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油气润滑环状流在突缩管内的流动特性研究 * 王摇 莹, 孙启国, 耿亚萌, 陈东旭 北方工业大学 机电工程学院, 北京摇 100144 摘摇 要基于 Fluent 仿真软件,并定义了一种突缩系数,对不同气速和不同突缩系数下的油气润滑中油气两相环状流 流经突缩管的流动过程进行仿真。 通过仿真计算得到了突缩管内的油膜分布图,压降曲线以及速度分布图。 关键词油气润滑 环状流 突缩管 缩脉 中图分类号TH137. 522摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201405-0179-03 Research on Flow Characteristics of the Annular Flow in Sudden Contraction of Oil-air Lubrication System WANG摇 Ying, SUN Qi-guo, GENG Ya-meng, CHEN Dong-xu College of Mechanical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China Abstract Processes of the two-phase annular flow in the oil-air lubrication system through the sudden contractions in differ鄄 ent velocities of air and different coefficients of sudden contraction have been simulated in this paper in order to study the flow characteristics of the annular flow. The distribution of the oil film, the curve of the pressure drop and the distribution of veloci鄄 ty are obtained by simulation. Key words oil-air lubrication; annular flow; sudden contraction; vena contracta 0摇 引摇 言 油气润滑作为一种新型的润滑方式被广泛的应 用于工业中,其工作原理是将润滑油由压缩空气带动 在管道中形成环状流,最终气液两相以环状流的形态 作用在润滑点上。 对于油气润滑系统而言,管道内稳 定的环状流是保证润滑效果的关键,因此在流动过程 中环状流的特性研究就变得尤为重要[1]。 突缩管是 在工程实践中被广泛应用的一种管件,因此对油气两 相环状流流经突缩管时的特性进行研究十分必要。 近年来,国内外学者对油气环状流的流动特性也 进行了深入的研究。 李志宏[2]研究了环状流在水平 管中的形成过程与流动特性;汪雄狮[3]研究了环状 流通过突扩管时的流动特性;Miguel Padilla[4]等人研 究了特定型号的突缩管内两相流的流动特性;Ing Youn Chen [5]等人研究了两相流通过突缩管道的流 动特点,但他选取了由矩形管道到圆形管道的突缩管 件,不具有普遍适用性。 笔者利用 Fluent 仿真软件对油气环状流流经突 缩管进行了仿真计算,研究两相流流经突缩管的流动 特性,分析了两相流中的缩脉现象,并改变突缩管结 构与气相速度,分析总结出两相流流经突缩管的规律 性结论,具有普遍适用性。 1摇 仿真模型的建立 油气润滑过程中油气两相流通过突缩的情况如 图 1 所示,D1为突缩管前段管径,D2为突缩后段管 径,油气润滑过程中油和气两相呈环状流状态输运, 设定液相半径为 d。 为了更好地体现突缩管的结构 特征,笔者定义了一种突缩系数 C,单位为 mm,则 C D1伊 D1 D2 式中D1分别取 8 mm、10 mm、12 mm、16 mm、18 mm、 20 mm,D2固定为 6 mm[6],则突缩系数 C 取值分别为 10. 7 mm、16. 7 mm、24. 0 mm、42. 7 mm、54. 0 mm、66. 7 mm。 图 1摇 气液两相环状流下的突缩管模型 摇 摇 通过 Gambit 建立仿真模型见图 2。 图 2摇 突缩管模型及网格划分 971 机械研究与应用2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 经验交流 *收稿日期2014-09-09 基金项目北京市属高等学校人才强教计划资助项目编号PHR201107109 作者简介王摇 莹1988-,女,内蒙古通辽人,硕士,研究方向油气润滑关键技术及成套设备研发。 摇 摇 突缩前段长为 30 mm,突缩后段长为 100 mm。 仿真设定为速度入口,压力出口。 液相入口速度设定 为3 cm/ s,气相入口速度分别设定为50 m/ s,60 m/ s, 70 m/ s,80 m/ s[7]。 壁面无滑动,气相与液相的接触 角为 30o,重力方向为-Y 方向,为 9. 81 kg/ m2。 具体 仿真设置如表 1。 表 1摇 仿真设定 流动形式Unsteady 湍流模型K-epsilon 模型 多相流模型VOF界面跟踪 残差设置0.001收敛条件 迭代步长0.000 001 仿真介质空气air润滑油23 号液压油 2摇 仿真结果与分析 2. 1摇 油膜分布 当 C10. 