油氣潤(rùn)滑環(huán)狀流在突縮管內(nèi)的流動(dòng)特性研究*

王 瑩，孫啟國(guó)，耿亞萌，陳東旭

(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(rùn)滑作為一種新型的潤(rùn)滑方式被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中，其工作原理是將潤(rùn)滑油由壓縮空氣帶動(dòng)在管道中形成環(huán)狀流，最終氣液兩相以環(huán)狀流的形態(tài)作用在潤(rùn)滑點(diǎn)上。對(duì)于油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)而言，管道內(nèi)穩(wěn)定的環(huán)狀流是保證潤(rùn)滑效果的關(guān)鍵，因此在流動(dòng)過(guò)程中環(huán)狀流的特性研究就變得尤為重要［1］。突縮管是在工程實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用的一種管件，因此對(duì)油氣兩相環(huán)狀流流經(jīng)突縮管時(shí)的特性進(jìn)行研究十分必要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)油氣環(huán)狀流的流動(dòng)特性也進(jìn)行了深入的研究。李志宏［2］研究了環(huán)狀流在水平管中的形成過(guò)程與流動(dòng)特性;汪雄獅［3］研究了環(huán)狀流通過(guò)突擴(kuò)管時(shí)的流動(dòng)特性;Miguel Padilla［4］等人研究了特定型號(hào)的突縮管內(nèi)兩相流的流動(dòng)特性;Ing Youn Chen［5］等人研究了兩相流通過(guò)突縮管道的流動(dòng)特點(diǎn)，但他選取了由矩形管道到圓形管道的突縮管件，不具有普遍適用性。

筆者利用Fluent仿真軟件對(duì)油氣環(huán)狀流流經(jīng)突縮管進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究?jī)上嗔髁鹘?jīng)突縮管的流動(dòng)特性，分析了兩相流中的縮脈現(xiàn)象，并改變突縮管結(jié)構(gòu)與氣相速度，分析總結(jié)出兩相流流經(jīng)突縮管的規(guī)律性結(jié)論，具有普遍適用性。

1 仿真模型的建立

油氣潤(rùn)滑過(guò)程中油氣兩相流通過(guò)突縮的情況如圖1所示，D1為突縮管前段管徑，D2為突縮后段管徑，油氣潤(rùn)滑過(guò)程中油和氣兩相呈環(huán)狀流狀態(tài)輸運(yùn)，設(shè)定液相半徑為d。為了更好地體現(xiàn)突縮管的結(jié)構(gòu)特征，筆者定義了一種突縮系數(shù)C，單位為mm，則:

式中:D1分別取8 mm、10 mm、12 mm、16 mm、18 mm、20 mm，D2固定為6 mm［6］，則突縮系數(shù) C取值分別為10.7 mm、16.7 mm、24.0 mm、42.7 mm、54.0 mm、66.7 mm。

圖1 氣液兩相環(huán)狀流下的突縮管模型

通過(guò)Gambit建立仿真模型見(jiàn)圖2。

圖2 突縮管模型及網(wǎng)格劃分

突縮前段長(zhǎng)為30 mm，突縮后段長(zhǎng)為100 mm。仿真設(shè)定為速度入口，壓力出口。液相入口速度設(shè)定為3 cm/s，氣相入口速度分別設(shè)定為50 m/s，60 m/s，70 m/s，80 m/s［7］。壁面無(wú)滑動(dòng)，氣相與液相的接觸角為30o，重力方向?yàn)?Y方向，為9.81 kg/m2。具體仿真設(shè)置如表1。

表1 仿真設(shè)定

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 油膜分布

當(dāng)C=10.7 mm時(shí)，即D1取8 mm時(shí)，氣速分別選取 50 m/s，60 m/s，70 m/s，80 m/s，截取突縮管 X=0截面，得到突縮管內(nèi)油膜分布圖如圖3所示。

圖3 不同氣速下的油膜分布

由圖3可看出，隨著氣速的增加，突縮截面對(duì)于環(huán)狀流的影響越明顯。氣速在50 m/s、60 m/s時(shí)，在經(jīng)過(guò)突縮面后環(huán)狀流仍保持穩(wěn)定，仍可在上下壁面形成均勻連續(xù)的油膜。當(dāng)氣速達(dá)到70 m/s、80 m/s時(shí)，環(huán)狀流在經(jīng)歷突縮截面后，油膜產(chǎn)生較大波動(dòng)，在管中存在液滴夾帶，且管道上、下壁面的油膜厚度有明顯差別。因此可知，以低氣速通過(guò)突縮管更有利于油氣兩相流的穩(wěn)定傳輸。

