油氣潤(rùn)滑環(huán)狀流在圓弧型三通管中的分配特性*

孫啟國(guó)，陳超洲*，汪雄師，陳東旭

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院， 北京100144)

摘要：運(yùn)用FLUENT仿真軟件對(duì)改進(jìn)的三通管道進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了管中流場(chǎng)的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布圖，研究了油氣潤(rùn)滑環(huán)狀流在圓弧型三通管中的分配特性，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，有效的避免康達(dá)效應(yīng)對(duì)油氣環(huán)狀流分配的影響。結(jié)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(duì)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(chǎng)，該結(jié)果將為油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加工提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油氣潤(rùn)滑；環(huán)狀流；三通管；分配特性

中圖分類(lèi)號(hào):TH117.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：*2014-12-31

基金項(xiàng)目：北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：PHR201107109)

作者簡(jiǎn)介：孫啟國(guó)(1963-)，男，山東煙臺(tái)人，教授，研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)與工業(yè)潤(rùn)滑技術(shù)、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制。

通訊作者：陳超洲(1988-)，男，湖北天門(mén)人，碩士，研究方向：油氣通渭系統(tǒng)水平管理的ECT系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)中采用普通的T型接頭就可實(shí)現(xiàn)均勻分配，而氣液兩相環(huán)狀流由于康達(dá)效應(yīng)的影響，分配問(wèn)題變得復(fù)雜，并且造成兩出口的油氣分配嚴(yán)重不均，甚至油氣分離。目前，關(guān)于康達(dá)效應(yīng)對(duì)油氣環(huán)狀流分配特性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做出了相關(guān)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(duì)支管出口的油氣分配確實(shí)存在明顯影響。因此，普通的三通接頭并不能應(yīng)用到油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中對(duì)油氣環(huán)狀流進(jìn)行油氣分配。為了盡量避免康達(dá)效應(yīng)對(duì)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(rùn)滑系統(tǒng)管道中環(huán)狀流一分二的分配器，并結(jié)合CFD數(shù)值計(jì)算對(duì)不同結(jié)構(gòu)的圓弧型三通的油氣分配特性進(jìn)行了理論分析。改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的三通管道，對(duì)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(xué)模型的建立

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中，油氣環(huán)狀流的兩相(油液和氣體)并沒(méi)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(dòng)油膜向前移動(dòng)。所以，采用Hirt和Nichols[3]提出的VOF界面線性插值方法，該方法運(yùn)用第二相的體積分?jǐn)?shù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)界面追蹤，適用于計(jì)算任何多相不混合且相互間滑移可以忽略的流體。本文設(shè)置第一相為氣體，第二相為油液。

1.1控制方程

對(duì)油氣分配器內(nèi)部的流場(chǎng)[4]建立：

(1)

式中：t為時(shí)間，s；ρ為流體密度；·V為速度散度，指每單位體積運(yùn)動(dòng)著的流體微團(tuán)體積相對(duì)變化的時(shí)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?jǐn)?shù)。

(3)

(4)

(5)

式中：u，v，w分別為x，y，z三個(gè)方向的速度，m/s；P為流體微團(tuán)上的壓強(qiáng)，Pa；fx，fy，fz分別為x，y，z三個(gè)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(yīng)力，N。

1.2標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型

湍動(dòng)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(dòng)能k與耗散率ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM描述湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)耗散率的影響；Sk與Sε是用戶(hù)定義的源項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； 可表示成與ε的函數(shù)：

(8)

式中：Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2物理模型的建立與仿真計(jì)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(zhǎng)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h(yuǎn)2=34 mm；入口至分歧管的距離h3=50 mm；水平管長(zhǎng)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(shí)際尺寸如圖1所示。并在Gambit中對(duì)圖1所示的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用Tet/Hybird，間距設(shè)置為0.8。網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)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(shè)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(shè)為105Pa。通道壁的設(shè)置為無(wú)滑移、無(wú)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(shè)置中，油作為第二相的體積分?jǐn)?shù)設(shè)置為0，而油的入口邊界中設(shè)置油的體積分?jǐn)?shù)為1，收斂精度設(shè)為0.001。

初始值的設(shè)定對(duì)最終的結(jié)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(jì)算的速度，而如果遠(yuǎn)離收斂解，則會(huì)增加迭代步數(shù)，加長(zhǎng)計(jì)算的過(guò)程，甚至造成計(jì)算無(wú)法收斂。本工作將對(duì)選定計(jì)算區(qū)域內(nèi)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化。

3數(shù)值模擬結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1流場(chǎng)分布特性

通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算得出T型三通和圓弧型三通內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)跡線分布、氣液相分布、及動(dòng)壓分布圖，如圖3～5所示。

