油氣潤滑環(huán)狀流在圓弧型三通管中的分配特性

油氣潤滑環(huán)狀流在圓弧型三通管中的分配特性*

孫啟國，陳超洲*，汪雄師，陳東旭

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院， 北京100144)

摘要：運用FLUENT仿真軟件對改進的三通管道進行了數(shù)值模擬，得出了管中流場的壓力場和速度場的分布圖，研究了油氣潤滑環(huán)狀流在圓弧型三通管中的分配特性，并通過數(shù)值計算驗證了設計的合理性，有效的避免康達效應對油氣環(huán)狀流分配的影響。結果表明：與T型三通管道相比，圓弧型三通管道的氣液相分流系數(shù)較為穩(wěn)定，接近于理想值，對油液的分配更為均勻，穩(wěn)定性更好。此外，圓弧型三通管道更有利于油氣環(huán)狀流的均勻分配，可有效優(yōu)化流場，該結果將為油氣潤滑系統(tǒng)中管路結構設計與加工提供科學依據(jù)。

關鍵詞：油氣潤滑；環(huán)狀流；三通管；分配特性

中圖分類號:TH117.2文獻標志碼：A

收稿日期：*2014-12-31

基金項目：北京市屬高等學校人才強教計劃項目(編號：PHR201107109)

作者簡介：孫啟國(1963-)，男，山東煙臺人，教授，研究方向為摩擦學與工業(yè)潤滑技術、機械系統(tǒng)動力學及其控制。

通訊作者：陳超洲(1988-)，男，湖北天門人，碩士，研究方向：油氣通渭系統(tǒng)水平管理的ECT系統(tǒng)設計與研究。

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、農(nóng)業(yè)等方面使用廣泛。在工業(yè)系統(tǒng)中，T型三通管道接頭被大量使用作為分配器，單向流當中采用普通的T型接頭就可實現(xiàn)均勻分配，而氣液兩相環(huán)狀流由于康達效應的影響，分配問題變得復雜，并且造成兩出口的油氣分配嚴重不均，甚至油氣分離。目前，關于康達效應對油氣環(huán)狀流分配特性的影響，國內(nèi)外學者已做出了相關研究[1-2]，從研究中可得出，在同一環(huán)狀流入口工況條件下，T型三通管道接頭連接處的曲率對支管出口的油氣分配確實存在明顯影響。因此，普通的三通接頭并不能應用到油氣潤滑系統(tǒng)中對油氣環(huán)狀流進行油氣分配。為了盡量避免康達效應對油氣環(huán)狀流分配的不均勻性，筆者提出將圓弧型三通管道作為油氣潤滑系統(tǒng)管道中環(huán)狀流一分二的分配器，并結合CFD數(shù)值計算對不同結構的圓弧型三通的油氣分配特性進行了理論分析。改進結構后的三通管道，對于減少局部壓力損失及油氣環(huán)狀流的均勻分配有著重要的意義。

1數(shù)學模型的建立

油氣潤滑系統(tǒng)中，油氣環(huán)狀流的兩相(油液和氣體)并沒有完全混合，而是油液在管壁形成一層薄薄的油膜，高速氣體在中心推動油膜向前移動。所以，采用Hirt和Nichols[3]提出的VOF界面線性插值方法，該方法運用第二相的體積分數(shù)函數(shù)實現(xiàn)界面追蹤，適用于計算任何多相不混合且相互間滑移可以忽略的流體。本文設置第一相為氣體，第二相為油液。

1.1控制方程

對油氣分配器內(nèi)部的流場[4]建立：

(1)

式中：t為時間，s；ρ為流體密度；·V為速度散度，指每單位體積運動著的流體微團體積相對變化的時間變化率，·V=?u/?x+?v/?y+?w/?z；ρ為：

ρ=αρg+(1-α)ρl

(2)

式中:ρg，ρl分別為氣體與油液的密度，kg/m3；α為含氣率，即VOF模型里第二相的體積分數(shù)。

(3)

(4)