圖4表示不同突縮管內(nèi)油氣環(huán)狀流的油膜分布圖。在突縮截面的前段，隨著突縮系數(shù)C的增加，油氣環(huán)狀流液相在突縮截面的堆積現(xiàn)象越明顯;在突縮截面后段，隨著C的增加，油氣環(huán)狀流被破壞的程度逐漸增加。對(duì)于C=10.7 mm和C=16.7 mm環(huán)狀流經(jīng)過(guò)突縮截面后，在管道的上下壁面出現(xiàn)不同程度的油膜的波動(dòng)，但油膜分布相對(duì)均勻，未出現(xiàn)明顯的油膜斷裂現(xiàn)象。對(duì)于C=24.0 mm和C=42.7 mm來(lái)說(shuō)，環(huán)狀流在經(jīng)過(guò)突縮截面后，管道內(nèi)出現(xiàn)明顯的液滴夾帶現(xiàn)象，油膜厚度明顯減小且波動(dòng)性增加，局部出現(xiàn)油膜斷裂的現(xiàn)象。對(duì)于C=54.0 mm和C=66.7 mm，在突縮截面前段，出現(xiàn)明顯的液相堆積，液膜厚度劇增，在經(jīng)過(guò)突縮截面后，油膜分布呈不連續(xù)狀態(tài)，且管道上表面油膜分布明顯多于下表面。因此可知，突縮系數(shù)越小，越有利于環(huán)狀流輸運(yùn)。

圖4 不同突縮管內(nèi)的油膜分布

由圖3、4可看出，油氣環(huán)狀流通過(guò)突縮面后出現(xiàn)縮脈的現(xiàn)象，由于環(huán)狀流的流動(dòng)特性，液相在管道壁面流動(dòng)，因此縮脈主要是由氣相主導(dǎo)。隨著氣速和突縮系數(shù)C的增加，縮脈出現(xiàn)的位置距離突縮面逐漸增加，縮脈面積逐漸減小，經(jīng)過(guò)縮脈后的擴(kuò)大趨勢(shì)越明顯，縮脈現(xiàn)象對(duì)兩相流的破壞程度增加，并伴隨著液滴的堆積，在突縮系數(shù)達(dá)到54.0 mm時(shí)，突縮管后段無(wú)法形成穩(wěn)定環(huán)狀流。

2.2 壓力分析

突縮管內(nèi)壓力是維持環(huán)狀流穩(wěn)定的關(guān)鍵性因素，突縮截面會(huì)增加環(huán)狀流在管道內(nèi)運(yùn)輸?shù)膲毫p失。對(duì)于縮脈現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，壓降的大小與縮脈處面積的大小有直接關(guān)系，壓降越大則脈縮處的面積越小。改變氣速并提取突縮截面前后壓力降，得到管內(nèi)壓降與氣速的關(guān)系圖，如圖5所示。由圖可看出，隨著氣速的增加，壓降從5 000～16 000 Pascal逐漸增加。氣速在60 m/s以內(nèi)，壓降與氣速呈線性關(guān)系，趨勢(shì)緩慢;當(dāng)氣速大于60 m/s時(shí)，可近似看成壓降與氣速呈線性關(guān)系，且比例系數(shù)增大。

突縮管內(nèi)壓降與突縮系數(shù)C關(guān)系曲線，如圖6所示。隨著C增大，壓降從100 000～400 000 Pascal呈上升趨勢(shì)。C在16.7 mm以內(nèi)，壓降增加緩慢;當(dāng)C在16.7～54.0 mm范圍里，壓降隨著突縮系數(shù)的增加而緩慢增加，相對(duì)平穩(wěn);當(dāng)C大于54.0 mm時(shí)，壓降隨突縮系數(shù)的增加陡然增加，此時(shí)突縮管結(jié)構(gòu)對(duì)壓降產(chǎn)生了較大影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)?shù)慕o與考慮，不可忽略。

圖5 壓降與氣速關(guān)系曲線

圖6 壓降與突縮系數(shù)關(guān)系曲線

2.3 速度分析

管內(nèi)兩相的速度是判定兩相流處于何種狀態(tài)的重要依據(jù)，對(duì)于縮脈現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，縮脈出現(xiàn)的位置，即為速度達(dá)到最大值的位置。不同氣速條件下的突縮管內(nèi)的速度分布如圖7所示，由圖可看出，隨著氣速的增加，管內(nèi)速度數(shù)值整體增加;在突縮管前段，速度減小幅度增加;通過(guò)突縮截面后，由于慣性存在，速度存在先減小再增大的過(guò)程，此過(guò)程發(fā)生位置稱為速度緩沖區(qū)。隨著氣速增加，在突縮管后段，速度的緩沖區(qū)逐漸增加，管內(nèi)最大速度出現(xiàn)的位置距離突縮面的距離逐漸增加，且速度的增長(zhǎng)幅度增加，導(dǎo)致局部產(chǎn)生兩相流的擾動(dòng)，對(duì)于兩相環(huán)狀流的輸運(yùn)產(chǎn)生干擾。

