冷鐓機油霧處理方案設計與數(shù)值模擬*

戴春祥，孟紅玉，李莉敏，何 斌

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引言

金屬在高速、強力加工工況條件下產(chǎn)生大于油基潤滑冷卻液沸點的溫度，油液開始霧化、氣化，同時油液中的添加劑、加工產(chǎn)生的金屬粉末開始結焦飄浮，形成大量有害的高溫三相油霧氣體彌散在工廠的大氣中。金屬加工潤滑劑是一種非常復雜的混合物，它除了含有烴類組成外，通常還可能含有磺酸鹽、脂肪胺、硝酸鹽、染色劑、殺菌劑等各種化學物質(zhì)［1］。油霧廢氣漂浮在大氣中不僅嚴重污染了生產(chǎn)環(huán)境，也極大地危害了操作者的健康［2］。金屬加工潤滑劑可能會導致多種職業(yè)病［3］。同時逐漸發(fā)散出工廠周邊污染大氣。但是，加工設備在加工過程中，因潤滑或冷卻需要將耗費大量的油性液體。

目前，對油霧廢氣的處理普遍采用單體離心式風機將油霧廢氣抽出到生產(chǎn)環(huán)境之外，這種方法雖然有效避免了油霧廢氣對生產(chǎn)環(huán)境的污染，也保證了操作者的健康，但是給生態(tài)環(huán)境造成了污染，也給更多的人們帶來了健康危害，沒有從根本上解決油霧廢氣的污染問題。

本文將設計一種應用于冷鐓機的油霧收集處理裝置，先對冷鐓機在冷鐓過程中產(chǎn)生的有害高溫油霧三相流體進行收集，之后進行油氣分離，將凈化后的空氣排入大氣中，同時將回收的油霧中的油基潤滑冷卻液重新利用。本文運用數(shù)字化設計與分析手段，在提出冷鐓機油霧處理設計方案的基礎上，對油霧收集處理裝置進行參數(shù)化建模和自頂向下的裝配建模，以完成虛擬樣機設計［4］;然后根據(jù)工程流體力學理論及空氣動力學原理，運用CFD軟件對油霧及其流動狀態(tài)進行數(shù)值模擬和仿真分析，獲得了油霧收集處理裝置中的多相(氣相、液相、顆粒相)流體的壓力分布圖、體積分數(shù)分布圖、混合相分布圖、混合相流線圖等，為油氣分離及油液收集提供了理論依據(jù)。

1 冷鐓機油霧處理設計方案

1.1 設計思路

根據(jù)冷鐓機在工作時產(chǎn)生油霧的特點及生產(chǎn)實際情況，本文提出冷鐓機油霧處理設計方案，其基本思路如下:

1)為了安全可靠，本設計采用純機械結構，不使用電控，采用中壓中速氣流為動力源，引導油霧吸入，在作業(yè)過程中避免了在冷凝中油滴再次霧化。既節(jié)電又使用方便，只要定期維護，避免維修;

2)在冷鐓機產(chǎn)生大量油霧的部位安裝吸霧器，此吸霧器是依據(jù)空氣放大器的結構進行設計，利用空氣動力學的附壁效應及放大原理進行油霧的強力抽吸［5］;

3)油霧氣流與中壓中速氣流在油霧收集分離箱中混合形成多相(氣相、液相及顆粒相)混合流體，經(jīng)過箱體內(nèi)部的多根管路反復流動之后，實現(xiàn)氣、油和雜質(zhì)的分離。冷鐓機油霧處理流程如圖1所示。

圖1 油霧處理流程圖

1.2 總體結構

油霧處理裝置主要由油霧收集分離箱(1)、吸霧器(2)、渦流泵出口組件(4)及管路(5)等組成。整個裝置以中速中壓氣流為原動力源，因此在裝置中獨立配備了渦流泵(3)。油霧處理總體結構如圖2所示。

圖2 油霧處理裝置總裝配圖

2 油霧處理工作原理

如圖2所示，渦流泵(3)的壓力空氣出口通過渦流泵出口組件將壓力空氣分成兩路，之后與吸霧器(2)的壓力空氣入口相連，吸霧器(2)的出口通過管路(5)與油霧收集分離箱(1)的入口相連。進入吸霧器的中壓氣流從氣隙縫中高速噴出。根據(jù)空氣動力學原理即產(chǎn)生空氣附壁效應及放大效應，此時吸霧器(2)芯部形成低于大氣壓的近似真空區(qū)，這就將冷鐓機工況條件下產(chǎn)生的三相油霧流體通過密封管路(5)連續(xù)地卷吸入到油霧收集分離箱(1)內(nèi)部。同時行進中的氣流會在箱體環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生降溫效應，會促使油霧中的油珠冷凝成油滴。