(5)

式中：u，v，w分別為x，y，z三個方向的速度，m/s；P為流體微團上的壓強，Pa；fx，fy，fz分別為x，y，z三個方向的體積力，N；τij表示作用在垂直于i軸的平面上j方向的切應力，N。

1.2標準k-ε湍流模型

湍動能k與耗散率ε方程[4]為：

Gb-ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中：σk與σε分別是湍動能k與耗散率ε對應的普朗特數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項；Gb為浮力影響引起的湍動能的產(chǎn)生項；YM描述湍流脈動膨脹對耗散率的影響；Sk與Sε是用戶定義的源項；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)； 可表示成與ε的函數(shù)：

(8)

式中：Cμ為經(jīng)驗常數(shù)。

2物理模型的建立與仿真計算前的處理

2.1物理模型

三通的具體尺寸如圖1，其幾何參數(shù)[5]如下：T型管道物理模型平均直徑D=8 mm；入口至水平支管的距離h1=50 mm；水平管長度l1=150 mm。圓弧型流道物理模型平均直徑D=8 mm；入口到圓弧段間豎直部分高h2=34 mm；入口至分歧管的距離h3=50 mm；水平管長度l2=150 mm，圓弧半徑R=16 mm。

圖1　三通物理模型圖 (mm)

2.2網(wǎng)格劃分

建立T型三通管與圓弧型三通的三維模型，實際尺寸如圖1所示。并在Gambit中對圖1所示的三維模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用Tet/Hybird，間距設置為0.8。網(wǎng)絡劃分結果如圖2所示。

圖2　流體域模型的網(wǎng)格

2.3邊界條件及初始條件的設置

氣相和液相的入口均為速度入口(velocity inlet)，出口為壓力出口(pressure-outlet)，給定入口邊界上的速度，氣體入口速度為 50 m/s，液體的入口速度為4 m/s。出口處選擇出流(pressure-outlet)邊界條件，出口處壓力設為105Pa。通道壁的設置為無滑移、無穿透的靜止壁面。液體、氣體和壁面三相交界處形成接觸角為30°。在氣體的入口邊界設置中，油作為第二相的體積分數(shù)設置為0，而油的入口邊界中設置油的體積分數(shù)為1，收斂精度設為0.001。

初始值的設定對最終的結果是否收斂有著重要影響，若初始值接近最后的收斂解，則能加快計算的速度，而如果遠離收斂解，則會增加迭代步數(shù)，加長計算的過程，甚至造成計算無法收斂。本工作將對選定計算區(qū)域內(nèi)的各個參數(shù)進行初始化。

3數(shù)值模擬結果分析與評價

3.1流場分布特性

通過數(shù)值仿真計算得出T型三通和圓弧型三通內(nèi)部的質(zhì)點跡線分布、氣液相分布、及動壓分布圖，如圖3～5所示。

圖3　氣液相分布對比圖

圖4　質(zhì)點跡線分布對比圖

圖5　動壓對比圖

從圖3可看出T型三通和圓弧型三通管道壁面的液相分布情況，油氣環(huán)狀流一分二時，圓弧型三通的水平支管分配比T型三通的分配要均勻，而且在支管內(nèi)仍能形成環(huán)狀流；但是在T型三通水平支管上方壁面并無油膜。結合圖4可知，部分氣相質(zhì)點碰撞到T型三通叉道后水平支管上壁面后反彈，再與進入支管的氣液相質(zhì)點摩擦、碰撞，所以交叉處的質(zhì)點運動較紊亂，這也是T型三通叉道處上壁面無油膜的原因。圓弧型三通有圓弧型管道的過渡，質(zhì)點以漸變的形式順利過渡到水平支管，運動較為平穩(wěn)，并且對壁面沒有明顯的撞擊。在入口環(huán)狀流相同的工況下，圓弧型三通內(nèi)的質(zhì)點運動比T型三通內(nèi)的平順得多，更有利于油氣環(huán)狀流的輸送。

