高真空專用阻尼器注油氣液兩相流動數(shù)值模擬研究

李司宇

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

阻尼器是高速旋轉(zhuǎn)機械的重要減震部件。阻尼器通過阻尼油結(jié)合阻尼體動作，吸收轉(zhuǎn)子在啟動和額定運行過程中的振動能量，保證機器安全、穩(wěn)定運行。由于高速旋轉(zhuǎn)機械工作條件苛刻，需要在高真空條件下運轉(zhuǎn)，而阻尼器在注油過程中，或因不恰當(dāng)?shù)墓r產(chǎn)生液體或者融入氣體，從而影響設(shè)備長期運轉(zhuǎn)的可靠性，因此阻尼器注油過程是設(shè)備零部件制備的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)。

目前，關(guān)于該類高真空條件下專用阻尼器注油過程分析，國內(nèi)外還沒有開展過相關(guān)研究。阻尼油注油工藝文件中只規(guī)定了壓力及溫度控制條件，但未對綜合工況下的不同界面的流體狀態(tài)進行詳細研究。機械行業(yè)內(nèi)阻尼器的注油往往是在常壓下進行的，未對綜合工況下的不同界面的流體狀態(tài)提出具體要求，因此系統(tǒng)性開展注油過程仿真分析對高真空環(huán)境下注油工藝制定有指導(dǎo)意義。

1 物理模型建立

注油的物理過程是阻尼油在重力和壓力的共同作用下從儲油腔通過注油管注入到阻尼器中。開始注油時，緩慢地打開上下油腔之間的閥門，油從靜止?fàn)顟B(tài)以一定的速度從注油管流出，在重力和速度慣性的作用下，流入阻尼器中，在注油管中油與注油腔中的空氣接觸并混合，在此過程中可能會伴隨著一定量的空氣混入，或使油發(fā)生一定量的相變。阻尼器、儲油腔和注油腔幾何模型如圖1所示，在每一次注油開始之前需要對整個注油裝置進行抽空處理，對阻尼油進行預(yù)除氣，目的是盡可能地減少注油環(huán)境中的氣體含量。

圖1 仿真注油過程幾何模型

在計算過程中，對實際模型進行簡化，儲油腔保留油液區(qū)域，阻尼器按實際體積做等效處理，只需考慮油液流過的主要區(qū)域的幾何模型。在整個模型外建立真空包圍體模型，以模擬封閉的注油器空間。

2 仿真參數(shù)設(shè)置

高真空條件下注油的工況參數(shù)包括儲油腔的加熱帶溫度和注油腔的壓力值。選取阻尼油和空氣的各物性參數(shù)[1]。計算基礎(chǔ)工況的目的在于發(fā)現(xiàn)整個注油過程中，阻尼油在哪些位置更容易卷入空氣產(chǎn)生氣泡，并計算大致的氣泡量[2]。根據(jù)注油技術(shù)條件設(shè)置計算過程中的邊界條件設(shè)置，上儲油腔設(shè)置真空度6 Pa，下注油腔設(shè)置真空度6 Pa。上儲油腔溫度50℃，下注油腔溫度25℃。分別根據(jù)真空度和溫度值選取空氣和阻尼油的各條件參數(shù)，見表1。

表1 兩種物質(zhì)的主要條件參數(shù)

2.1 計算模型選取

由于整個注油過程需要研究的是兩相流流態(tài)，阻尼油是連續(xù)的液相，可能混入油中的氣泡為離散的氣相[3]。即計算過程為瞬態(tài)、氣液兩相和三維物理過程，物理模型幾何結(jié)構(gòu)差別較大，需要先進的仿真軟件以提高結(jié)果的精度。CFX擁有包括流體流動、傳熱和多相流等問題的通用物理模型，CFX基于有限元的有限體積算法，具有數(shù)值精準(zhǔn)性。

計算CFX中提供了3種可以計算多相流間相間傳遞的模型，分別是自由表面模型、混合模型和粒子模型。自由表面模型無法計算相間物質(zhì)傳遞，混合模型在計算前需給定兩相間界面交互深度，但由于在注油前無法估計氣體侵入量所以不選擇上述模型，本次計算采用粒子模型進行相間傳遞的計算，粒子模型可以很好地計算出液體中存在的氣泡和空氣中存在的液滴的具體情況[4]。

計算湍流流動狀態(tài)的湍流模型選擇，選擇湍流模型中的低雷諾壓力模型，因其可以很好地計算流體近壁面處的黏性底層，并能計算層流和湍流共存的狀態(tài)。

2.2 計算內(nèi)容

本次計算基于基礎(chǔ)的注油技術(shù)條件，計算關(guān)注的點在于最可能會產(chǎn)生氣體入侵現(xiàn)象的位置，而發(fā)生這種現(xiàn)象的本質(zhì)是由于液體的流速過快或者液體飛濺到固體壁面產(chǎn)生環(huán)流，此時將部分與之接觸的氣體卷入液體中，對于本計算模型來說，易產(chǎn)生環(huán)流的位置在注油管的彎管處。

