基于FLUENT软件的珩磨用高精度纯油净化效果模拟分析

刘 坤

(湖北第二师范学院 计算机学院，武汉 430203)



基于FLUENT软件的珩磨用高精度纯油净化效果模拟分析

刘 坤

(湖北第二师范学院 计算机学院，武汉 430203)

珩磨用高精度纯油对于机器设备的安全有效运行、降低磨损提高设备运行寿命来说具有非常重要的作用，本文主要利用FLUENT软件来对珩磨用高精度油进行仿真模拟，在仿真模拟过程中主要利用FLUENT软件来对整个循环过程和循环模式进行模拟，将仿真结果与模拟结果进行对比分析，来证明本文所设计的珩磨用高精度纯油具有十分良好的应用效果。

珩磨用高精度油；软件系统；FLUENT；模拟分析

1 引言

石油资源是人类宝贵的资源，它在地球上的储量也是非常有限，随着工业技术水平的快速发展，节能节油的概念也关系到我国能源的发展，工业用油在使用过程中难免不会掺入大量的杂质和水分，这些都会造成设备的损坏以及环境的污染。

随着人类工业的快速发展，油液对于环境的污染非常厉害，这些潜在的危害会导致设备中的油污进一步累积，传统的发电机珩磨用高精度油的净化只是停留在经验层面上，因此会导致整个设备的运行寿命不够高，甚至是导致发动机的珩磨用油完全丧失掉自身的使用价值，虽然目前对于磨用高精度油的净化和处理有一些措施和手段，但是缺乏利用相关的软件对整个净化过程进行模拟分析，这样就会导致净化系统的效果不能进行体现。因此，本文基于FLUENT软件来对磨用高精度纯油的净化过程进行模拟分析。

2 避免采用单箱循环净化模式的研究

在实际工程中，为了对磨用高精度油进行净化，通常采用的是利用油箱内部进行循环处理的方法，这种处理方法有一定的缺点，那就是净化的效果不是太理想，并且在净化的过程中会出现一些不够正常的现象。因此，本文主要是采用FLUENT软件来对单个油箱循环净化箱内的固定流场进行动态性的模拟，根据净化效果来分析存在问题的原因，最后提出改进策略。

2.1 单箱净化实验

在本文中设计一个单桶的内部油循环系统装置，整个装置如图1所示，净化装置主要对滤油机中的残渣进行过滤，在过滤的过程中对不同位置的油刻度进行表示，如下图所示主要表示的位置有A高度、B高度以及C高度。

图1 单箱净化装置草图

测试得到发动机磨合油机械杂质含量列于表1中。

表1 不同时间、不同位置的发动机

从表1可以看出，在油液净化前后，整个珩磨用静止阶段中处在不同阶层的油液机械杂质含量都不相同，中层油与上层油之间机械杂质的含量也会不相同，这充分说明经过静止以及澄清过后的油液它们内部的机械杂质等固体颗粒物都会沉降到油桶的底部位置，当靠近油桶越近时，相应的杂质含量也会发生变化。在油桶中的油液经过一系列的处理之后，就会使得上层与中层以及下层油液中机械杂质含量发生比较明显的变化。

上述实验结果可以表明，机械杂质在净化过程中会在过滤设备排污口处产生一定的流速和能量，尤其是在油箱底部会沉积大量的机械杂质，这些杂质可以大规模快速的扩散当中油箱中，这些重新浮起来的杂质在净化之后会发生一定的沉降，除此之外，净化时间的长短对于净化效果有着十分明显的影响，净化时间越长，其净化效果就会越好。

通过实验表明，油液的净化对于如何除去机械杂质是具有非常重要的作用的，这主要是因为随着净化时间的延长，原先静止在桶底部的一些机械杂质也会逐步得到清除，经过净化搅拌之后的油污中机械杂质含量也会明显下降，这说明经过沉淀之后的油污层的净化效果不太理想，其净化方法还存在着某种较大的不足和缺陷。

2.2 单箱油液净化流场数值模拟

本文主要利用FLUENT软件来对珩磨用高精度纯油的净化效果进行模拟分析，通过模拟分析得出净化过程中，哪些检测指标会低于油桶中原先的指标。

2.1 FLUENT 软件及其应用简介

FLUENT软件主要是基于CFD软件的思想，并且从用户的角度出发，针对当前各种复杂的物理现象，FLUENT软件的核心思想主要是采取各种离散式的数值方法和处理方法来对某个领域内的数值进行分析计算，从而高效的解决各种复杂条件下的流动计算问题。在上述计算的基础上，FLUENT软件主要对流体流动以及各种传热过程进行了准确模拟，这些模拟都会形成一个比较精确性的图形界面。

GAMBIT软件主要是面向CFD软件处理方法的，在上述方法的基础上采用几何建模的方法以及网格划分的方法来对当前的液体流动进行高经度的模拟。该软件具有较强的灵活性和可用性，并且该软件可以将各种油污处理以及净化的动态过程进行模拟，用户可以直接应用GAMBIT软件来建立一些比较复杂的流体模型和实际模型，除此之外，GAMBIT软件还可以从CAD/CAE中来读取相应的计算分析数据。