由圖5可看出，數(shù)值段動壓逐漸減小，環(huán)狀流流動叉道時，截面面積突然增大，動壓在水平支管兩端入口急劇減小。流體質(zhì)點的相互摩擦與碰撞導致岔道處水平管上壁面動壓較大，而下壁面動壓較小。圓弧型三通豎直段內(nèi)流體動壓沒有明顯變化，環(huán)狀流運動到圓弧段入口時，由于對環(huán)狀流的一分二分配，截面面積增大，動壓急劇減小，環(huán)狀流流過弧形彎道后，動壓分布較為均勻。

總之，T型三通在叉道附近流動紊亂，高速氣相的質(zhì)點對叉道處水平支管的撞擊而回流，但是圓弧型三通內(nèi)部氣相流體變化是漸變的，沒有形成回流。并由圖4和圖5知，在相同入口工況下，圓弧型三通的局部壓力損失要比T型三通的小。

3.2油氣分配的性能評價

T型三通和圓弧型三通內(nèi)環(huán)狀流的流動為非定常流動，要研究兩種三通結構形式的不同所引起的內(nèi)部流場變化及油氣兩相分配特性，就要研究在同一環(huán)狀流入口工況下的三通管的支管出口1、2的氣液分流系數(shù)，出口油氣分布，出口處壓力、速度的波動，出口處油液流量的波動等分配性能指標。對比T型三通和圓弧型三通在同一入口條件下數(shù)值模擬得出的氣液分流系數(shù)，出口的油氣分布，出口處壓力、速度的波動，出口處油液流量的波動情況，從而進一步得出兩種三通結構形式的不同對油氣分配的影響。

(1) 氣相分流系數(shù)

圖6給出了入口為環(huán)狀流時，T型三通與圓弧型三通的出口2隨時間的氣相分流系數(shù)變化曲線。由圖6可看出，圓弧型三通出口2的氣相分流系數(shù)波動較為穩(wěn)定，與理想值的偏差較小，可以滿足工程應用的需求。從而進一步驗證，圓弧型三通作為一分二分配器的可靠性。

由圖6可知，環(huán)狀流入口時，0～0.2 s時間段，圓弧型三通的氣相分流系數(shù)較為平穩(wěn)，說明圓弧型三通對氣體分配的均勻性較高。

(2) 液相分流系數(shù)

圖7為入口為環(huán)狀流時，兩種模型的三通管道的液相分流系數(shù)，相對于T型三通管，圓弧型三通的液相分流系數(shù)更接近于理想值，說明圓弧型三通接頭對油氣環(huán)狀流的均勻分配起到了很好的導流作用；而且，圓弧型彎管在一定程度上減小了高速氣體對管壁的沖擊，使得環(huán)狀流均勻地分配到水平支管當中去，有利于環(huán)狀流油膜的輸送。從減小局部損失的角度來講，應盡量避免采用T型三通。

圖6　T型三通與圓弧型三通的出口2氣相分流系數(shù)曲線

圖7　T型三通與圓弧型三通的出口2液相分流系數(shù)曲線

3.3水平支管不同截面相關參數(shù)分析

對水平支管內(nèi)不同截面的壓力參數(shù)、速度參數(shù)進行分析有利于更直接的得知T型三通和圓弧型三通支管1、2的壓力損失，來分環(huán)狀流經(jīng)一分二后再水平支管內(nèi)的油氣環(huán)狀流的液膜分布情況。

在T型三通和圓弧型三通的水平支管X=20，30，40，50，60 mm處設置截面1、2、3、4、5，其位置如圖8所示。

圖8　T型三通與圓弧型三通截面位置示意圖

(1) 壓力參數(shù)分析

在入口氣相速度為50 m/s，液相速度為5 m/s時，T型三通和圓弧型三通水平支管截面1～5的壓力計算結果如表1和表2所示。

由表1和表2可看出，相同入口環(huán)狀流工況下，截面位置相同時，圓弧型三通的總壓、動壓、靜壓均較T型三通的大，說明圓弧型三通環(huán)狀流流經(jīng)岔道處后的局部壓力損失較小，有利于油氣環(huán)狀流的輸送及支管環(huán)狀流流型的形成。

