油气润滑输送管内环状流的特性分析.pdf

由上述 的流 型转 变机 理可 知 ，气 液两 相界 面波 的 存 在 ．是 形 成 环 状 流 的 主要 原 因 。 3环状流的气液界面稳定性分 析 目前对气液界面 的稳 定性分析 ，主要采用 的是小 扰动 法 ．即对界面施 加小扰动 。下面对微 重力条件下环 状流 的 气液界面稳定性进行分析。 3 ． 1 环 状流 的动 力模 型 1 连续方程 对 液 相 昙 昙 o 1 对 气 相 昙 昙 o 2 式 中 A为截 面面积 ，m ；P为密度 ，k g m ；u为流 速 ，m． s ～；t为 时 间 ，s ； 为 流 动 方 向坐 标 ； 下 角 标 l为 液 相 ．g为气 相 。 2 动量守恒方程 对液相 ， 妄 4 丢 一 4 罢 一 p ,g4 sin P 3 对 气 相 ， 昙 ” m T iS t一 一 g A g sin p 4 将 3 4 e F 的压力项 消除 ，得如下 的两相 联合动 量 方 程 鲁 一 鲁 - g v -l 一 u s 5 一 一 。 其 中 ， 舟孕 n 式 中 T为 剪切应 力 ，N I 13 。 ；S为湿 周 ；P为压 力 ， MP a ； B为 管 道 与 水 平 面 夹 角 ；g为 重 力 加 速 度 ，m s - 2 ； 下 角标 i 为气液界面。 3 ． 2模 型的 线性 稳定性 分 析 由于界 面波 ，环状 流得以维持 ，气 液两相界 面的小扰 动使相 应的各个 变量 产生扰动值 ，因此可 以将其表 示为稳 态值与扰动值的和 f 啊 ’ { 6 l f 将式 6 代入式 1 、 2 、 5 中 ，得 t ’盟 o t 豢 4 O u ； 。 一 鲁 一 堕Ox 。 - g 等 鲁 一 警 吉 “ 一 研 究与 7 8 9 式中A仁 d A ／ d h l一 ，h 为内管液膜厚度，ll l m。 n ， 为考 察界面的稳定性 ，对界 面施加如 下的小扰动Ⅲ 假设 h 为无穷小量 ，则 h 的变化 引起 U g ，u 的线性变 化 ．即 1 O 式 中 h 为 参 数 h 的 小 扰 动 ； f 为 波 幅 ；K 为 波 频 率 ．H z 。将 式 1 0 代人式 7 ～ 9 中，同时忽 略二 阶及 高阶小量 ，进行线性 化处理 ，从 而得到界面 波色散方 程 a Ic - 2 a 2 ia 3 c a 4 0 1 1 其 中 q 鲁 砖 筹 妻 1 0A F 一 丢 ] 鲁 Ag “- 2 O AF 一 A g _ O 魄 AF 一 O A F ] 式 1 1 是一 复系数二次方 程 ，其解 为 C 一 [ 二 二 2 。 ’ 。 。。 ‘ 一 、‘ 一， a t 复波速 c c i c ， ，其 中 c ， 决定着界 面扰 动的情况。c ， 0 时 ，扰动增 大 ；c ， 0时 ，扰动衰减 ；c t 0时 ，气液两相 界 面 达 到 中 性 稳 定 。 3 ． 3气 液 界面 稳定 性 结果 分析 界面扰 动何 时增 长 、何时保 持 中性稳定 、何 时衰减 ， 可 用界 面波增 长因子 K 波数 与波速 虚部 的乘 积 来 表 』 t P l l l l 啊 示 。主要计 算参数为 水 平输送 管道内径 d 2 O m m，折算 气体速度 范围为 2 0 8 0 m／ s ，密度 p 1 ． 2 0 5 k g ／ m ，动力 粘度 产1 ． 8 0 8 1 0 P a s ，气 压 p 0 ． 4 M P a ；润滑油 的折算速 度 范 围 为 0 ．01 5 ～ 0 ． 2 5 0 m／ s ，密 度 p 1 8 6 0 k g ／ m ，动 力 粘 度 l 3 4 x 1 0 P a S ，油 压 p l 6 ． O MP a 。 图 2表示不 同折算液速对界 面波增长 因子 ． 的影 响， 其横坐标为无量 纲 K ／ D 。随 的增大 ，界 面波增长 因 子 增 大 ，当 0时 ， ，对 应 界 面 中性 波 ，其 波 长 为 ，此 时形成稳定 的界面波 。当 O ，界 面波不断成长乃至 引起 界 面或 流动 的不稳 定 。