油氣潤滑管道環(huán)狀流形成及影響因素研究

曾憲文，孫啟國，呂洪波

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

0 引言

油氣潤滑作為一種新興的環(huán)保、節(jié)能型潤滑技術(shù)，能夠?yàn)樵诟咚?、重載、高溫等環(huán)境下工作的裝備提供精準(zhǔn)、連續(xù)、穩(wěn)定的潤滑[1]。油氣潤滑是將潤滑油和氣體在混合器中進(jìn)行混合后流動(dòng)，并在后部輸送管路中發(fā)展成為環(huán)狀流并進(jìn)入分配器，到達(dá)潤滑點(diǎn)進(jìn)行潤滑[2]。由于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送油量的高精度輸送和高效率利用，既滿足了裝備潤滑的需求又不造成潤滑油過多浪費(fèi)，油氣潤滑正逐漸代替如油霧潤滑等方式，應(yīng)用日益廣泛。從油氣潤滑原理上講，需要在管道中形成油氣兩相狀環(huán)流，即要求低速流動(dòng)油液在高速氣體的作用下，貼近管壁以環(huán)狀流連續(xù)流動(dòng)無斷續(xù)；從裝備潤滑要求上看，由于對(duì)潤滑油量的精確計(jì)算，要求每次供油都能平穩(wěn)送油，使得單個(gè)潤滑周期內(nèi)，裝備不因缺油而造成發(fā)熱和磨損，也不因油多而造成浪費(fèi)[3]。因此將油氣環(huán)狀流的優(yōu)劣用連續(xù)性、均勻性、平穩(wěn)性三個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)，即油氣管道中油膜連續(xù)，沿流動(dòng)方向各截面油液的含率波動(dòng)小，經(jīng)過出口截面處油液質(zhì)量流量隨時(shí)間波動(dòng)性小。

本文以氣液兩相流理論為基礎(chǔ)，基于FLUENT仿真軟件，考慮了重力對(duì)油氣流動(dòng)過程的影響，對(duì)油氣在混合器后部水平輸送管內(nèi)環(huán)狀流的形成發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了氣體速度和油液速度兩個(gè)因素[4]對(duì)環(huán)狀流穩(wěn)定性的影響。

1 水平管內(nèi)油氣環(huán)狀流仿真模型建立

1.1 幾何模型

主要研究油液和氣體在水平輸送管內(nèi)流動(dòng)形成穩(wěn)定環(huán)狀流的過程，故忽略其上游混合器和下游分配器的結(jié)構(gòu)，只對(duì)管道進(jìn)行二維建模。實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場生產(chǎn)中，混合器后部管道直徑為D2mm-D18mm不等，管長由現(xiàn)場裝備和油氣潤滑系統(tǒng)安裝距離決定，但過小的管長不足以發(fā)展出環(huán)狀流型，管長一般最小為0.5m，最長可達(dá)100m[3]。為加快計(jì)算速度，本文仿真中，設(shè)定水平管內(nèi)徑選為最常用的D6mm，管長為500mm。參考Huawei Han等人的建模方式[5]，建立模型如圖1所示，其中管道中心為氣體入口，尺寸為D5 mm，其余環(huán)狀部分為油入口。

圖1 管道幾何模型

1.2 理論方程

油氣二相流動(dòng)過程的數(shù)值仿真受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律?？刂品匠淌沁@些守恒定律的數(shù)學(xué)描述：

1) 質(zhì)量守恒方程

(1)

式中，u,v,w為流體質(zhì)點(diǎn)x,y和z方向的速度分量。

2) 動(dòng)量守恒方程

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體的密度(kg/m3)，p為管內(nèi)流體的壓強(qiáng)(Pa)，μ為流體的動(dòng)力黏度(Pa·s)，F(xiàn)x、Fy和Fz分別為微元體上的體力(N)。

1.3 網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖1所示的物理模型，用gambit劃分網(wǎng)格。由于油的波動(dòng)主要發(fā)生在油氣兩相的接觸的表面，所以為了獲取油膜情況，在壁面要?jiǎng)澐诌吔鐚泳W(wǎng)格加密，靠近中間軸部網(wǎng)格可以稀疏一些，網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件

