油气润滑环状流在圆弧型三通管中的分配特性

2016-01-08 06:29:58孙启国,陈超洲,汪雄师等

机械研究与应用 2015年1期

油气润滑环状流在圆弧型三通管中的分配特性*

孙启国，陈超洲*，汪雄师，陈东旭

(北方工业大学机械与材料工程学院，北京100144)

摘要：运用FLUENT仿真软件对改进的三通管道进行了数值模拟，得出了管中流场的压力场和速度场的分布图，研究了油气润滑环状流在圆弧型三通管中的分配特性，并通过数值计算验证了设计的合理性，有效的避免康达效应对油气环状流分配的影响。结果表明：与T型三通管道相比，圆弧型三通管道的气液相分流系数较为稳定，接近于理想值，对油液的分配更为均匀，稳定性更好。此外，圆弧型三通管道更有利于油气环状流的均匀分配，可有效优化流场，该结果将为油气润滑系统中管路结构设计与加工提供科学依据。

关键词：油气润滑；环状流；三通管；分配特性

中图分类号:TH117.2文献标志码：A

收稿日期：*2014-12-31

基金项目：北京市属高等学校人才强教计划项目(编号：PHR201107109)

作者简介：孙启国(1963-)，男，山东烟台人，教授，研究方向为摩擦学与工业润滑技术、机械系统动力学及其控制。

通讯作者：陈超洲(1988-)，男，湖北天门人，硕士，研究方向：油气通渭系统水平管理的ECT系统设计与研究。

Distribution Characteristics of Oil-air Lubrication Annular Flow in Circular Arc Junction

SUN Qi-guo, CHEN Chao-zhou*, WANG Xiong-shi, CHEN Dong-xu

(MechanicalandMaterialsEngineeringCollege,NorthChinaUniversityofTechnology,Beijing100144,China)

Abstract:The FLUENT software is used to simulate the improved three-way pipe model, and the flow field, pressure field and velocity field distribution is obtained, the distribution characteristics of lubricating oil-gas annular flow in the circular arc junction is then studied, and the rationality of the design is verified through calculations. The appropriate design avoids coanda effect influence on the distribution of oil-air annular flow effectively. Results show that the oil-air distribution coefficient of three-way pipe is relatively stable, and more close to the ideal value, the oil distribution of three-way pipe is more homogeneous than T-junction, circular arc junction is more advantageous to the uniform distribution of oil-air annular flow, which can optimize the flow field effectively, and the design provides a scientific basis for the structural design and processing for oil-air lubricating pipeline.

Key words: air-oil lubrication; annular flow; three-way pipe; distribution characteristics

0引言

三通管道在工、农业等方面使用广泛。在工业系统中，T型三通管道接头被大量使用作为分配器，单向流当中采用普通的T型接头就可实现均匀分配，而气液两相环状流由于康达效应的影响，分配问题变得复杂，并且造成两出口的油气分配严重不均，甚至油气分离。目前，关于康达效应对油气环状流分配特性的影响，国内外学者已做出了相关研究[1-2]，从研究中可得出，在同一环状流入口工况条件下，T型三通管道接头连接处的曲率对支管出口的油气分配确实存在明显影响。因此，普通的三通接头并不能应用到油气润滑系统中对油气环状流进行油气分配。为了尽量避免康达效应对油气环状流分配的不均匀性，笔者提出将圆弧型三通管道作为油气润滑系统管道中环状流一分二的分配器，并结合CFD数值计算对不同结构的圆弧型三通的油气分配特性进行了理论分析。改进结构后的三通管道，对于减少局部压力损失及油气环状流的均匀分配有着重要的意义。

1数学模型的建立

油气润滑系统中，油气环状流的两相(油液和气体)并没有完全混合，而是油液在管壁形成一层薄薄的油膜，高速气体在中心推动油膜向前移动。所以，采用Hirt和Nichols[3]提出的VOF界面线性插值方法，该方法运用第二相的体积分数函数实现界面追踪，适用于计算任何多相不混合且相互间滑移可以忽略的流体。本文设置第一相为气体，第二相为油液。

1.1控制方程

对油气分配器内部的流场[4]建立：

(1)

式中：t为时间，s；ρ为流体密度；·V为速度散度，指每单位体积运动着的流体微团体积相对变化的时间变化率，·V=∂u/∂x+∂v/∂y+∂w/∂z；ρ为：

ρ=αρg+(1-α)ρl

(2)

式中:ρg，ρl分别为气体与油液的密度，kg/m3；α为含气率，即VOF模型里第二相的体积分数。

(3)