7 mm 时,即 D1取 8 mm 时,气速分别 选取50 m/ s,60 m/ s,70 m/ s,80 m/ s,截取突缩管 X 0 截面,得到突缩管内油膜分布图如图 3 所示。 图 3摇 不同气速下的油膜分布 摇 摇 由图 3 可看出,随着气速的增加,突缩截面对于 环状流的影响越明显。 气速在 50 m/ s、60 m/ s 时,在 经过突缩面后环状流仍保持稳定,仍可在上下壁面形 成均匀连续的油膜。 当气速达到 70 m/ s、80 m/ s 时, 环状流在经历突缩截面后,油膜产生较大波动,在管 中存在液滴夹带,且管道上、下壁面的油膜厚度有明 显差别。 因此可知,以低气速通过突缩管更有利于油 气两相流的稳定传输。 摇 摇 图 4 表示不同突缩管内油气环状流的油膜分布 图。 在突缩截面的前段,随着突缩系数 C 的增加,油 气环状流液相在突缩截面的堆积现象越明显;在突缩 截面后段,随着 C 的增加,油气环状流被破坏的程度 逐渐增加。 对于 C10. 7 mm 和 C16. 7 mm 环状流 经过突缩截面后,在管道的上下壁面出现不同程度的 油膜的波动,但油膜分布相对均匀,未出现明显的油 膜断裂现象。 对于 C 24. 0 mm 和 C 42. 7 mm 来 说,环状流在经过突缩截面后,管道内出现明显的液 滴夹带现象,油膜厚度明显减小且波动性增加,局部 出现油膜断裂的现象。 对于 C54. 0 mm 和 C66. 7 mm,在突缩截面前段,出现明显的液相堆积,液膜厚 度剧增,在经过突缩截面后,油膜分布呈不连续状态, 且管道上表面油膜分布明显多于下表面。 因此可知, 突缩系数越小,越有利于环状流输运。 图 4摇 不同突缩管内的油膜分布 摇 摇 由图 3、4 可看出,油气环状流通过突缩面后出现 缩脉的现象,由于环状流的流动特性,液相在管道壁 面流动,因此缩脉主要是由气相主导。 随着气速和突 缩系数 C 的增加,缩脉出现的位置距离突缩面逐渐 增加,缩脉面积逐渐减小,经过缩脉后的扩大趋势越 明显,缩脉现象对两相流的破坏程度增加,并伴随着 液滴的堆积,在突缩系数达到 54. 0 mm 时,突缩管后 段无法形成稳定环状流。 2. 2摇 压力分析 突缩管内压力是维持环状流稳定的关键性因素, 突缩截面会增加环状流在管道内运输的压力损失。 对于缩脉现象来说,压降的大小与缩脉处面积的大小 有直接关系,压降越大则脉缩处的面积越小。 改变气 速并提取突缩截面前后压力降,得到管内压降与气速 的关系图,如图 5 所示。 由图可看出,随着气速的增 加,压降从 5 000 16 000 Pascal 逐渐增加。 气速在 60 m/ s 以内,压降与气速呈线性关系,趋势缓慢;当 气速大于 60 m/ s 时,可近似看成压降与气速呈线性 关系,且比例系数增大。 摇 摇突缩管内压降与突缩系数 C 关系曲线,如图 6 所示。 随着 C 增大,压降从 100 000 400 000 Pascal 呈上升趋势。 C 在 16. 7 mm 以内,压降增加缓慢;当 C 在16. 7 54. 0 mm 范围里,压降随着突缩系数的增 加而缓慢增加,相对平稳;当 C 大于 54. 0 mm 时,压 降随突缩系数的增加陡然增加,此时突缩管结构对压 降产生了较大影响,在实际应用中应适当的给与考 081 经验交流摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期机械研究与应用 虑,不可忽略。 图 5摇 压降与气速关系曲线 图 6摇 压降与突缩系数关系曲线 2. 3摇 速度分析 管内两相的速度是判定两相流处于何种状态的 重要依据,对于缩脉现象来说,缩脉出现的位置,即为 速度达到最大值的位置。 不同气速条件下的突缩管 内的速度分布如图 7 所示,由图可看出,随着气速的 增加,管内速度数值整体增加;在突缩管前段,速度减 小幅度增加;通过突缩截面后,由于惯性存在,速度存 在先减小再增大的过程,此过程发生位置称为速度缓 冲区。 随着气速增加,在突缩管后段,速度的缓冲区 逐渐增加,管内最大速度出现的位置距离突缩面的距 离逐渐增加,且速度的增长幅度增加,导致局部产生 两相流的扰动,对于两相环状流的输运产生干扰。 图 7摇 不同气速下的突缩管内速度分布 摇 摇 不同突缩管内的速度分布如图 8 所示。 由图可 看出,随着突缩系数 C 的增加,突缩管前段速度减小 幅度增加,因此就造成在突缩系数 C 较大时的液相 堆积;在突缩管后段,管内速度数值增加,且增大幅度 随着突缩系数 C 的增加而增加,且最大速度出现的 位置距突缩截面的距离逐渐增大,即脉缩的位置与突 缩截面的距离逐渐增加。 由图 7、8 可看出,速度在突缩管前段逐渐减小, 随着气速和突缩系数的增加,两相流速度减小幅度增 大,因此易出现液相的堆积;在突缩管后段,通过突缩 截面后的速度缓冲区域随气速和突缩系数的增加而增 加,导致最大速度位置后移,速度大幅增加,且在管道 内对环状流的形成产生干扰,不利于环状流的输运。 图 8摇 不同突缩管内的速度分布 3摇 结摇 论 基于 Fluent 软件,对油气润滑中油气两相环状流 流经突缩管的过程进行仿真,并定义了一种突缩系 数,研究环状流在突缩管内的流动特性。 通过仿真得 到突缩管内的油膜,压降及速度分布图,讨论了两相 环状流通过突缩管所产生的缩脉现象,得出结论 1 两相环状流通过突缩管突缩截面时发生缩 脉现象,且随着气速的增加和突缩系数 C 的增加,缩 脉出现位置距离突缩截面越来越远,缩脉面积逐渐减 下转第 184 页 181 机械研究与应用2014 年第 5 期 第 27 卷,总第 133 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 经验交流