值 比 9 0 。 截面 离开弯管的截面压力值 高出 7 6 5 7 ． 4 6 P a ， 这是 由于 弯管部分的压力损失造成的。 4 ． 2 弯管纵截面速度和压力分布 图 6为管道 z 0的对称面上的速度分布 图， 弯 管部分处速度变化较大 。内凹壁面附近流速大于外 凸面， 造成此现象的主要原因是由于在进入弯管后流 动过程中， 流体 由于 曲线运动而产 生离心作用 ， 导致 流体被挤压到外壁面， 凸边 出现扩散效应 ， 内凹面形 成加速通道。 而压力的变化则与此相反 ， 图 7为管道 Z 0的 对称面上的压力分布图 ， 弯管在内径沿方向的压力梯 度相对于水平管道较大 ， 内凹边的壁面区域的压力值 小于外凸边。从而引起流体从直管段到弯管段过渡 时外面的压力增大 ， 内壁面的压力较小。竖直直管部 分的压力值明显的比水平直管段的压力值小 ， 存在较 大的压力损失 ， 这都是 由油气两相间 、 油和管壁间黏 性摩擦压力损失及局部压力损失造成的。 lll ] 图 6 速度分布图 图 7 压力分 布 4 ． 3 弯管横截面速度流线 流体在弯管中流动时 ， 在流体黏度和离心力的影 响下产生压差 ， 导致在横截面上产生二次流。二次流 机械 研究与应 用 2 0 1 3 年 第4 期 第2 6 卷， 总 第1 2 6 期 应用与试验 n u “叫u 一 10 q一，u u 图 8 竖直向下弯管不同截面处的速度流向图 根据提取 图形过程可知 图形的上部为外凸边 ， 下 部对应内凹壁面。在 0 。 处流体径 向速度 指向 内 凹壁面 ， 这是 由于此面径向压力梯度较大引起的。到 达弯管后 ， 流体黏性和惯性开始作用 ， 从 仪1 5 。 处开 始形成二次流 ， 由于 中部气体轴 向主流 的惯性作用， 不能马上形成完整 的漩涡 ， 但二次流体带动内部的低 速流体 ， 不断发展逐 步出现漩涡 ， 到 9 0 。 可看到在 靠近内壁处出现明显的漩 涡。随着流体继续沿直管 流动 ， 其二次流逐渐消失 ， 到达 Y 一 2 0 ， 涡流基本消 失 ， 说明弯管的作用沿直管方 向逐渐减弱， 直至消失 。 5 结论 笔者对竖直向下的9 0 。 弯管系统， 进行了数值仿 真 ， 分析了弯管处 的油气分布 、 压力分布及速度变化 情况 ， 得到主要结论如下 1 通过分析弯管处的油气分布图， 可以看到弯 管对油气两相环状流流型有破坏作用 ， 导致经过弯道 以后的， 外凸面的油膜较薄。 2 通过分析弯管纵截面的速度压力分布 ， 可看 到由于受到弯管 曲率及流体惯性 的影响 ， 弯管径 向的 速度和压力梯度 比直管大 ， 内凹面的压力值较小 ， 速 度值较大 ， 外凸面与之相反。这将导致流体在周 向形 成二次流 ， 而出现环状流不稳定的现象。由横向截面 的速度分图 ， 可 以看到弯管造成的扰动在进入水平直 管后并不能迅速消失 ， 而要在进入直管一段时间后才 能够重新恢复。因此对于后面接油气分配器的系统 ， 如若需要用到弯管， 要尽量的靠近混合器出口， 以便 有足够的空间来 消除弯管的影响。 3 以上研究结论为油气混合系统管路设计提 供参考。 参考文献 l 1 ] 杨和 中，刘厚飞 T U R B O L U B油气 润滑技术 一 [ J ] ．润滑与 密封 ， 2 0 0 3 1 1 0 7 - 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