GAMBIT软件具有较高的自动化功能，并且在不同的场合下都能够生产网格，它们之间都可以组合成不同的混合网格。FLUENT6.1软件可以用相应的模拟软件来分析不同程度压力范围内的复杂流场。由于在分析流场的过程中采取不同的加速收敛技术，并且它们之间具有不同的收敛精度以及物理模型，通过上述软件可以对珩磨用高精度油的化学反应、净化、传热等多个过程进行有效模拟。

(1) 基本功能

其基本功能主要包括6个方面，分别为不可压或可压流动、正常状态下的流体过渡分析、各种流体环境下的层流分析、牛顿流或者非牛顿流分析、两相流中的气穴现象、各种复杂流体条件下的表面流动分析。

(2)网格性能

a)从形状上来说主要包括以下几种：最为主要的是四边形、其次就是三角形、最后式四面体或者菱形，最后式金字塔形状的网格。

b)允许保持不同状态下的网格界面发生重叠。

(3)数值方法

FLUENT6.1在珩磨用高精度纯油的模拟求解中主要可以应用的方法有三种。FLUENT6.1的应用主要有以下几个主要的特征：首先式可以利用完全非结构的方法来对有限元体积进行分析；其次就是在一定的速度范围内来对各种动态的内存进行分析和匹配。最后根据匹配的结果来对模拟的情况进行精确的分析和计算。

(4)数据输出：输出可以输出到AVS系统中进行应用，除此之外，FILEDVIEW以及TECPLOT都可以对并行数据进行准确输出，FEA中的数据输出之后也可以应用到GAMBIT软件当中。

2.2 Fluent 数值模拟

本文在对珩磨用高精度纯油进行仿真分析过程中，主要采用的是大型商业软件CFD，这种软件可以对单箱油进行净化操作以及各种流体场的模拟。图2主要介绍的是各种模拟边界条件，在模拟的过程中主要采用的是真空滤油机，这种过滤设备采用的是HIJG的排油管道以及FKLE的回油管道，每个管道的数据如下：油桶直径大小为d=56mm，h=900mm，油面高度大小为680mm。

图2 流场模拟边界示意图

(1)控制方程

当油桶中的油污在经过长时间的放置之后，会产生大量的机械杂质，这些机械杂质都会进行下沉，并且会沉降到桶底当中，其中只有一些少量的杂质仍然会悬浮在油面之上，因此在桶中需要利用不同流体技术来对其进行模拟。

a)油相控制方程

当排油管道浸没在油中时，整个油桶中的液体会发生一定的剧烈抖动，对于这种抖动的模拟需要用到湍流模型，在这种流体的模拟过程中需要应用到雷诺平均运动法则，依靠相关的运行经验，并且采用相关的标准k-ε模型来对整个净化过程进行模拟，在模拟的过程中通过采用二维轴对称圆柱坐标系，坐标系的描述可以采取下述的方程来进行描述：

(1)

其中：

质量守恒方程常称作连续方程：

φ=1扩散系数Γ=0 源项S=0

对于x径向动量方程：φ=u 扩散系数Γ=μeff+μ+μt

源项

(2)

对于z轴向动量方程：φ=w 扩散系数Γ=μeff+μ+μt

源项

(3)

源项S=Gk+ρε

(4)

(5)

b)颗粒相控制方程

颗粒群是离散化的模式，本文在数值模拟过程中可以借助离散模型Lagrangian坐标来对整个流场中的离散颗粒物进行计算和模拟，这些颗粒物都是连续分布的，因此在研究过程中可以利用相应的方程来计算运动轨迹，在计算运动轨迹的过程中可以对湍流涡旋的作用进行准确的分析，在分析的过程中利用牛顿第二定律可知：

(6)

Boysan 等人使用随机方法并考虑颗粒在湍流气流中的扩散运动，将颗粒运动的 Lagranrian 方程写成下列形式：

(7)

颗粒轨道由下列方程确定：

(8)

(9)

c)控制方程数值解

对于油箱控制方程组，本文需要采取统一化的数值计算方法，这种计算方法能够对主要是基于有限体积法，在此基础上来对各种扩散项进行离散化的处理，并且采用线性插值来对流项中的各个模式进行分析和计算，在压力和速度的分析过程中主要采用的是耦合的SIMPLE的方法来进行实现。

(2)物理模型

a)网格划分

在珩磨用高精度纯油的模拟过程中，需要利用Gambit作为前端处理器来对其进行网格化的处理，这种处理一般是采用bottom-up的方式，在处理过程中往往采用的是点到线、线到面的方法，这种方法通常能够生产一些整体化的网格，并且每种网格都是四边形的。与此同时，由于Gambit软件具有较强的自适应功能，因此在网格化的过程中需要对其进行细分或者是粗分，总的网格数量为15600个。

b)相关设置

本文需要采用FLUENT默认的求解器来对各种稳态流动情况进行分析和计算，在计算过程中需要充分考虑到大气压以及重力加速度的影响，珩磨用高精度纯油的密度可以取889kg/m3，在400C的环境下其运动的粘度值可以取86.5mm2/s，在这种湍流环境下可以利用相应的计算标准对流体流动问题进行准确的计算和分析，假定桶中的颗粒物以及杂质都是铁屑或者是铝屑，那么在这种条件下其计算密度应该取作2719kg/m3，相应的比热Cp可以取作871J/(kg.k)。