圖7 不同氣速下的突縮管內(nèi)速度分布

不同突縮管內(nèi)的速度分布如圖8所示。由圖可看出，隨著突縮系數(shù)C的增加，突縮管前段速度減小幅度增加，因此就造成在突縮系數(shù)C較大時(shí)的液相堆積;在突縮管后段，管內(nèi)速度數(shù)值增加，且增大幅度隨著突縮系數(shù)C的增加而增加，且最大速度出現(xiàn)的位置距突縮截面的距離逐漸增大，即脈縮的位置與突縮截面的距離逐漸增加。

由圖7、8可看出，速度在突縮管前段逐漸減小，隨著氣速和突縮系數(shù)的增加，兩相流速度減小幅度增大，因此易出現(xiàn)液相的堆積;在突縮管后段，通過(guò)突縮截面后的速度緩沖區(qū)域隨氣速和突縮系數(shù)的增加而增加，導(dǎo)致最大速度位置后移，速度大幅增加，且在管道內(nèi)對(duì)環(huán)狀流的形成產(chǎn)生干擾，不利于環(huán)狀流的輸運(yùn)。

圖8 不同突縮管內(nèi)的速度分布

3 結(jié)論

基于Fluent軟件，對(duì)油氣潤(rùn)滑中油氣兩相環(huán)狀流流經(jīng)突縮管的過(guò)程進(jìn)行仿真，并定義了一種突縮系數(shù)，研究環(huán)狀流在突縮管內(nèi)的流動(dòng)特性。通過(guò)仿真得到突縮管內(nèi)的油膜，壓降及速度分布圖，討論了兩相環(huán)狀流通過(guò)突縮管所產(chǎn)生的縮脈現(xiàn)象，得出結(jié)論:

(1)兩相環(huán)狀流通過(guò)突縮管突縮截面時(shí)發(fā)生縮脈現(xiàn)象，且隨著氣速的增加和突縮系數(shù)C的增加，縮脈出現(xiàn)位置距離突縮截面越來(lái)越遠(yuǎn)，縮脈面積逐漸減小，經(jīng)過(guò)縮脈后的擴(kuò)大趨勢(shì)越明顯，縮脈現(xiàn)象對(duì)兩相流的破壞程度增加。

(2)在一定氣速范圍內(nèi)，壓降與氣速呈線性關(guān)系，且隨著氣速增加，線性比例增加，因此脈縮處面積逐漸縮小;當(dāng)C處于16.7 mm到54.0 mm范圍內(nèi)時(shí)，突縮管內(nèi)壓降隨著C的增加而緩慢增加，但當(dāng)C大于54.0 mm時(shí)，壓降陡然增加，此時(shí)突縮系數(shù)對(duì)環(huán)狀流破壞嚴(yán)重。

(3)隨著氣速和突縮系數(shù)的增加，速度緩沖區(qū)減小，則在突縮后段速度存在大幅增加的趨勢(shì)，易于產(chǎn)生擾動(dòng)，不利于環(huán)狀流輸運(yùn);隨著氣速和突縮系數(shù)的增加，最大速度位置與突縮截面的距離逐漸增加，因此縮脈出現(xiàn)位置與突縮截面的距離逐漸增加。

該結(jié)論普遍適用于油氣兩相流通過(guò)突縮管，為工程實(shí)踐中對(duì)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用提供了一定的參考意見(jiàn)。

［1］ 孔祥東，姚 靜，俞 濱.油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］.潤(rùn)滑與密封，2012(37)，06:91-95.

［2］ 李志宏.油氣潤(rùn)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.

［3］ 汪雄獅.油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)中環(huán)狀流流過(guò)突擴(kuò)管時(shí)的流動(dòng)特性［J］.機(jī)械，2014，41(2):10-12.

［4］ Miguel Padilla.Two-phase flow of HFO-1234y，R-134a and R-410A in Sudden Contractions:Visualization，Pressure Drop Measurements and New Prediction Method［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，47(2013)186-205.

［5］ Ing Youn Chen.Two-phase Flow Characteristics Across Sudden Contraction in Small Rectangular Channels［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2008(32):1609-1619.

［6］ 朱紅鈞，曹妙渝.油水兩相變徑管流動(dòng)模擬研究［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009(2):10-12.

［7］ 楊和中，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤(rùn)滑技術(shù)(二)［J］.潤(rùn)滑與密封，2003，28(2):90-92.