油气润滑系统中弯管内油气两相流数值仿真∗

曾宪文，孙启国，吕洪波

（北方工业大学机电工程学院，北京 100144）

油气润滑系统中弯管内油气两相流数值仿真∗

曾宪文，孙启国，吕洪波

（北方工业大学机电工程学院，北京 100144）

基于FLUENT对油气润滑系统中常见的竖直向下弯管的油气两相流场进行了仿真。通过分析弯管处流场的特性，研究了弯管对油气两相流的影响。结果表明：弯管对油气两相环状流有破坏作用，且这种影响会需要到达直管一定距离后才会消失。

油气润滑；FLUENT；弯管；油气两相流

1 引 言

油气润滑作为一种先进的润滑技术，正被越来越多的应用到工业生产的各个领域。油气润滑实现高效润滑关键技术之一就是要求润滑油能够精细、稳定地到达润滑点［1］，这就要求油气润滑系统管路中的油气两相环状流能够保持一定的稳定性［2］。生产实际中针对不同的工况，油气润滑系统的布置是非常复杂的，油气混合设备的安装位置受到场地区域、待润滑设备的结构形状等的限制及润滑设备同时存在多个润滑点，这些因素决定了油气输送管布置形式必然是多种多样。而弯管是其中最常见的一种形式，弯管对油气两相环状流的影响是环状流出现不稳定的一个重要原因，因此对混合器出口处布置弯管部分研究意义。

管路结构形式对于两相流的影响，也有大量的研究。有些学者对油气两相流流过弯管的局部特性进行了理论和实验研究，提出了新的计算弯管压力损失的计算公式［3－4］。随着计算机水平提高，丁珏等［5］人采用数值模拟的方法，对90°方截面弯管的流动特性进行了研究，为管内流体的研究提供了一种新的方法。高忠信、邓杰等［6］采用了数值仿真的方法，研究了180°圆弯管内的气液两相流的流体特性，数值计算结果和实验结果吻合，证明了数值方法的正确性。以上研究针对油气润滑其油液较少的情况研究较少。

笔者将对竖直向下弯曲管路，利用FLUENT建立三维模型，对弯管部分油气两相流场进行分析，得到其速度场及压力场的分布，并分析出口处的平均压力、速度值及润滑油流量的波动来研究弯管对油气润滑效果的影响。

2 仿真模型的建立

其仿真模型如图1所示，前半部分为油气混合腔体，混合管直径为10 mm，水平直管段长度为400 mm，竖直向下部分长为 100 mm，弯曲半径为 7.5 mm。对弯管部分划分网格如图2所示。采用结构化的四面体网格，为了获得油液沿壁面的分布特性，对壁面采取边界层。

图1 竖直向下的弯管

图2 弯管网格模型

为便于后面的分析描述，对弯管部分横截面所处位置做出如图3所示定义转角α，顺时针方向为正。

图3 弯管截面的示意图

3 仿真条件设置

把图2所示的网格文件导入FLUENT仿真软件中。仿真环境及初始条件设置如下：

（1）仿真环境的设置 笔者不考虑能量的交换过程，因此将不选择能量方程，根据实际情况，设置工作环境为1标准大气压，且考虑重力的影响设置为－9.81 N／kg。

（2）材料特性设置 空气密度为1.225 kg／m3，动力粘度为1.789×10－5（kg／m·s）；油选择VG46号液压油，其密度为890 kg／m3，0.058 kg／m·s。

（3）壁面设置 考虑近壁面油气流动情况，采用加强壁面设置；为追踪气液界面瞬态变化，选择几何重构法以便获得精确界面变化。

（4）相设置 由于油气润滑是大量气体携带少量油实现润滑的，因此设定气体为第一相，油为第二相，表面张力设置为0.027 3 N／m。

（5）初始边界设置 根据实际生产中，设置油入口、气体入口均为速度入口，出口为压力出口，油气的接触角为30°。

（6）设定气体为第一相，油为第二相，设置流场区域内第二相初始体积含量为0。

（7）气体入口速度为80 m／s。

（8）油的入口速度为2 m／s。

（9）出口压力为101 325 Pa；重力设置为－9.81 N／kg，时间步长设置为1×10－5（s）。

4 仿真结果分析

4.1 管道中油气分布

图4为管道外壁油气分布图，其中红色部分代表油液，蓝色部分代表气体。可看到油气混合腔体出口及弯管部分油气出现了不连续的地方。取其在转弯处Z＝0平面油气两相分布情况，如图5所示。

图4 管道外壁面油气两相分布

由图5可看到，从水平方向到进入弯管时，管道外壁油膜几乎消失。在竖直向下管道，由于重力的作用，出现向下流动的油液波浪，挤压气体通道，造成压力损失。提取进入弯道α＝0°截面和进入竖直管道α＝90°两个截面上含油率和压力值如表1所示。