圖3 油霧收集分離箱工作原理圖

如圖3所示，三相油霧通過管接頭(1)分四路進入油霧收集分離箱(5)內(nèi)的錐形管(6)之后，沿壁運動形成旋轉(zhuǎn)氣流，在此氣流的作用下，實現(xiàn)自上而下，之后又通過位于錐形管(6)中間的回氣管(3)自下而上流動，再通過周圍的4根回氣管(3)自上而下流動，最后經(jīng)過油霧收集分離箱(5)內(nèi)部的三層過濾板(4)上安裝的消聲器(7)自下而上流動經(jīng)過箱體頂端的4個消聲器(2)之后，氣流即以潔凈空氣狀態(tài)排到箱體之外。油霧氣體在流動過程中會逐漸冷凝，油滴經(jīng)重力作用最后流入箱體底部，同時行進中的三相油霧氣體隨著長距離的路徑而產(chǎn)生流動氣力衰竭的現(xiàn)象，油珠及固相飄浮物出現(xiàn)沉降。油霧收集分離箱(5)底部設有單向閥(8)，隨時可將回油收集。金屬塵可以定期進行清理，最終完成氣、液、固三相分離。

3 油霧多相流模型建立與數(shù)值模擬

3.1 問題描述

冷鐓機產(chǎn)生的油霧經(jīng)吸霧器抽吸后進入油霧收集分離箱進行油霧處理。箱體底部中央為一油液出口，使濾清后的油液易于流出，油霧收集分離箱頂部設置四個消聲器，使?jié)崈艨諝饪梢宰杂膳懦?。忽略箱體內(nèi)部的過濾板和消聲器，簡化并填充后的流場模型如圖4所示。

圖4 油霧收集分離箱流場模型

圖5 油霧收集分離箱流場網(wǎng)格模型

假設多相油霧入口速度為20 m/s，溫度為333 K(60℃)。

3.2 數(shù)學模型

FLUENT中用于多相流的數(shù)值模擬方法有歐拉—歐拉法和歐拉—拉格朗日法，其中常用的是歐拉—歐拉法，歐拉—歐拉法包含三種模型，分別是混合物模型，有限體積模型和歐拉模型［6］。歐拉模型可以模擬多相流動及相間的相互作用。相可以是氣體、液體、固體的任意組合。每一相都采用Eulerian處理［7］。

(1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)

式中，ρ是密度，t是時間，Sm是加入到連續(xù)相的質(zhì)量(例如油霧的蒸發(fā))，稱為源項。

(2)動量守恒方程(運動方程)

式中，p是靜壓，τij是應力張量，且，這里 μ 是動力粘度;gi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力，F(xiàn)i包含了流場模型的相關源項，如多孔介質(zhì)和自定義源項。

(3)能量守恒方程

3.3 邊界條件

油霧收集分離箱的邊界條件主要是設置各個進出口的邊界特性。油霧收集分離箱邊界條件設置如圖6所示，口5為多相油霧入口，設為速度入口(velocity-inlet);口1、2、3、4都為常壓濾清氣體出口，都設為壓力出口(pressure-outlet-1、pressure-outlet-2、pressure-outlet-3、pressure-outlet-4)，口6為油液出口，設為pressure-outlet-oil。

圖6 邊界條件設置

3.4 數(shù)值模擬

首先應用UG NX軟件建立油霧收集分離箱流場填充模型(圖4)，之后運用 ANSYS Workbench中的mesh模塊進行有效的3D網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分模型如圖5所示。然后將其輸入到FLUENT軟件3D解算器中進行數(shù)值求解。基本模型采用基于壓強(pressure-based)的非定常模型(transient)。在前處理時主要是依據(jù)工程流體力學中的控制方程，即連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量方程［9-10］，其中湍流模型采用標準 k-ε雙方程模型，運用有限體積法對方程離散，收集箱中壓力速度耦合采用SIMPLEC算法［9］，它是 SIMPLE的改進算法，主要是在修正壓力場的同時協(xié)調(diào)修正速度場。油霧模型中的多相流采用歐拉三相模型(液相、氣相、顆粒相)。

為了提高計算收斂性，在求解歐拉多相流模型前需要先獲得初始解，可以使用如下的求解策略:

先用混合模型代替歐拉模型啟動和求解問題(選擇或不選擇滑流速度都可以)，之后啟動歐拉模型，完成設置，采用混合模型所得的解作為起始點繼續(xù)計算［11］。

歐拉模型中的曳力函數(shù)選擇:空氣相和油霧相、空氣相和顆粒相、油霧相和顆粒相之間都選擇默認的schiller-naumann算法。

定義材料的時候，取油霧中氣相、液相、顆粒相的體積分數(shù)分別為 0.5、0.4、0.1，其密度分別為1.225 kg/m3、10.95 kg/m3、1 500 kg/m3;油霧中氣相、液相、顆粒相的動力粘度μi分別取1.789×10-5Pa·s、7 ×10-6Pa·s、9.567 ×10-4Pa·s。速度分別設為 20 m/s、20 m/s及 19 m/s。

入口湍流指定方法為湍流強度I和水力直徑DH，其中入口湍流強度計算公式為:

由于油霧收集分離箱的入口和出口的截面都是圓形，所以其水力直徑為其截面直徑。入口水力直徑為46 mm，上面的4個出口水力直徑為44 mm，下面的油出口水力直徑為15 mm。

判斷流動是層流還是湍流，取決于雷諾數(shù)是否超過臨界雷諾數(shù)［12］。雷諾數(shù)計算公式為:

其中v為平均速度，d為口徑，ν為運動粘度。

設吸霧器進口速度為17 m/s，直徑為67 mm，水蒸氣運動黏度系數(shù):ν=19.6e-6m2/s，代入式(2)，得吸霧器的雷諾數(shù)為:

即Re＞10 000，因此冷鐓機工作產(chǎn)生的油霧流體的流動為湍流。

將雷諾數(shù)Re=5.811 2 e4代入式(4)，得:湍流強度:

應用FLUENT軟件，經(jīng)過材料定義、流體相定義以及邊界條件定義等，即可進行迭代計算。計算前要進行流場的初始化，然后按耦合、隱式求解方法計算定常解，并將其作為非定常解的初始條件。在求解非定常流動時，設置時間間隔是關鍵的一步。這里設置時間間隔為0.01(sec)，通過500個時間間隔的迭代計算，完成計算［4］。另外，多相流體定義時，將氣體作為主相(primary phase)，油液和顆粒作為次相(secondary phase)。

4 仿真結果及分析

計算完成后可獲得油霧收集分離箱內(nèi)的壓力分布圖如圖7所示、混合相分布圖如圖8所示、油霧體積分數(shù)分布圖如圖9所示、顆粒相體積分數(shù)分布圖如圖10所示、油霧相溫度分布圖如圖11所示及混合相流線圖如圖12所示。

圖7 油霧收集分離箱內(nèi)部壓力分布圖

如圖7所示可知，油霧收集分離箱頂部的入口處壓力最大，有利于三相油霧流體進入箱體內(nèi)部，錐形筒和回氣管內(nèi)的壓力隨著路徑加長逐漸減小，與實際情況相符，而內(nèi)部沒有管子的地方壓力最小(接近常壓)，有利于空氣的排出。

從油霧收集分離箱的油霧相體積分布圖(圖9)中可知，油霧在油霧收集分離箱中的分布情況，可見在箱體底部油霧濃度最高，說明部分油霧已經(jīng)冷凝成油液，積聚在了箱體底部，在其余部分則分布比較均勻。

從顆粒相體積分數(shù)分布圖(圖10)中可知，顆粒相在油霧收集分離箱中的分布情況，可見在錐形筒底部顆粒相濃度最高，說明顆粒相因為密度比較大，所以在三相流體自上而下流動到錐形筒底部的時候就沉積在了錐形筒底部，在其余部分則分布較少。

圖8 油霧收集分離箱在某周期初始階段混合相分布圖

圖9 油霧收集分離箱在某周期后階段油霧體積分數(shù)分布圖

從油霧收集分離箱的油霧相溫度分布圖(圖11)中可知，油霧在油霧收集分離箱中的溫度分布情況，可見在箱體入口處油霧溫度最高，隨著油霧流動路徑的加長，油霧溫度逐漸降低。箱體外壁由于與外界空氣接觸，所以溫度比較低。

圖10 油霧收集分離箱在某周期后階段顆粒相體積分數(shù)分布圖

從混合相流線圖(圖12)中可知混合相的流動軌跡，此軌跡剛好與油霧收集分離箱工作原理圖(圖3)中所標識的軌跡相符。

圖11 油霧收集分離箱在某周期后階段油霧相溫度分布圖

圖12 油霧收集分離箱混合相流線圖

5 結論

本文主要設計了一種專門應用于冷鐓機的油霧處理裝置，并建立了虛擬樣機，之后應用FLUENT軟件對虛擬樣機進行了數(shù)值模擬，模擬結果與設計時所期望達到的效果相符，說明了該設計的可行性，并為以后的虛擬樣機設計及修改提供了參考。

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