油气润滑气液两相环状流流动特性分析.pdf

2 0 1 2年 5月 第 3 7卷 第 5期 润滑与密封 L UBRI C AT I ON ENGI NEERI NG Ma v 2 0 1 2 Vo 1 ． 3 7 No ． 5 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 1 5 油气润滑气 液两相环状流流动特性分析 姚静孔祥东孟赵一艾超俞滨 燕 山大学机械工程学 院河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要建立油气润滑气液两相环状流的数学模型 ，通过 F l u e n t 仿 真 ，研究水平管 内环状流 的形成机制 以及油气流 速对其影响趋势。结果表明气液两相流型随气相速度的变化 ，从分层流向环状流和雾状流转变 ，其 中分层流 向环状流 的转变是附壁效应和气相涡旋流动的结果 ，环状流向雾状流的转变是气相撕裂油相形成 细小油滴 ，并均匀混合 的结果 ； 在一定范围内最短进 口长度和气速成正 比关 系。 关键词油气 润滑 ；环状流 ；流动特性 中图分类号 T H1 1 7 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 2 5 0 6 5 5 Re s e a r c h o n Fl o w Ch a r a c t e r i s t i c s o f Ai r ． o i l Two Pha s e Ann u l a r Fl o w f o r Oi l ． a i r Lu b r i c a t i o n Ya o J i n g Ko n g Xi a n g d o n g Me n g Zh a o y i Ai Ch a o Yu Bi n 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 ri n g ， Y a n s h a n U n i v e r s i t y ， Qi n h u a n g d a o He b e i 0 6 6 0 0 4， C h i n a Ab s t r a c t Th e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f a i r l i q u i d t wo p h a s e a n n u l a r flo w f o r t h e o i l a i r l u b ric a t i o n wa s e s t a b l i s h e d ． T h e f o r ma t i o n me c h a n i s m o f t h e a n n u l a r fl o w i n t h e h o riz o n t a l p i pe wa s s t u d i e d． a n d i t s i n fl u e n c e t r e n d o f t h e o i l a n d a i r ’ S v e - l o c i t y wa s r e s e a r c h e d t h r o u g h t h e F l u e n t s i mu l a t i o n． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e flo w p a t t e r n o f t h e a i r o i l t wo p h a s e c h a n g e s wi t h a i r v e l o c i t y， c h a n g i n g f r o m s t r a t i fie d fl o w t o a n n u l a r flo w， t h e n t o fog flo w． T h e t r a n s i t i o n fro m t h e s t r a t i fie d fl o w t o a n n u l a r fl o w i s d u e t o t h e wa l l a t t a c h me n t e f f e c t ， a n d t h e t r a n s f o rm a t i o n o f t h e a n n u l ar flo w t o t h e fog fl o w i s t h e r e s u l t o f t h e a i r p h a s e’ S t e a rin g t h e o i l p h a s e i n t o s ma l l d r o p l e t s， a n d i n u n i f o r m mi x i n g ． Th e r e l a t i o n s h i p i s p o s i t i v e c o r r e l a t i o n b e t we e n t h e s h o r t e s t l e n g t h o f t h e i n l e t a n d t h e a i r v e l o c i t y i n a c e r t a i n r a n g e ． Ke y wo r d s o i l a i r l u b ric a t i o n； a n n u l a r fl o w； fl o w c h a r a c t e r i s t i c 随着工业化程度的不断提高，工业机械设备的应 用范围和工作条件都有广泛的扩展 ，这样对设备的润 滑技术也提出更高的要求 ，油气润滑技术就是为满足 这一要求而发展起来的一门新兴润滑技术 。