在仿真計(jì)算過程中，計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，采用enhanced wall treatment來處理近壁面的流體流動(dòng)情況，選擇幾何重構(gòu)法來捕捉油氣界面的瞬態(tài)變化。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，表示在中間入口只有氣體而沒有油進(jìn)入，而油的入口邊界中設(shè)置油的體積分?jǐn)?shù)為1,也就是在環(huán)形入口中全部都是油。右端面為出口，設(shè)置為壓力出口。

考慮到實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場溫度比較恒定，油氣在混合器和輸送管內(nèi)的溫度基本等同室溫。故取20℃下油液和氣體的材料屬性，如表1所示。

表1 油、氣物理性質(zhì)

1.5 初始條件

t=0時(shí)刻，管道中第二相體積分?jǐn)?shù)為0，即管中充滿空氣。壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，重力加速度為-9.81N/kg。

2 數(shù)值仿真邊界條件的確定

2.1 仿真結(jié)果與分析

設(shè)置油液入口速度為Vl為0.5m/s，氣體入口速度Vg為60m/s，進(jìn)行仿真模擬。計(jì)算0.5s，提取距離出口50mm段的流場云圖。

圖3為油氣出口處的油液分布情況，紅色區(qū)域代表潤滑油流場，藍(lán)色區(qū)域?yàn)闅怏w流場。由圖可知潤滑油在出口處已經(jīng)形成連續(xù)的環(huán)狀流，油膜分布比較均勻，中間管道部分沒有懸浮的液滴出現(xiàn)，潤滑油均附著在管壁上流動(dòng)進(jìn)入分配器，保證了進(jìn)入各潤滑點(diǎn)的油量均勻。

圖3 流場云圖

2.2 油液入口速度范圍的確定

在實(shí)際生產(chǎn)中，油液是間歇供給，單次供油量的多少取決于不同的應(yīng)用場合及供油頻率，本文選定油液的入口速度為0.3m/s，0.5m/s及1m/s。

2.3 產(chǎn)生環(huán)狀流的氣體速度范圍的確定

保持其他設(shè)置和油液入口速度不變，分別令氣體入口速度為10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，60m/s，80m/s，90m/s進(jìn)行計(jì)算。

通過觀察流場油氣分布云圖，可以看到氣體速度為90m/s時(shí)，氣體速度過大，油液被迅速鋪展，油膜變薄，導(dǎo)致部分位置油液受到的剪切力過大而剝離壁面而不能夠形成連續(xù)的環(huán)狀流，在管路中存在大量如圖4所示的間斷的情況。而當(dāng)氣體速度為10m/s時(shí)(圖5)，沿著流體流動(dòng)方向氣體對(duì)油液的承載能力減弱，在重力作用下油液會(huì)逐漸積聚在管道底部，無法形成環(huán)狀流。其他氣體速度下均能夠形成環(huán)狀流，因此后文的分析中就不再考慮這兩種工況。本文中取得氣體入口速度范圍為20m/s到80m/s。

圖4 Vg=90m/s，Vl=1m/s時(shí)管內(nèi)油氣分布圖

圖5 Vg=10m/s，Vl=0.3m/s時(shí)管內(nèi)油氣分布圖

3 環(huán)狀流連續(xù)性及均勻性分析

從入口處沿管道方向每隔10mm建立1條線，共50條。以此線上含油率代表仿真中該處截面上含油率，并提取每工況下各截面上的油含率，得到三種油液速度下，各自截面含油率在不同氣體速度下沿管路方向的波動(dòng)，如圖6所示。

由圖6可以看出，當(dāng)油液速度一定時(shí)，氣體速度越大，各截面的含油率就越低，說明油膜就越薄，這是由于入口油液總流量不變，油液進(jìn)入管道后在氣體的攜帶下加速運(yùn)動(dòng)，氣體速度越大油液鋪展越快，油膜厚度便逐漸變小。當(dāng)氣體速度為80m/s時(shí)，平均油液厚度最小，50組結(jié)果中有多組含氣率超過95%，尤其是油液速度較小時(shí)，出現(xiàn)了部分含油率接近為零的面，表示對(duì)應(yīng)截面處油液厚度極小。提高氣體速度再進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，可以看到壁面出現(xiàn)如圖4所示油膜較薄甚至斷續(xù)的情況，油氣環(huán)狀流的連續(xù)性難以保證，易出現(xiàn)壁面“干燥”[5]。油膜的連續(xù)性就受到破壞。其他幾組工況均沒有出現(xiàn)含油率接近為零的情況，說明這些條件下油液的連續(xù)性較好。