截取注油管彎管處橫截面不同注油時刻的氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖2所示。

圖2 注油管彎管處橫截面不同注油時刻的氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

從圖2（a）、（b）和（c）可以看出，在剛開始注油時，瞬態(tài)注油的第2秒時注油管中充斥了大量的空氣。隨著注油時間的增長，阻尼油會迅速充滿注油管，并且在第4秒時，截面處的兩相體積分?jǐn)?shù)占比開始發(fā)生顯著變化，油量明顯增多；再隨著時間增加，當(dāng)注油進行到第18秒的時候，截面處全部充滿阻尼油，幾乎無氣體含量。之后的注油時段中氣體含量持續(xù)減低為0。

在目前的注油工況條件下，注油過程中會在加油管內(nèi)卷入一定量的空氣，產(chǎn)生氣泡，但隨著注油時間的增長，阻尼油流速增加，油液沖破氣泡，會使氣泡量減小到可以忽略的范圍之內(nèi)。

3 對比工況計算

3.1 對比工況選取

注油工藝過程規(guī)定了2條技術(shù)要求，一是注油器的注油腔壓力高于儲油腔壓力時不得進行注油或打開注油閥；二是阻尼器注油時不能出現(xiàn)噴濺現(xiàn)象，針對如上的技術(shù)要求開展下列變工況分析計算。

3.2 注油腔壓力變化影響分析

首先將注油腔的壓力增大，模擬當(dāng)注油腔壓力分別為500、800和1 000 Pa時的注油物理過程。

圖3（a）為當(dāng)注油腔的壓力為500 Pa時，瞬態(tài)計算的第7秒，從注油管流出的阻尼油會出現(xiàn)短暫的速度降為0的流體流動停駐現(xiàn)象。圖3（b）為注油腔的壓力增大到800 Pa時，瞬態(tài)計算的第13秒，阻尼油從注油管管口流出后會因壓力過大，造成一部分的阻尼油向上噴濺。圖3（c）為持續(xù)增大注油腔壓力，增大至1 000 Pa時，瞬態(tài)計算的第4秒，阻尼油還未完全填充注油管內(nèi)部，就會因壓力過大造成阻尼油無法順利地流出注油管，并且僅有的一部分已經(jīng)注入阻尼器中的阻尼油也不是靜止?fàn)顟B(tài)，而是從阻尼器中向上部氣體空間中噴濺。

圖3 不同壓力下注油腔阻尼油氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖

在適當(dāng)程度地減小注油腔壓力后進行了計算，圖4是讀取注油過程開始后的前30 s歷程中，注油管出口位置處的阻尼油的流速。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)注油腔壓力值在6~70 Pa之間時，阻尼油流速較為平穩(wěn)，但是注油腔壓力達到幾百帕量級后會造成阻尼油流速劇烈的變化。上述對比計算的結(jié)果是，當(dāng)注油腔壓力大到一定程度時會出現(xiàn)油的反噴現(xiàn)象。所以要在不改變儲油腔壓力的情況下，使注油腔壓力抽空程度在6~70 Pa范圍之內(nèi)，這樣才能保證阻尼油不會出現(xiàn)反噴現(xiàn)象。

圖4 注油從開始至30 s的進程中注油管出口處阻尼油速度

3.3 儲油腔壓力變化影響分析

在注油腔壓力不變的情況下，對比計算上油腔壓力分別為6、50和100 Pa的注油物理過程。

分別截取同一時刻，不同壓力下的阻尼油體積分?jǐn)?shù)云圖，從圖5（a）可以看出，當(dāng)上儲油腔壓力為10 Pa時，阻尼油從注油管流出后可以呈自由向下流動的趨勢。壓力增大到50 Pa時就會出現(xiàn)有少部分的阻尼油液滴在注油過程中飛濺出阻尼器的情況如圖5（b）所示。當(dāng)壓力增大到100 Pa時，飛濺的程度更為明顯，如圖5（c）所示。當(dāng)儲油腔壓力在6~10 Pa時注油管出口流速在整個注油過程中趨于穩(wěn)定趨勢，流體流動狀態(tài)較為穩(wěn)定，阻尼油可以順利地注入阻尼器中。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)有的注油工藝技術(shù)參數(shù)可以滿足阻尼器注油工藝過程中對各項參數(shù)的要求。

（2）當(dāng)下注油腔壓力增大到一定程度會使從油管流出的阻尼油產(chǎn)生反噴到注油腔空間中的情況，所以為了防止阻尼油出現(xiàn)反噴現(xiàn)象，本文算例得出下注油腔的壓力不得高于800 Pa。

（3）當(dāng)上儲油腔壓力增大到一定程度時會使阻尼油注油的速度過快，造成阻尼油從油管出口噴濺而出，本文算例得出上儲油腔的壓力不得高于50 Pa。

圖5 不同壓力下儲油腔阻尼油氣液兩相體積分?jǐn)?shù)云圖