它不仅 能够实现连续定量均匀供油 ，而且还克服了传统润滑 方式 干油润 滑 、稀油 润滑 和油 雾润 滑 的 种种 不 足，具有明显的经济优势和较好的润滑效果。 油气润滑系统是利用具有一定 压力的压缩 空气 和 一 定数量 的润滑油在一定长度的管道 内混合 ，通 过压 缩空气带动润滑油沿管道 内壁不断流动 ，把油气流输 送到润滑点实 现润滑 。油气润滑系统适用于高速 、高 温 、重载等恶 劣工况 ，有如下优点 。 基 金项 目河 北 省 秦 皇 岛市 科 学 技术 研 究 与 发 展 计 划 2 0 1 1 0 1 A 1 4 7 ． 收稿 日期2 0 1 2一 O 1 1 3 作者简介姚静 1 9 7 8 一 ，女 ，工学博士 ，讲师 ，研究方向为 重型机械机电液控制及仿真技术 、新型元件研发 以及润滑技术 等．E m a i l j y a o y s u ． e d u ． c a ． 1 无 环境 污染 润 滑油 以液 滴状 被输 送 至润 滑点 ，不产生油雾 ，不会 对环境及人体产生危 害 ； 2 不 受 润 滑 油 黏 度 限 制 可 输 送 黏 度 高 达 7 5 0 0 mm ／ s的润滑油 ； 3 密封及 冷却效 果好 可在 润滑 点 腔 内形 成 正压 ，防止水或其他杂质侵入 ；空气 的流动可带走润 滑点腔内的热量 ，降低温度，可提高润滑点寿命3～ 6 倍 ； 4 润滑 油 消耗 量 少 约为 油 雾 润 滑 的 1 ／ 1 0 ， 干油润滑 的 1 ／ 1 0 0 ； 5 油气润滑系统 自动化程度高能够实现连 续、定量、均匀地向润滑点供油 ，可提高润滑点的使 用寿命 ，并且便于监控。 在油气润滑系统 中 ，润滑油和压缩空气经混合后 形成了气液两相流，该气液两相流体以环状流流型在 管道中流动，因此研究油气润滑系统 ，必须以气液两 相环状流为基础 。目前气液两相流流型的研究 主要集 中在石油开采、锅炉热交换等领域，对于油气润滑的 流型研究并不 多 。因此 ，基 于油气 润滑 的实际应 用 ， 润滑与密封 第 3 7卷 重点研究管道中形成及影响环状流流型的因素，具有 实 际意义 。 1 基础理论 气液两相环状流的简化模型见图 1 。与单相流相 比 ，气液两相流不仅变量多 ，而且变量 之间的关 系复 杂 ，但仍可运用流体力学 的基本方法建立两相流动的 计算关 系 j 。 图 1 环状流简化模型图 Fi g 1 An n u l a r f l o w s i mp l i fie d mo d e l 综合考虑应用于油气润滑的环状 流的实 际工作情 况 ，本文作 者把 气液 两相 流看 成分 开 的两 股流 体流 动，以分相流模型为基础进行分析，把气液两相流按 单相处理并计人相间作用 ，分别列写其质量守恒、动 量守恒和能量 守 恒三 大方 程 ，并作 如 下假 设 1 气液两相问无质量交换； 2 气体不可压缩； 3 不考虑管径沿轴向的变化； 4 把环状流视为充分 发展流 ，即液膜厚度沿径 向均匀分布。 1 ． 1 质量 守恒定律 液相 的连续性方程为 二 旦 二 0 f 1 、 d￡ 亡 lz 气相 的连续性方程为 20 f 2 a￡ d 将 两式相加 ，即得两相混合物的连续方程 p 【l 0 f 3 dt O z 式 中 P 为 液 相 密 度 ，k g ／ m ；P ” 为 气 相 密 度 ， k m ；P ．．为两相混合物密度，k m ； 为截面含气 率 ；A为管道 面积 ，m ；W 为液相 流速 ，m ／ s ； 为 气 相 流 速 ，n s ； G 为 两 相 混 合 物 质 量 流 速 ， k m s 。 1 ． 2动量 守恒定律 液相 的动量方程为 A 1 一 妥 。 P h T iP h 。 p g 1 一 a A s i n O 气相 的动量方程为 A r IP h。 p s in 鲁 p p 一6 mWi0 5 将两式相加 ，即得两相混合物的动量方程 警 1 a F P t小,l l“ l p ] p 。 gs i n a P 1一 0 式 中 7 ． 。 为液相 与管壁 的切应 力 ，N ／ m ； r 界面 的切应力 ，N ／ m ；P 为液相湿 周 ，m； 液界 面湿周 ，m；6 m为气 液相质量交换律 。 1 ． 3 能量 守恒定律 6 为气液 P 。为气 能量守恒方程在水冷 、锅炉等方 面极 其重要 ，但 因油气 润 滑 系 统 与外 界 热 量 交 换 很 少 ，可 忽 略 此 方程 。 2 F L U E N T仿 真模型 2 ． 1 网格 划 分 油气混合器结构图如图2所示。考虑进油口对仿 真计算 的影 响 ，建立 了气液相独立进入混合腔 的实际 模型，油管沿混合腔垂直方向进入，油气仿真几何模 型见 图 3 。仿真结构参数 进气管管 径 6 m m，长 3 m m；进油 管 管 径 4 m m，长 3 m m；油 气 管 管 径 6 m m，长 5 0 m m。本文 作者 采 用混 合 网格 ，在 油 气混合 区域采用非结构 四面体 网格 ，并且加密 ，其他 区域采用分块的结构化六面体网格 ，总的网格节点数 为 1 9 6 9 7 7 。 图2 油气混合器结构图 Fi g 2 Oi l a i r mi x e r s t r u c t u r e s k e t c h 图 3 油气混合器仿真模型 F i g 3 Oi l a i r mi x e r s i mu l a t i o n mo d e l 0 、 ， 一 l ／ L A p 、 一 【 ／L A p r L a一 2 0 1 2年第 5期 姚静等油气润滑气液两相环状流流动特性分析 6 9 3 2 1 目 g 0 一1 -2 3 3 ． 2 ． 