表1　T型三通計算截面總壓、動壓及靜壓的數(shù)據(jù)

表2　圓弧型三通計算截面總壓、動壓及靜壓的數(shù)據(jù)

圖9和圖10分別為T型三通與圓弧型三通不同截面總壓、動壓及靜壓波動曲線，由圖9可知，20～30 mm段動壓小于靜壓，說明岔道處的壓力損失較大；30～60 mm段動壓大于靜壓，說明支管內(nèi)的動壓有所恢復，但是趨于逐漸減小。由圖10可知，20～48 mm段動壓小于靜壓。說明圓弧型岔道處壓力損失較小，氣相對壁面的壓力較大有利于油氣環(huán)狀流的形成。

圖9　T型三通不同截面總壓、動壓及靜壓波動曲線

圖10　圓弧型三通不同截面總壓、動壓及靜壓波動曲線

(2)速度及湍流能參數(shù)分析

表3、4分別為T型三通和圓弧型三通不同截面速度及湍流能數(shù)據(jù)。由表3、4可看出，相同入口環(huán)狀流工況下，截面位置相同時，T型三通的平均流速要小于圓弧型三通，同時，隨著水平支管長度的延伸，速度逐漸減小。且離岔道處的距離越近的截面的湍流動能越大，說明在T型三通岔道處的能量損失較大，在岔道處會形成回流，并且對水平支管環(huán)狀流的流型有較大影響，對而圓弧型三通岔道處的影響較小。

表3　T型三通計算截面速度及湍流能數(shù)據(jù)

表4　圓弧型三通計算截面速度及湍流能數(shù)據(jù)

(3) 支管不同截面的油氣、速度分布特性分析

圖11和圖12分別為T型三通與圓弧型三通水平支管不同截面的油氣、速度分布圖。對比兩圖可知，T型三通水平支管內(nèi)的氣液分布不均勻，潤滑油只分布在管壁下放，并且在管道中心含有部分油滴，很難形成環(huán)狀的油膜， 不利于油氣環(huán)狀流的分配及再次形成。而圓弧型三通水平支管內(nèi)的潤滑油在軸向分布較為均勻，且管道中心基本不含液滴，各個截面上基本都能形成均勻的環(huán)狀流，對油氣環(huán)狀流的分配及再形成有很好的效果。

圖11　T型三通與圓弧型三通水平支管 不同截面的油氣分布圖

圖12　T型三通與圓弧型三通水平支管 不同截面的速度分布圖

由圖11可知，T型三通水平支管的截面上半部

分的氣流速度較大，截面下半部分的速度較小，這是導致水平支管不同截面上壁面無油膜的主要原因，高速氣體對管壁的沖擊造成的。圓弧型三通水平支管的各個截面的中心氣速較大，而環(huán)形壁面上的速度較低，水平支管中心的高速氣體帶動環(huán)形油膜沿壁面流動，從而保持了環(huán)狀流的流型，有利于環(huán)狀流的輸送。

4結論

提出了將圓弧型三通作為一分二分配器，并基于FLUENT軟件對T型三通與圓弧型三通模型進行數(shù)值模擬，當入口流型為環(huán)狀流時，通過比較圓弧型三通與T型三通對油氣環(huán)狀流的分配特性，得出結論：

(1) 圓弧型三通的分配性能明顯優(yōu)于T型三通管道，并且克服了T型三通分配時康達效應的影響。

(2) 圓弧型三通的氣液相分流系數(shù)較為穩(wěn)定，接近于理想值，對油液的分配比T型三通更為均勻，穩(wěn)定性更好。

(3) T型三通的平均流速要小于圓弧型三通，同時，隨著水平支管長度的延伸，速度逐漸減小，且離岔道處的距離越近的截面的湍流動能越大，能量損失較大。

參考文獻:

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