如图 2曲线 所示 ，当 为 0 ．0 4 ～ 0 ．0 6 m／ s 时 ， 厂 0 ，气液 两相界面达到预期的稳 定。 、 1 ． 2 0 ． 8 0 ． 4 0 一 O ． 4 0 0 ． 5 l 1 ． 5 2 图 2 不 同 液 相 折 算 速 度 对 界 面 波 增 长 因 子 的影 响 V 3 O m／ s 图 3表 示不 同气 相折算速度 对 界面波增长 因子的 影 响 ，随 着 的 增 大 ，界 面 波 增 长 因 子 增 大 ，最 快 成 长波的波 长 ⋯ 减 小 ，中性稳定 波 的波长 也 减小 。 当 3 0 m ／ s 时 ，K ． 0 ，气 液两相界面达到预期的稳定 。 0 O ． 5 l 1 ． 5 2 3 不 同气相折算速度对界面波增长因子的 影 响 V s 『 l一 0 ．0 6 m／ s 4环状流 的均 匀性分 析 针对水平管 中环状流受重 力的影响 ，液膜沿 周向分布 出现不对称性 ，即管子底部液膜较 厚 ，管子侧壁 面及 上壁 面液膜 较薄 ，文 献[ 5 ]采用 5组双平 行电导探 针测量 周 向 5个角度处的瞬态液膜厚度随时 间的变化 ，且 获得 平均 液膜厚度沿周 向的分布及其随气 、液相折算 速度 的变化特 性 ，如 图 4所示 。 0 4 5 9 0 1 3 5 1 8 0 0 ／。 a 折算液 速增大 0 4 5 9 0 1 3 5 1 8 0 0／ 。 b 折算气速降低 图 4 液 膜 平 均 厚 度 沿周 向 的分 布 规 律 液 膜 在 管 内 沿 周 向 的 分 布 具 有 沿 0 。 ～ 1 8 0 。 直 线 的对 称 性 ，为从管底到顶 的周 向角 。由图 4可 以看 出 ，随着折算 液速 的增大或折算气速的降低 ，重力作用更 明显地 影Ⅱ 向液 相在管周 内的分布 ，导致液相偏移 、管底 部的膜较厚 ；而 当折算液速越小而折算气速越大时 ，膜厚沿管 周向分布差 越小 ．液膜越同心 ，环状流在管道内分布得越均匀。 5结 论 1 通 过 不 同折 算 液 速 或折 算 气 速 对 界 面 波 增 长 因子 K 的影响曲线 ，获得了判断环状 流稳定 的准则 ，即在液相 折算 速度 为 0 ． 0 4 ～ 0 ． 0 6 n J s和气 相 折算 速 度为 一3 0 r r l ／ s 时 ． 无 限的趋 近于零 ，气液两相界面达到 预期 的稳定 ， 满足了滑动轴 承油气润 滑工况下 输送 管内环状流 的稳定性 要求 。 2 通过液膜平均厚度 沿周 向的分布规律 曲线 ，获得 了判断环状流均匀 的准则 ，即折 算液速越小 ，折算气速越 大 ，液膜沿管周向分布得越 均匀 ，从而达到滑动轴 承油气 润滑工况 下输送管 内环状流的均匀性要求。 参考文献 [ 1 ]曹夏 听，阎昌琪 ，孙立成．向上倾斜 管 内气～ 水两相流流 型 下 转 第 8 8页 ■ F 广 T ] J i 囊 嚣 囊 纛 基 j 3 2 1 誓 ≯ J 4 3 2 1 O 啪 0 交流 数码管提供 的简 单的代码符号与蜂 鸣器 的不同声音频率相 互配合来代表仪器 的不 同] 一 作状态 。这样的人机界面显然 是不能满足现代发展 的需要 。 T C 1 6 2 0 A是一 一种 1 6字 2行 的字符 型液 晶显示 模块 ． 经过合适的编程 ，可 以把仪器 的状态通 过文字直观表达 出 来 ，使得人 机界 面更加 友好 。T C 1 6 2 0 A的控制 指令共 l 1 条 ，其 中 9条是针对 命令 寄存器 I R 的，另外 2条 是针对 数据寄存器 D R的 。对显示模块 的控 制是通过多个 子程序 实 现的 查 看忙 碌信号 子程 序 、清 T C 1 6 2 0 A显示器 子程 序 、启动 T C 1 6 2 0 A子程序等。 3 ． 2触头 升 降机构 的改进 触头升降机构的核心部件是一个微 型电磁铁 ，通过对 电磁铁的通 、断电，实现触头的抬起 与放下 。 由于是在电磁铁和弹簧力 的作 用下实现升降功能 ，故 存在一些问题 测量机构和 电机电枢安装的 同心度误差会 导致触头移动到不 同位置时 ．