1 0 1 2 3 Z／ mm 图8 气速为 1 0 m ／ s 时 ，出口剖面速度矢量图 F i g 8 Ex p o c r o s s s e c t i o n v e l o c i t y v e c t o g r a m wh e n a i r v e l o c i t y i S 1 0 m／s 3 ． 3最短进 口长度研究 基于上述环状流形成机制，油相在气相流动的带 动下 ，从分层流的较低位置上升并在管道 内壁顶部汇 合 ，是一个渐变的过程。从油气 开始混合到形成稳定 的环状 流 ，需要确定一个最短 的长度 ，一般称 为最短 进 口长度 。这 是实际工程应用 中确定油气混合器至润 滑点最短距离的主要依据。这一长度的确定，与油气 两相 的 速 度 以及 它 们 之 间 的 匹 配 密 切 相 关 。从 图 4 b 、 C 可以看出气速在 3 0 m ／ s 时，最短进 口长度为 1 5 m m；气速 在 5 0 m ／ s 时 ，最 短进 口长度 为 2 5 m m。 4结论 1 气 液两 相流 型随气 相速 度 的变化 ，从 分层 流 向环状流 、雾状 流转变 ；分层流 向环状流的转变是 附壁效应和气相涡旋流动的结果；环状流向雾状流的 转变是气相撕裂油相形成细小油滴 ，并均匀混合 的 结果 。 2 油相进 口速度为 5 0 m ／ s 时 ，形成 稳定环 状 流 的最佳气相进 口速度为 3 0 m ／ s 左 右。 3 在一定 范 围内最短 进 口长度 和气速 成正 比 关 系。 参考文献 【 1 】闫通海 ， 何立东． 气液两相 流体冷却 润滑技术 及其应用 [ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学出版社 ， 1 9 9 5 2 7 9 2 8 2 ． 【 2 】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 ， 2 8 1 1 0 7 1 1 0 ． 【 3 】杨和中， 刘厚飞． T U R B O L U B油气润滑技术 二 [ J ] ． 润滑 与密封 ， 2 0 0 3 ， 2 8 2 9 0 9 2 ． 【 4 】杨和中， 刘厚飞． T U R B O L U B油气润滑技术 三 [ J ] ． 润滑 与密封 ， 2 0 0 3 1 9 2 9 4 ． 【 5 】杨和中， 刘厚飞． T U R B O L U B油气润滑技术 五 [ J ] ． 润滑 与密封， 2 0 0 3 ， 2 8 5 9 2 9 5 ． 【 6 】C a s a g r a n d e I ， C r a v a r o l o L ， H a s s i d A ． R e s e a r c h e s o n a d i a b a t i c t w o p h a s e fl o w [ J ] ． E n e r g y N u c l e a r e ， 1 9 6 2 ， 9 1 4 8 1 5 9 ． 【 7 】K a w a h a r a A， C h u n g P M Y， K a w i M． I n v e s t i g a t i o n o f t w o p h a s e flo w p a t t e rn ， v o i d f r a c t i o n a n d p r e s s u r e d r o p i n a mi c r o c h a n n e l [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Mu h i p h a s e F l o w， 2 0 0 2 ， 2 8 1 41 1 1 4 3 4． 【 8 】朱红均 ， 林元华 ， 谢龙汉． F L U E N T流体分析及仿真实用教 程[ M] ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 1 0 3 6- 4 0 ． 中国机械工程学会第十届理事会编辑出版工作委员会第一次工作会议召开 2 0 1 2年 4月 1 6日下午 ，中国机械工程学会第十届 理事 会编辑出版工作委员会第一次会议在中国机械工程学会工 作总部召开。中国机械工程学会副理事长、编辑出版工作 委员会主任谭建荣 ，副主任黎明，副主任陈超志，委员王 田苗、王淑芹、尤政、李明哲、张柏春、陆辛、周佑启以 及工作委员会秘书出席会议。学会副理事长兼秘书长张彦 敏出席本次会议 。 编辑出版工作委员会主任谭建荣主持会议。张彦敏秘 书长首先对各位委员在百忙之中抽出时间参会表示感谢， 并介绍了制定学会 2 0 1 2 2 0 1 6年工作要点的背景及学会各 工作委员会的基本工作情况。随后 ，出席会议的委员们就 中国机械工程学会编辑 出版工作委员会工作条例 讨论 稿 和 中国机械工程学会第十届理事会编辑出版工作 委员会 2 0 1 2 2 0 1 6 工作要点 讨论稿 进行了深入 的讨论，并提出许多重要的建议和意见。 会上通过了 中国机械工程学会编辑出版工作委员会 工作条例 讨论稿 。对今后五年编辑出版工作委员会的 工作要点，全体到会委员一致认为要 以打造学会 品牌、 整合期刊资源、提供定制服务作为工作方向，充分发挥并 联合学会期刊资源，充分利用网络信息平台，为政府、行 业、高校以及广大科技工作者提供有特色的、个性化 的定 制服务。要以提升学会的学术影响力和社会影响力为目标， 着重提高编辑出版水平，加强学会期刊建设和科技图书策 划组织能力，进一步提升学会竞争力和社会服务能力。 会上委员们也表示 ，编辑出版工作是学会工作的重要 组成部分，是学会活力的体现，也是学会形象的外化。新 的五年里，大家共同努力，使编辑出版工作更上一层楼。