(3)求解计算

在本文的求解计算中所用到的方法是压力修正SIMPLE法，这种方法的实质就是迭代法。在每一步的计算过程中，可以对整个模拟过程中的压力场进行猜测，根据猜测的情况来对速度场进行准确的分析和计算。在上述压力修正计算过程中需要根据循环条件来对整个珩磨用高精度纯油净化过程进行分析。为了避免在计算过程中出现不必要的计算误差，提高相应的计算精度，需要在求解的过程中设置一些参数来当作松弛因子，松弛因子的奢侈过程中压强项的松弛系数可以设置为0.3，动量项系数可以设置为0.7，湍动量和耗散率的因子分别设置为0.8，迭代次数可以设置为300。

3 模拟显示及结果分析

经过FLUENT软件的分析与处理之后，可以分别得到珩磨用高精度纯油的油污的颗粒速度矢量图以及流线图，两个图形分别展示如下：

图3 桶内油相速度矢量图

图4 底部颗粒相速度矢量图

图3表明，排油口当中的油污注入进来之后可以形成一种涡形的流动结构，这种结构可以将悬浮的机械渣沫沉积到油桶的底部，并且还可以不断的搅混和泛起。图4的仿真可以表明，在整个油箱回油的过程中，由于油口周围的杂质具有不同的运动速度以及运行趋势，这就导致油污颗粒的运动方向和运动速度不同。

图5 进口油相流线图

图6 底部颗粒相流线图

图5所示的情况表明，来自过滤设备的排油口中的油污会通过回油管道形成一定的通路，在这种通路中各种油污在经过净化之后也可以在滤油机中进行反复的净化。另外一个方面，在桶中可以对利用有效的过滤设备可以对大量的机械杂质进行循环处理，从图6中的相关颗粒物的处理情况来看，处在底部的颗粒物会由于排油口的流速以及压力冲击导致整个油污出现反复运动，最终导致过滤之后的清洁的油出现重新被污染的情况。

图7 油相速度等值线图

图8 颗粒相速度等值线图

从图7中的油污运行速度可以看出，从整体上看流体的油污附近存在一个衰减的分布，这其中还会出现一些液体流速不断减小的现象，并且桶内始终不会出现一些循环的死区，可见，桶中处在死角的油污根本无法得到有效的清洗或者是净化。

从图8当中油污颗粒物的运行速度发生变化时，相应的净化效果也会发生变化，颗粒物的运行速度往往处在一种单循环的模式，这种模式对于颗粒物的清除具有十分积极的作用。因此，本文利用FLUENT软件可以对油箱内的循环净化过程进行准确模拟，这种模拟可以利用实验来进行测量。采用单循环处理之后，相应的油液或者油污可以通过一些捷径来形成一条有效的净化循环通道；从另外一个方面来讲，滤油机在循环过程中可

以对油污进行有效的净化并且可以对其进行净化静止以及澄清，通过澄清之后可以使其重新回到新油当中，其次经过净化之后的油液回到搅混的油中又会重新造成二次污染。因此，本文利用FLUENT软件可以对珩磨用高精度纯油的净化过程进行有效分析，通过仿真分析来获知其净化过程中存在的问题，根据存在的问题来给出相应的改善措施和改进方法，使得其提纯的方法更加简便、高效。

4 结论

本文采用FLUENT软件来对单油箱中的循环油净化模式进行研究，在此基础上来对液固流场进行了有效的模拟计算，通过模拟计算可以表明，珩磨用高精度纯油的实际实验值与软件模拟值之间吻合度较好，因此，在工程实际中可以利用该软件来对机械杂质的净化过程进行模拟，并且在模拟的过程中可以尽量的避免单油箱循环模式。通过这种模拟方法可以指导珩磨用高精度纯油的净化过程。

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Simulation Analysis of High Precision Honing Pure Oil Purifying Effect Based on FLUENT Software

LIU Kun

(School of Computer Science, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

The high-precision honing pure oil is of great importance for the effectively and safely operating the equipment, reducing abrasion, improving equipment operating life. The paper uses FLUENT software to perform simulations by using high-precision honing oil, with the main help from the use of FLUENT software to simulate the entire cycle process and cycle mode. The simulation results will be compared to demonstrate that high-precision honing pure oil has a good application effect.

high-precision honing oil; software system; FLUENT; simulation analysis

2016-06-10

湖北省教育厅科学技术研究计划优秀中青年人才项目(Q20123105)

刘 坤(1980-)，男，湖北武汉人，讲师，研究方向为计算机网络与系统研究。

TP31

A

1674-344X(2016)08-0020-05