(4)

(5)

式中：u，v，w分别为x，y，z三个方向的速度，m/s；P为流体微团上的压强，Pa；fx，fy，fz分别为x，y，z三个方向的体积力，N；τij表示作用在垂直于i轴的平面上j方向的切应力，N。

1.2标准k-ε湍流模型

湍动能k与耗散率ε方程[4]为：

Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中：σk与σε分别是湍动能k与耗散率ε对应的普朗特数；Gk为平均速度梯度引起的湍动能的产生项；Gb为浮力影响引起的湍动能的产生项；YM描述湍流脉动膨胀对耗散率的影响；Sk与Sε是用户定义的源项；C1ε、C2ε、C3ε为经验常数；可表示成与ε的函数：

(8)

式中：Cμ为经验常数。

2物理模型的建立与仿真计算前的处理

2.1物理模型

三通的具体尺寸如图1，其几何参数[5]如下：T型管道物理模型平均直径D=8 mm；入口至水平支管的距离h1=50 mm；水平管长度l1=150 mm。圆弧型流道物理模型平均直径D=8 mm；入口到圆弧段间竖直部分高h2=34 mm；入口至分歧管的距离h3=50 mm；水平管长度l2=150 mm，圆弧半径R=16 mm。

图1　三通物理模型图 (mm)

2.2网格划分

建立T型三通管与圆弧型三通的三维模型，实际尺寸如图1所示。并在Gambit中对图1所示的三维模型进行网格划分，网格划分采用Tet/Hybird，间距设置为0.8。网络划分结果如图2所示。

图2　流体域模型的网格

2.3边界条件及初始条件的设置

气相和液相的入口均为速度入口(velocity inlet)，出口为压力出口(pressure-outlet)，给定入口边界上的速度，气体入口速度为 50 m/s，液体的入口速度为4 m/s。出口处选择出流(pressure-outlet)边界条件，出口处压力设为105Pa。通道壁的设置为无滑移、无穿透的静止壁面。液体、气体和壁面三相交界处形成接触角为30°。在气体的入口边界设置中，油作为第二相的体积分数设置为0，而油的入口边界中设置油的体积分数为1，收敛精度设为0.001。

初始值的设定对最终的结果是否收敛有着重要影响，若初始值接近最后的收敛解，则能加快计算的速度，而如果远离收敛解，则会增加迭代步数，加长计算的过程，甚至造成计算无法收敛。本工作将对选定计算区域内的各个参数进行初始化。

3数值模拟结果分析与评价

3.1流场分布特性

通过数值仿真计算得出T型三通和圆弧型三通内部的质点迹线分布、气液相分布、及动压分布图，如图3～5所示。

图3　气液相分布对比图

图4　质点迹线分布对比图

图5　动压对比图

从图3可看出T型三通和圆弧型三通管道壁面的液相分布情况，油气环状流一分二时，圆弧型三通的水平支管分配比T型三通的分配要均匀，而且在支管内仍能形成环状流；但是在T型三通水平支管上方壁面并无油膜。结合图4可知，部分气相质点碰撞到T型三通叉道后水平支管上壁面后反弹，再与进入支管的气液相质点摩擦、碰撞，所以交叉处的质点运动较紊乱，这也是T型三通叉道处上壁面无油膜的原因。圆弧型三通有圆弧型管道的过渡，质点以渐变的形式顺利过渡到水平支管，运动较为平稳，并且对壁面没有明显的撞击。在入口环状流相同的工况下，圆弧型三通内的质点运动比T型三通内的平顺得多，更有利于油气环状流的输送。

由图5可看出，数值段动压逐渐减小，环状流流动叉道时，截面面积突然增大，动压在水平支管两端入口急剧减小。流体质点的相互摩擦与碰撞导致岔道处水平管上壁面动压较大，而下壁面动压较小。圆弧型三通竖直段内流体动压没有明显变化，环状流运动到圆弧段入口时，由于对环状流的一分二分配，截面面积增大，动压急剧减小，环状流流过弧形弯道后，动压分布较为均匀。

总之，T型三通在叉道附近流动紊乱，高速气相的质点对叉道处水平支管的撞击而回流，但是圆弧型三通内部气相流体变化是渐变的，没有形成回流。并由图4和图5知，在相同入口工况下，圆弧型三通的局部压力损失要比T型三通的小。

