油气润滑管道环状流形成及影响因素研究.pdf

机械制造 曾宪文， 等 油气润滑管道环状流形成及影响因素研究 油气润 滑管道环状流形成及影响 因素研究 曾宪文， 孙启 国， 吕洪波 北方工 业大 学 机 电工程学院 ， 北京 1 00 1 摘要 建立 了油气润滑 系统 中内径为 6 IT I m的水 平管模型 ， 利 用 F L U E N T仿真 软件对 管 内油 气两相环状流进行 了数值模拟 ， 研 究分析 了油液速度 、 气体速度对环状 流质量的影 响。结果表 明， 气体速度是影响环状流质量的主要因素， 在油量一定时气体速度为 6 0 m ／ s ～8 0 m ／ s时形成 的环状 流品质较好 。 关键 词 润滑 系统 ； 油气润滑 ； F L U E N T ； 水平管 ； 环状流 中图分 类号 T HI 1 7 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 4 0 3 0 0 6 0 0 3 Re s e a r c h o n An nu l a r Fl o w Fo r mi n g i n Ga s 0 i l Lub r i c a t i o n Pi pe a nd Affe c t i ng Fa c t or s Z E N G X i a n ． w e n ， S U N Q i ． g u o ， L Y U H o n g b o C o l le g e o f Me c h a t r o n ic a l E n g i n e e r i n g， N o r t h Ch in a U n iv e r s it y o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 001 ， C h i n a Abs t r ac t An inn e r diame t er o f 6 mm h or i z o n t al p i p e mo d el in ga s o i l lub r i c a t i o n s y s t em i s e s t ab l is h e d．The two ph a s e a n nu a l f l o w wit h o i l a n d g a s is s imu l a t e d b y F LUENT． Th e i n f lue n c e o f O_ l an d g a s v elo c i ty on t he a nn u al f lo w i s s t u died ． Th e r e s ult s s ho w t h a t t h e q u a l it y o f t h e a n n u l a r f lo w i s ma i n ly a ff e c t e d b y t h e g a s v e l o c it y ，I t s q u a l it y i s b e t t e r wh e n t h e g a s v e loc ity is b e twe e n 6 0 m／ s a n d 8 0 m／ s wit h t h e qu a n t it a t iv e oil ． Ke ywo r ds l u br ica t ion s y s t e m ； g a s - o i l l u br ic at ion；FL UENT； h or i z o n t al t ub e； an n u al f l o w 0 引言 油气润滑作为一种新兴的环保、 节能型润滑技术， 能够 为在高速、 重载、 高温等环境下工作的装备提供精准、 连续、 稳 定的润滑⋯。油气润滑是将润滑油和气体在混合器中进行 混合后流动 ， 并在后部输送管路中发展成为环状流并进入分 配器。 到达润滑点进行润滑 。由于实现对输送油量的高精 度输送和高效率利用， 既满足了装备润滑的需求又不造成润 滑油过多浪费， 油气润滑正逐渐代替如油雾润滑等方式， 应 用日益广泛。从油气润滑原理上讲， 需要在管道中形成油气 两相状环流， 即要求低速流动油液在高速气体的作用下， 贴 近管壁以环状流连续流动无断续； 从装备润滑要求上看， 由 于对润滑油量的精确计算 ， 要求 每次供油都 能平稳 送油， 使 得单个润滑周期内， 装备不因缺油而造成发热和磨损， 也不 因油多而造成浪费 。因此将油气环状流的优劣用连续性、 均匀性、 平稳性三个指标评价， 即油气管道中油膜连续， 沿流 动方向各截面油液的含率波动小， 经过出口截面处油液质量 流量随时间波动性小。 本文以气液两相流理论为基础， 基于 F L U E N T仿真软 件， 考虑了重力对油气流动过程的影响， 对油气在混合器后 部水平输送管内环状流的形成发展进行了数值仿真， 分析了 气体速度和油液速度两个因素 对环状流稳定性的影响。 1 水 平管 内油气环 状流 仿真 模型 建立 l - 1 几何模 型 主要研究油液和气体在水平输送管内流动形成稳定 环状流的过程 ， 故忽略其上游混合器和下游分配器的结 构， 只对管道进行二维建模。