基于Fluent的油氣兩相射流仿真分析

牛鵬，孫啟國(guó)，呂洪波

（北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

油氣潤(rùn)滑是一種新型的潤(rùn)滑技術(shù)，它具有單相流體潤(rùn)滑無可比擬的優(yōu)越性，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高溫、重載、高速、極低速以及有冷卻水和臟物侵入潤(rùn)滑點(diǎn)的惡劣工況條件的場(chǎng)合［1］。噴嘴是潤(rùn)滑系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，它的出口流動(dòng)特性決定著軸承腔內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，它的性能將直接影響系統(tǒng)的潤(rùn)滑效果。近年來，油氣潤(rùn)滑噴嘴的研究逐漸成熟，北京科技大學(xué)的陳宏軍通過噴嘴油氣兩相射流的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出滿足拉矯機(jī)傳動(dòng)裝置的潤(rùn)滑噴嘴［2］，武漢理工大學(xué)的張友平根據(jù)公理設(shè)計(jì)原理分析了噴嘴特征參數(shù)對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的影響［3］。東南大學(xué)的毛和兵通過試驗(yàn)研究了噴嘴個(gè)數(shù)、長(zhǎng)徑比以及噴嘴到軸承球體的距離對(duì)軸承溫升的影響［4］。本文利用Fluent軟件，基于油氣環(huán)狀流進(jìn)行了二維噴嘴的內(nèi)流場(chǎng)和外流場(chǎng)的仿真計(jì)算，得到了油氣兩相射流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)，為油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)選擇潤(rùn)滑噴嘴、優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)提供了一定的理論參考。

1 潤(rùn)滑噴嘴模型

在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，滾動(dòng)軸承的油氣潤(rùn)滑噴嘴一般采用環(huán)形或針形噴嘴，齒輪、鏈條的油氣潤(rùn)滑噴嘴一般采用扇形噴嘴。本文主要對(duì)針形噴嘴進(jìn)行仿真分析，簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

其中噴孔直徑D和長(zhǎng)徑比l/d是噴嘴設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，直接影響外流場(chǎng)的噴射狀態(tài)。收縮角α對(duì)流動(dòng)的阻力、出口射流的破裂和卷吸都有明顯影響。噴嘴直徑是噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)首先要選定的重要參數(shù)，它決定了噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)的壓力能－噴射速度的轉(zhuǎn)化效率，所以采用基本尺寸一致但出口直徑D大小不同的三種模型進(jìn)行仿真。

圖1 噴嘴流場(chǎng)模型示意圖

主要模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 噴嘴模型參數(shù)

2 控制方程與邊界條件

假設(shè)潤(rùn)滑油和空氣均為不可壓縮流體，不考慮能量方程，流體控制方程如式（1）所示:

連續(xù)方程:

動(dòng)量方程:

多相流模型采用VOF模型，定義空氣為第一相，潤(rùn)滑油為第二相。各相體積分?jǐn)?shù)由守恒方程決定:

式中:p為流體時(shí)均壓力;ρ為流體密度;u為流體速度;g為重力加速度;F為體積力;f為液相體積分?jǐn)?shù);下標(biāo)1和2表示氣相和液相;i，j為張量符號(hào)［5］。

3 模型仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 Fluent計(jì)算初始條件:

1）采用速度入口和壓力出口邊界;

2）湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε湍流模型;

3）多相流模型采用VOF模型;

4）壓力速度耦合采用二階精度simple算法。

3.2 噴嘴結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分

圖2為 D1=8 mm，D2=2 mm，α =75°，L=20 mm 的噴嘴流場(chǎng)網(wǎng)格示意圖，噴嘴外流場(chǎng)設(shè)置為30倍D2長(zhǎng)，10倍D2寬。為了能夠清晰捕捉兩相交界面，在噴嘴管道內(nèi)壁和外流場(chǎng)中心處網(wǎng)格適當(dāng)加密，為了保證射流外流場(chǎng)的流動(dòng)形態(tài)，外流場(chǎng)四周均設(shè)置為壓力出口。