當(dāng)氣體速度降為20m/s，隨著油量的增加，油膜厚度增大，軸向的波動(dòng)性增大，軸向均勻性降低。而當(dāng)氣體速度繼續(xù)減小，則沒有足夠的能量帶動(dòng)潤滑油，則會(huì)出現(xiàn)圖5所示的油液積淀在管道底部的情況，而無法形成環(huán)狀流。

當(dāng)氣體速度40m/s～80m/s時(shí)，對(duì)比圖6中(a)、(b)、(c)三圖，看到隨著油量的增大截面含油率的平均數(shù)值變化不大，但是沿軸向的波動(dòng)性變化也不是特別明顯。說明氣體速度在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，油量的小范圍改變，并不會(huì)影響油膜的連續(xù)性和軸向的均勻性。

圖6 不同工況下截面含油率的波動(dòng)

4 環(huán)狀流穩(wěn)定性分析

理想環(huán)狀流穩(wěn)定性的要求是指同一位置處油液的質(zhì)量流量保持不變。本文提取管道出口處的質(zhì)量流量，研究其隨時(shí)間的波動(dòng)情況。

當(dāng)油液速度為0.3m/s，0.5m/s，1m/s時(shí)，分別取氣體入口速度為20 m/s，30m/s，40m/s， 60m/s，80m/s。提取出口截面處油液質(zhì)量流量。結(jié)果如圖7，圖8，圖9所示。

圖7 油液速度0.3 m/s油液流量

圖8 油液速度為0.5 m/s油液流量

圖9 油液速度為1 m/s油液流量

4.1 氣體入口速度對(duì)環(huán)狀流穩(wěn)定性的影響

通過比較圖7，圖8，圖9可得，當(dāng)油液速度不變時(shí)，氣體入口速度為20m/s，通過出口處的油液的質(zhì)量流量較小，但是波動(dòng)相對(duì)較小這是因?yàn)闅怏w對(duì)油液的攜帶能力不足；速度為30m/s～40m/s時(shí)，波動(dòng)較大如圖8和圖9所示，這是重力和氣體的剪切力的共同影響，使管道中出現(xiàn)大的油滴造成的；隨著氣體速度的進(jìn)一步增加到60m/s到80m/s時(shí)，出口油量的波動(dòng)反而有所降低，這是因?yàn)闅怏w速度較大能夠使油液貼合在壁面，不易出現(xiàn)油滴進(jìn)入管道中心的現(xiàn)象。由此可得結(jié)論：當(dāng)油液入口速度一定時(shí)，增大氣體入口速度可以提高油液輸送穩(wěn)定性。

4.2 油液入口速度對(duì)環(huán)狀流穩(wěn)定性的影響

當(dāng)氣體速度一定時(shí)，增加油液入口速度有助于促進(jìn)油液流動(dòng)穩(wěn)定性，尤其是在氣體速度較高時(shí)，增加油的量，油膜厚度增加，油液間的相互吸附作用增強(qiáng)，有助于保持油膜的連續(xù)性。結(jié)合流動(dòng)均勻性及連續(xù)性的分析結(jié)果，氣體出口速度在60m/s～80m/s，油液流量穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

1) 通過觀察各工況下的油氣兩相流在管道中的分布，確定了可以形成較好環(huán)狀流的氣體速度范圍是 20m/s～80m/s。

2) 在氣體速度較低時(shí)，油液量的變化對(duì)環(huán)狀流的影響較小。而當(dāng)油量一定時(shí)，氣體速度在60m/s～80m/s時(shí)的較好。

[1] 張劍, 金映麗, 馬先貴,等.現(xiàn)代潤滑技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2008:254～260.

[2] 閻通海，何立東.氣液兩相流體冷卻潤滑技術(shù)及應(yīng)用[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 1995.

[3] 楊中和, 劉厚飛.TURBOLUB油氣潤滑技術(shù)(一)[J].潤滑與密封, 2003 (1): 108-110.

[4] 李志宏.油氣潤滑水平管內(nèi)環(huán)狀流流動(dòng)特性研究[D].北京: 北方工業(yè)大學(xué),2012.

[5] Huawei Han, Kamiel Gabriel.A Numberical Study of Entrainment Mechanism in Axisymmetric Annular Gas-Liquid Flow.Jouranl of Fluids Engineering, 2007, 129: 293-301.