实验室及现场生产 中， 混合 器后部管道直径为 D 2 m m- D1 8 mi ll 不等， 管长由现场装 备和油气润滑 系统安装距离决定 ， 但过小 的管长不 足以发 展 出环状流型 ， 管长一般最小为 0 ． 5 I l l ， 最长可达 1 00 m 。 为加快计算速度 ， 本文仿真中， 设定水平管内径选为最常 用 的 D 6 r f l r fl ， 管长 为 5 0 0 r n m。参 考 H u a w e i H a n等人 的建 模方式 ， 建立模型如图 1 所示， 其 中管道中心为气体人 口， 尺寸为 D 5 m m， 其余环状部分为油入口。 图 1 管道 几何模 型 1 - 2 理论方程 油气二相流动过程的数值仿真受物理守恒定律的支 配， 基本的守恒定律包括 质量守恒定律 、 动量守恒定律。 控制方程是这些守恒定律的数学描述 1 质量守恒方程 一 0 w 0 1 1 砂 式中， “ ， ， W为流体质点 ， _y和 方向的速度分量。 2 动量守恒方程 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 作者简介 曾宪文 1 9 8 7 - ，女 ， 山东济宁人 ， 硕 士研究 生， 主要从事油气润滑关键技术研究及成套设 备研发。 6 0 h t t p ffZ Z HD ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． o n E - m a i l Z Z H Dc h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械静 】 造与 自动化 机械制造 曾完文， 等 油气润滑管道环状流形成及影响因素研究 取每工况下各截面上的油含率， 得到三种油液速度下 ， 各 自截 面含 油率 在不 同气 体速度下沿管路方 向的波动 ， 如 图 6所示 。 由图 6 可以看出， 当油液速度一定时， 气体速度越大， 各截面的含油率就越低 ， 说明油膜就越薄， 这是由于入 口 油液总流量不变， 油液进入管道后在气体的携带下加速运 动， 气体速度越大油液铺展越快， 油膜厚度便逐渐变小。 当气体速度为 8 0 m ／ s 时， 平均油液厚度最小， 5 0组结果中 有多组含气率超过 9 5 ％， 尤其是油液速度较小时， 出现了 部分含油率接近为零的面， 表示对应截面处油液厚度极 小。提高气体速度再进行仿真实验， 可以看到壁面出现如 图4所示油膜较薄甚至断续的情况， 油气环状流的连续性 难以保证 ， 易 出现壁 面 “ 干燥 ” J 。油膜 的连 续性 就受 到 破坏。其他几组工况均没有出现含油率接近为零的情况 ， 说明这些条件下油液的连续性较好 。 当气体速度降为 2 0 m ／ s ， 随着油量的增加 ， 油膜厚度 增大， 轴向的波动性增大， 轴向均匀性降低。而当气体速 度继续减小， 则没有足够的能量带动润滑油 ， 则会 出现图 5所示 的油液积淀在管道底部 的情况， 而无法形成环 状流 。 当气体速度 4 0 m ／ s ～8 0 m ／ s时， 对 比图 6中 a 、 b 、 c 三图， 看到随着油量的增大截面含油率的平均数 值变化不大， 但是沿轴向的波动性变化也不是特别 明显。 说明气体速度在这个范围内时， 油量的小范围改变， 并不 会影响油膜的连续性和轴 向的均匀性 。 孚 0 褂 曩 寸 Ⅱ 恒 斑 孚 {j{ 卜 起 如 替 黑 卜Ⅱ 管道长／ m m a 】 油液速度为0 ．3 m／ s 管道长／ m m b 油液速度为0 ．5 m／ s 62 管道长／ mm r c 油液速度为 1 m ／ s 图 6 不 同工况下截面含油 率的波动 4 环状流稳定性分析 理想环状 流稳定 性的要求 是指 同一位 置处油 液 的质 量 流量保持 不变。本 文提取管道出 口处的质量流量 ， 研 究 其随时间的波动情况。 当油液速度 为 0 ． 3 m ／ s ， 0 ． 5 m ／ s ， 1 m ／ s时， 分 别取 气 体入口速度为 2 0 m／ s ， 3 0 m ／ s ， 4 0 m ／ s ，6 0 m ／ s ， 8 0 m ／ s 。 提取出口截面处油液质量流量。结果如 图 7 ， 图 8 ， 图 9 所示。 言 皿 删 咖{ 蜓 吲 蜂 珊 嶝 图 7 油液速度 0 ． 3 m／ s 油液流量 图 8 油液速度为 0 ． 5 m／ s 油液流量 图 9 油液速度为 1 m／ s 油液流量 4 ． 1 气体入口速度对环状流稳定性的影响 通过比较图7 ， 图 8 ， 图 9 可得， 当油液速度不变时， 气体 入 口速度为 2 0 m ／ s ， 通过出口处的油液的质量流量较小 ， 但 下转第 7 1页 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自 动化 l 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O O O O O 0 0 0 O O 机械制造 陆泽显 单缸 油压机预 泄荷 系统存在 问题及 改进 方法 4 增加缓冲回路； 5 采用 Y B 3 2 --2 0 0型液压压力机液压 系统 的预泄荷 回路。 