触 头与换 向片的接触压力不 同 ，这将产生一定 的测量误差 ；触 头动作时 的冲击力不易 控制 ，减少触头 的使用寿命 ；一个 触头升降机构在机械上 不对称 ，不仅影 响步进 电机 的工作 特性 ，又降低 了测试 的 效 率 。机 械 装 置示 意 图见 图 3 。 针对 以上 的问题 ，采用微 型气 缸代替 电磁铁 ，气缸 上 安 装有磁性感应 开关 ，单 片机 通过检查磁性感应 开关 的状 态决定下一步 的动作 ，增加 了机构 的动作安全性 ；气缸 的 行程和速度都是可 以调整控制 的 ，可以实现稳定 的触头压 力 ，减少触头 的冲击力 ，提 高触头 的使 用寿命 ；在触头升 降机构 的反方 向增加一个触头 升降机构 ，改善 了步进 电机 的负载特性 ，显著提高了测量 的速度 。 显然可 见 ，通过机械装 置的改进 ，进行一个 电机 电枢 的测量任务时，步进 电机仅仅需 要转动半 圈，即转 1 8 0度 。 当然 ，在测量过程 中上下两个升 降触头的动作要交替进行 ， 不能够 同时下降进行 测量 。这可以在 电路控制 中应用互锁 电路来轻易实现。步进电机转动半圈就完成测 量的另一个 好处是 触失和气缸上的引线方式更加灵活和方便。 4总结 智能监试仪 的技 术革新和改进工作 ，解决 了该仪器存 在 的一些问题 ，使得测量的速度 、数据 的可靠性 、触头 的 寿命等性能指标得到 了提高 。同时预 留了和上位机的通信 6 7 8 1 2 3 4 5 1 ． 步进 电机2 ． 支撑板3 ． 下 V型块4 ． 气缸5 ． 电枢 6 ． 光电编码器7 ． 上 V型块8 ． 触头 图 3 机械装置示意图 接 口，为以后电机电枢测 量数 据的统一管理和处理 功能做 好 准备 。 本 智能测试仪 能更加 方便 、有效 、准确地检测船用 电 机 电枢参 数 ，实现 了测试 的 自动化 。降低 工人 的劳 动强 度 ，提高 电机 检修的质量管 理 ，能满 足技术进 步 的要求 ， 保证 了船舶的安全运 行。 参考文献 [ 1 ]唐剑 飞 ，桂永 胜．电机模 型 中的参 数设计[ J ]．船 电技术 ， 2 0 0 5 1 2 5 2 7 ． [ 2 ]李淑 好．步进电机核 步法闭环控制 原理[ J ]．机 电一体化 ， 2 0 0 1 3 4 2 - 4 4 ． [ 3 ]尚德 舜，李华德 ，张芳 ，等．异步 电机 多变量矢量控制 系统 [ J ]．中小型电机 ，2 0 0 5 ，3 2 1 2 5 2 7 ． [ 4]罗冰 洋，莫 易敏 。王 旺平．牵引 电机 电柩参数 自动捡测仪 机 械装置的设计 [ J ]．机 电工程技术 ，2 0 0 5 ，3 4 5 3 5 3 7 ． 作者简介 刘 丽贞 ，女 ，1 9 7 4年 生 ，广东增城 人 ，大学本科 ，讲 师 。研究领域 船舶 自动化控制。 编辑 王智圣 上接第 3 2页 转 变分析 [ J ]．核科学与X - 程 ，2 0 0 5 ，2 5 1 4 5 4 9 ． [ 2 ]C h e n W L ，T Wu M C，P a n c ． G a s l i q u i d t w o - p h a s e fl o w i n mi c r o c h a n n e l s[ J ]．I n t J Mu h i p h a s e F l o w，2 0 0 2，2 8 7 l 2 3 5 1 2 4 7 ． [ 3 ]胡志华 ，杨 燕华 ，周芳德．水平管 内气液两相环状 流形成机 理 实验研 究 [ J ]．上海 交通大 学学报 ，2 0 0 5 ，3 9 5 8 2 3 - 8 2 6 ． [ 4 ]郭烈锦．两相与 多相流动力学 [ M]．西安 西安 交通 大学出 版 社 ．2 0 o 2． [ 5 ]李卫东 ，李荣先 ，周 力行．水平 管内气液环状流液膜及扰 动 波特 性[ J ]．清华 大 学 学报自然科 学版 ，2 0 0 0，4 0 1 1 2 3 ～ 2 6 ． 第一作者简介 卢林高 ，男 ，1 9 8 4年生 ，湖北黄 冈人 ，硕士研究 生 。研究领域 先进制造装备及其 自动化。 编辑 向 飞