圖2 噴嘴流場(chǎng)網(wǎng)格示意圖

在潤(rùn)滑油管道末端的內(nèi)壁上會(huì)形成的一層非常薄的油膜，u油=2 ～5 cm/s，u氣=30 ～80 m/s，壓縮空氣速度遠(yuǎn)大于油液速度，所以近似認(rèn)為u油為零［6-7］;入口空氣速度u氣取 10 m/s，20 m/s，30 m/s［8］。仿真初始時(shí)刻，假設(shè)油膜厚度為0.5 mm，油膜長(zhǎng)度為20 mm，模型設(shè)定潤(rùn)滑油的初始狀態(tài)如圖3和圖4所示。

圖3 噴嘴環(huán)狀流入口模型

圖4 噴嘴內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)流示意圖

4 仿真結(jié)果分析

4.1 噴嘴內(nèi)流場(chǎng)的橫向速度分布

將三種噴嘴分別對(duì)入口速度為10 m/s，20 m/s，30 m/s三組參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，部分計(jì)算結(jié)果見圖5-圖7。

如圖4所示，油液流經(jīng)直流段時(shí)會(huì)減小空氣的流道尺寸，進(jìn)而增加空氣的流動(dòng)速度和油液流出噴嘴的速度，噴嘴出口速度的大小會(huì)對(duì)射流液滴的流動(dòng)狀態(tài)造成一定的影響。由圖5～7可得，出口直徑越小，對(duì)噴嘴內(nèi)兩相流體的加速作用越明顯，噴嘴出口速度隨著D2的增加而增大（見表2）。但并不是出口速度越高越好，過高的氣體速度會(huì)造成出口油滴細(xì)化;而過低的速度則會(huì)引起射流油滴的間斷、不均勻，不利于穿透高速滾動(dòng)軸承形成的“氣套”空氣層［9］，從而影響潤(rùn)滑膜的形成。

表2 噴嘴出口最大速度

4.2 噴嘴出口處空氣和油液的速度分布

取直徑D2=2 mm的噴嘴模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出噴嘴出口處的空氣、油液的體積分布和相應(yīng)時(shí)段的速度分布，計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10所示。

由圖8～10得出，噴嘴出口處油滴的速度隨著空氣速度的增大而增大，環(huán)狀流在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)類似環(huán)狀流，但是在收縮口和直流段存在波動(dòng)，油液主要沿著噴嘴內(nèi)壁，經(jīng)空氣加速后流出噴嘴。隨著噴嘴入口速度的增加，出口處空氣的速度急劇增大，但是油液的流動(dòng)速度增加緩慢。

圖10 D2=2 mm v入口=30 m/s出口速度分布

5 結(jié)論

1）基于Fluent軟件，對(duì)油氣兩相噴嘴射流進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，得到了環(huán)狀流在噴嘴內(nèi)流場(chǎng)和外流場(chǎng)的流動(dòng)形態(tài)。

2）油液和空氣在噴嘴直流段內(nèi)相互作用，油液主要經(jīng)噴嘴壁面流動(dòng)，在其他參數(shù)確定的情況下，其流動(dòng)狀態(tài)主要由噴嘴直徑和入口速度決定。

3）在本文模型仿真參數(shù)下，噴嘴直徑D2在2 mm附近時(shí)，射流油滴連續(xù)，速度適中，能夠較好地滿足油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑要求，為油氣系統(tǒng)中噴嘴的設(shè)計(jì)和選型提供了理論依據(jù)。

［1］楊中和，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤(rùn)滑技術(shù)（一）［J］.潤(rùn)滑與密封，2003（01）:107-110.

［2］陳宏軍.拉矯機(jī)滾動(dòng)軸承油氣冷卻潤(rùn)滑研究［D］.北京:北京科技大學(xué)，2001.

［3］張友平.氣液潤(rùn)滑噴嘴的CAE分析研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2007.

［4］毛和兵.高速滾動(dòng)軸承油氣二相流潤(rùn)滑試驗(yàn)研究［D］.南京:東南大學(xué)，2010.

［5］邱慶剛，劉麗娜.噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)性能影響的研究［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2011，24（1）:68-72.

［6］謝黎明，朱旭勝，王巖.氣液兩相流在管內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值研究［J］.設(shè)計(jì)與研究，2011（04）:72-74.

［7］楊中和，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤(rùn)滑技術(shù)（二）［J］.潤(rùn)滑與密封，2003（02）:90-92.

［8］張永峰.油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)用理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

［9］楊中和，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤(rùn)滑技術(shù)（五）［J］.潤(rùn)滑與密封，2003（03）:92-95.