参考文献 [ 1 ]成大先． 机 械设 计手册 第 5版 [ M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 1 9 9 2 ． [ 2 ]成大先． 液压传动手册[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 7 ． [ 3 ]雷天觉． 液压工程手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 4 ] 王积伟． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 5 ]李德新． 液压 系统 的故 障诊断与维修技术手册 [ M] ． 中国工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 侯会喜． 液压传动与气动技术[ M] ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 08 1 2 9 1 3 0． [ 7 ]李鄂 民． 液压 与气压传 动 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 1 3 2 一 】 3 4 ． 收稿 日期 2 0 1 30 1 2 5 上接第 5 9页 图 2 可调节 结构式桥板 角度调节完后， 旋紧固定螺钉， 就得到了一个所需要 的 桥板了， 将其像安装车刀一样 ， 安装在机床刀盘上即可 使用。 无论机床床身倾斜角度是多少， 拖板导轨间距如何变 化 ， 可调节式校床身水平桥板都能适合使用， 且使用可靠、 方便 。 2 结语 设计了一种角度可调的校床身水平桥板， 不仅解决了 角度的可调性 ， 而且使整个校床身水平桥板整体具有通用 性。特别是改变了过去整体式设计的粗大和笨重， 使其结 构更加轻便、 灵巧、 方便、 实用， 深受使用者欢迎 ， 特别是需 要到机床客户厂安装调试时更是如此。同时节约了大量 机床制造安装中的工装制造成本。 收稿 日期 2 0 1 30 32 9 上接第6 2页 是波动相对较小这是因为气体对油液的携带能力不足 ； 速 度为 3 0m ／ s ～ 加 m ／ s 时， 波动较大如图 8和图 9所示 ， 这 是重力和气体的剪切力的共同影响， 使管道中出现大的油 滴造成 的； 随着气 体速度 的进一 步增加 到 6 0 m／ s到 8 Om／ s 时， 出口油量的波动反而有所降低， 这是因为气体 速度较大能够使油液贴合在壁面， 不易出现油滴进入管道 中心的现象。由此可得结论 当油液人口速度一定时， 增 大气体人口速度可以提高油液输送稳定性。 4 ． 2 油液入 口速度对环状流稳定性 的影响 当气体速度一定时， 增加油液人口速度有助于促进油 液流动稳定性， 尤其是在气体速度较高时， 增加油的量 ， 油 膜厚度增加 ， 油液间的相互吸附作用增强， 有助于保持油 膜的连续性。结合流动均匀性及连续性的分析结果， 气体 出口速度在 6 0 m ／ s 一 8 0 m ／ s ， 油液流量稳定性较好。 5 结论 布， 确 定 了可以形 成较好 环状 流的气 体速 度范 围是 2 0m ／s 一8 0m／ s 。 2 在气体速度较低时， 油液量的变化对环状流的影 响较小。而当油量一定时， 气体速度在 6 0 n s 一 8 0 m ／ s 时 的较好。 参考文献 [ 1 ]张剑，金映丽 ，马先 贵， 等． 现代润滑技术 [ M] ． 北京 冶金工 业 出版社 ． 2 0 0 8 2 5 4 -2 6 0 ． [ 2 ]阎通海 ， 何立 东． 气液两相流体冷却润滑技术及应用 [ M] ． 哈 尔滨哈尔滨工程大学出版社 ，1 9 9 5 ． [ 3 ]杨 中和 ， 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 8 1 1 0 ． [ 4 ]李志宏． 油气润滑水平管内环状流流动特性研究[ D] ． 北京 北方工业 大学 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ]H u a w e i H a n ， Ka m i e l G a b ri e 1 ． A N u m b e r i e a l S t u d y o f E n t r a i n me n t Me c h a n i s m i n A x i s y mme t r i c An n u l a r Ga s L i q u i d Fl o w． J o u r a n l o f F l u i d s En g i n e e rin g，2 0 0 7，1 2 92 9 3 3 0 1 ． 1 通过观察各工况下的油气两相流在管道 中的分 收稿日期 201 3 0 4 2 3 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o m a t i o n ， J ． n 2 0 1 4 ， 4 3 3 6 9 -7 1 7 1