圖3　氣液相分布對(duì)比圖

圖4　質(zhì)點(diǎn)跡線分布對(duì)比圖

圖5　動(dòng)壓對(duì)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(shí)，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(wú)油膜。結(jié)合圖4可知，部分氣相質(zhì)點(diǎn)碰撞到T型三通叉道后水平支管上壁面后反彈，再與進(jìn)入支管的氣液相質(zhì)點(diǎn)摩擦、碰撞，所以交叉處的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較紊亂，這也是T型三通叉道處上壁面無(wú)油膜的原因。圓弧型三通有圓弧型管道的過(guò)渡，質(zhì)點(diǎn)以漸變的形式順利過(guò)渡到水平支管，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，并且對(duì)壁面沒(méi)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)壓逐漸減小，環(huán)狀流流動(dòng)叉道時(shí)，截面面積突然增大，動(dòng)壓在水平支管兩端入口急劇減小。流體質(zhì)點(diǎn)的相互摩擦與碰撞導(dǎo)致岔道處水平管上壁面動(dòng)壓較大，而下壁面動(dòng)壓較小。圓弧型三通豎直段內(nèi)流體動(dòng)壓沒(méi)有明顯變化，環(huán)狀流運(yùn)動(dòng)到圓弧段入口時(shí)，由于對(duì)環(huán)狀流的一分二分配，截面面積增大，動(dòng)壓急劇減小，環(huán)狀流流過(guò)弧形彎道后，動(dòng)壓分布較為均勻。

總之，T型三通在叉道附近流動(dòng)紊亂，高速氣相的質(zhì)點(diǎn)對(duì)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(méi)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(píng)價(jià)

T型三通和圓弧型三通內(nèi)環(huán)狀流的流動(dòng)為非定常流動(dòng)，要研究?jī)煞N三通結(jié)構(gòu)形式的不同所引起的內(nèi)部流場(chǎng)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(dòng)，出口處油液流量的波動(dòng)等分配性能指標(biāo)。對(duì)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(dòng)，出口處油液流量的波動(dòng)情況，從而進(jìn)一步得出兩種三通結(jié)構(gòu)形式的不同對(duì)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(shí)，T型三通與圓弧型三通的出口2隨時(shí)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(dòng)較為穩(wěn)定，與理想值的偏差較小，可以滿足工程應(yīng)用的需求。從而進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)，0～0.2 s時(shí)間段，圓弧型三通的氣相分流系數(shù)較為平穩(wěn)，說(shuō)明圓弧型三通對(duì)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(shí)，兩種模型的三通管道的液相分流系數(shù)，相對(duì)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(shuō)明圓弧型三通接頭對(duì)油氣環(huán)狀流的均勻分配起到了很好的導(dǎo)流作用；而且，圓弧型彎管在一定程度上減小了高速氣體對(duì)管壁的沖擊，使得環(huán)狀流均勻地分配到水平支管當(dāng)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(lái)講，應(yīng)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(guān)參數(shù)分析

對(duì)水平支管內(nèi)不同截面的壓力參數(shù)、速度參數(shù)進(jìn)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(lái)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(shè)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(shí)，T型三通和圓弧型三通水平支管截面1～5的壓力計(jì)算結(jié)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(shí)，圓弧型三通的總壓、動(dòng)壓、靜壓均較T型三通的大，說(shuō)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(jì)算截面總壓、動(dòng)壓及靜壓的數(shù)據(jù)

表2　圓弧型三通計(jì)算截面總壓、動(dòng)壓及靜壓的數(shù)據(jù)

圖9和圖10分別為T(mén)型三通與圓弧型三通不同截面總壓、動(dòng)壓及靜壓波動(dòng)曲線，由圖9可知，20～30 mm段動(dòng)壓小于靜壓，說(shuō)明岔道處的壓力損失較大；30～60 mm段動(dòng)壓大于靜壓，說(shuō)明支管內(nèi)的動(dòng)壓有所恢復(fù)，但是趨于逐漸減小。由圖10可知，20～48 mm段動(dòng)壓小于靜壓。說(shuō)明圓弧型岔道處壓力損失較小，氣相對(duì)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(dòng)壓及靜壓波動(dòng)曲線

圖10　圓弧型三通不同截面總壓、動(dòng)壓及靜壓波動(dòng)曲線

(2)速度及湍流能參數(shù)分析

表3、4分別為T(mén)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(shí)，T型三通的平均流速要小于圓弧型三通，同時(shí)，隨著水平支管長(zhǎng)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(dòng)能越大，說(shuō)明在T型三通岔道處的能量損失較大，在岔道處會(huì)形成回流，并且對(duì)水平支管環(huán)狀流的流型有較大影響，對(duì)而圓弧型三通岔道處的影響較小。

表3　T型三通計(jì)算截面速度及湍流能數(shù)據(jù)

表4　圓弧型三通計(jì)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(mén)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(duì)比兩圖可知，T型三通水平支管內(nèi)的氣液分布不均勻，潤(rùn)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(rùn)滑油在軸向分布較為均勻，且管道中心基本不含液滴，各個(gè)截面上基本都能形成均勻的環(huán)狀流，對(duì)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(dǎo)致水平支管不同截面上壁面無(wú)油膜的主要原因，高速氣體對(duì)管壁的沖擊造成的。圓弧型三通水平支管的各個(gè)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(dòng)環(huán)形油膜沿壁面流動(dòng)，從而保持了環(huán)狀流的流型，有利于環(huán)狀流的輸送。

4結(jié)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(duì)T型三通與圓弧型三通模型進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)入口流型為環(huán)狀流時(shí)，通過(guò)比較圓弧型三通與T型三通對(duì)油氣環(huán)狀流的分配特性，得出結(jié)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(shí)康達(dá)效應(yīng)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(duì)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(shí)，隨著水平支管長(zhǎng)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(dòng)能越大，能量損失較大。

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