3.2油气分配的性能评价

T型三通和圆弧型三通内环状流的流动为非定常流动，要研究两种三通结构形式的不同所引起的内部流场变化及油气两相分配特性，就要研究在同一环状流入口工况下的三通管的支管出口1、2的气液分流系数，出口油气分布，出口处压力、速度的波动，出口处油液流量的波动等分配性能指标。对比T型三通和圆弧型三通在同一入口条件下数值模拟得出的气液分流系数，出口的油气分布，出口处压力、速度的波动，出口处油液流量的波动情况，从而进一步得出两种三通结构形式的不同对油气分配的影响。

(1) 气相分流系数

图6给出了入口为环状流时，T型三通与圆弧型三通的出口2随时间的气相分流系数变化曲线。由图6可看出，圆弧型三通出口2的气相分流系数波动较为稳定，与理想值的偏差较小，可以满足工程应用的需求。从而进一步验证，圆弧型三通作为一分二分配器的可靠性。

由图6可知，环状流入口时，0～0.2 s时间段，圆弧型三通的气相分流系数较为平稳，说明圆弧型三通对气体分配的均匀性较高。

(2) 液相分流系数

图7为入口为环状流时，两种模型的三通管道的液相分流系数，相对于T型三通管，圆弧型三通的液相分流系数更接近于理想值，说明圆弧型三通接头对油气环状流的均匀分配起到了很好的导流作用；而且，圆弧型弯管在一定程度上减小了高速气体对管壁的冲击，使得环状流均匀地分配到水平支管当中去，有利于环状流油膜的输送。从减小局部损失的角度来讲，应尽量避免采用T型三通。

图6　T型三通与圆弧型三通的出口2气相分流系数曲线

图7　T型三通与圆弧型三通的出口2液相分流系数曲线

3.3水平支管不同截面相关参数分析

对水平支管内不同截面的压力参数、速度参数进行分析有利于更直接的得知T型三通和圆弧型三通支管1、2的压力损失，来分环状流经一分二后再水平支管内的油气环状流的液膜分布情况。

在T型三通和圆弧型三通的水平支管X=20，30，40，50，60 mm处设置截面1、2、3、4、5，其位置如图8所示。

图8　T型三通与圆弧型三通截面位置示意图

(1) 压力参数分析

在入口气相速度为50 m/s，液相速度为5 m/s时，T型三通和圆弧型三通水平支管截面1～5的压力计算结果如表1和表2所示。

由表1和表2可看出，相同入口环状流工况下，截面位置相同时，圆弧型三通的总压、动压、静压均较T型三通的大，说明圆弧型三通环状流流经岔道处后的局部压力损失较小，有利于油气环状流的输送及支管环状流流型的形成。

表1　T型三通计算截面总压、动压及静压的数据

表2　圆弧型三通计算截面总压、动压及静压的数据

图9和图10分别为T型三通与圆弧型三通不同截面总压、动压及静压波动曲线，由图9可知，20～30 mm段动压小于静压，说明岔道处的压力损失较大；30～60 mm段动压大于静压，说明支管内的动压有所恢复，但是趋于逐渐减小。由图10可知，20～48 mm段动压小于静压。说明圆弧型岔道处压力损失较小，气相对壁面的压力较大有利于油气环状流的形成。

图9　T型三通不同截面总压、动压及静压波动曲线

图10　圆弧型三通不同截面总压、动压及静压波动曲线

(2)速度及湍流能参数分析

表3、4分别为T型三通和圆弧型三通不同截面速度及湍流能数据。由表3、4可看出，相同入口环状流工况下，截面位置相同时，T型三通的平均流速要小于圆弧型三通，同时，随着水平支管长度的延伸，速度逐渐减小。且离岔道处的距离越近的截面的湍流动能越大，说明在T型三通岔道处的能量损失较大，在岔道处会形成回流，并且对水平支管环状流的流型有较大影响，对而圆弧型三通岔道处的影响较小。

表3　T型三通计算截面速度及湍流能数据

表4　圆弧型三通计算截面速度及湍流能数据

(3) 支管不同截面的油气、速度分布特性分析

图11和图12分别为T型三通与圆弧型三通水平支管不同截面的油气、速度分布图。对比两图可知，T型三通水平支管内的气液分布不均匀，润滑油只分布在管壁下放，并且在管道中心含有部分油滴，很难形成环状的油膜，不利于油气环状流的分配及再次形成。而圆弧型三通水平支管内的润滑油在轴向分布较为均匀，且管道中心基本不含液滴，各个截面上基本都能形成均匀的环状流，对油气环状流的分配及再形成有很好的效果。