图5 弯管横截面油气分布图

表1 弯管入口出口截面上含油率与压力值

由表1可以看到，进入弯管时含油率小于离开弯管时含油率，这与图5所示中油气分布情况刚好吻合，由于在进入弯管段时，油膜受到破坏，在流出弯管重新形成油膜时受到重力作用会出现某一位置油液过分集中的现象。α＝0°截面压力值比α＝90°截面离开弯管的截面压力值高出7 657.46 Pa，这是由于弯管部分的压力损失造成的。

4.2 弯管纵截面速度和压力分布

图6为管道Z＝0的对称面上的速度分布图，弯管部分处速度变化较大。内凹壁面附近流速大于外凸面，造成此现象的主要原因是由于在进入弯管后流动过程中，流体由于曲线运动而产生离心作用，导致流体被挤压到外壁面，凸边出现扩散效应，内凹面形成加速通道。

而压力的变化则与此相反，图7为管道Z＝0的对称面上的压力分布图，弯管在内径沿方向的压力梯度相对于水平管道较大，内凹边的壁面区域的压力值小于外凸边。从而引起流体从直管段到弯管段过渡时外面的压力增大，内壁面的压力较小。竖直直管部分的压力值明显的比水平直管段的压力值小，存在较大的压力损失，这都是由油气两相间、油和管壁间黏性摩擦压力损失及局部压力损失造成的。

图6 速度分布图

图7 压力分布

4.3 弯管横截面速度流线

流体在弯管中流动时，在流体黏度和离心力的影响下产生压差，导致在横截面上产生二次流。二次流使弯管横截面方向上能量交换，影响主要流动方向的平均速度，减小流场的总压。因此有必要对油气两相流动时的弯管部分的速度分布进行研究。取α＝15°、30°、45°、60°、75°、90°及在竖直下降管路一段内对应截面的速度流线。图8为不同的转角α处横截面内的速度流线图。

图8 竖直向下弯管不同截面处的速度流向图

根据提取图形过程可知图形的上部为外凸边，下部对应内凹壁面。在α＝0°处流体径向速度指向内凹壁面，这是由于此面径向压力梯度较大引起的。到达弯管后，流体黏性和惯性开始作用，从α＝15°处开始形成二次流，由于中部气体轴向主流的惯性作用，不能马上形成完整的漩涡，但二次流体带动内部的低速流体，不断发展逐步出现漩涡，到α＝90°可看到在靠近内壁处出现明显的漩涡。随着流体继续沿直管流动，其二次流逐渐消失，到达y＝－20，涡流基本消失，说明弯管的作用沿直管方向逐渐减弱，直至消失。

5 结 论

笔者对竖直向下的90°弯管系统，进行了数值仿真，分析了弯管处的油气分布、压力分布及速度变化情况，得到主要结论如下：

（1）通过分析弯管处的油气分布图，可以看到弯管对油气两相环状流流型有破坏作用，导致经过弯道以后的，外凸面的油膜较薄。

（2）通过分析弯管纵截面的速度压力分布，可看到由于受到弯管曲率及流体惯性的影响，弯管径向的速度和压力梯度比直管大，内凹面的压力值较小，速度值较大，外凸面与之相反。这将导致流体在周向形成二次流，而出现环状流不稳定的现象。由横向截面的速度分图，可以看到弯管造成的扰动在进入水平直管后并不能迅速消失，而要在进入直管一段时间后才能够重新恢复。因此对于后面接油气分配器的系统，如若需要用到弯管，要尽量的靠近混合器出口，以便有足够的空间来消除弯管的影响。

（3）以上研究结论为油气混合系统管路设计提供参考。

［1］ 杨和中，刘厚飞.TURBOLUB油气润滑技术（一）［J］.润滑与密封，2003（1）：107－109.

［2］ 李志宏.油气润滑水平管内环状流流动特性研究［D］.北京：北方工业大学，2012.

［3］ 郭烈锦，黄建春，郭纯斌.油气两相流流过弯管的局部阻力特性研究［J］.西安交通大学学报，1998，5（32）：38－41.

［4］ 鹿院卫，王跃社.弯管内气液两相流局部阻力特性研究［J］.油气储运，2000，19（3）：32－35.

［5］ 丁 珏，翁培奋.90°弯管内流动的理论模型及流动特性的数值研究［J］.计算力学学报，2004，21（3）：314－317.

［6］ 高忠信，邓 杰，葛新峰.圆形弯管气液两相流数值模拟［J］.水利学报，2009（6）：8－9.

Numerical Simulation of Oil－air Two－phase Flow in Elbow of the Oil－Air Lubrication System

ZENG Xian－wen，SUN Qi－guo，LV Hong－bo
（College of Mechanical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Oil－air two－phase flow in elbow of the oil－air lubrication system is simulated based on FLUENT.The elbow reflects on oil－air two－phase flow is researched through studying the flow field characteristic.The results show that oil－air annular flow will not be disrupted by elbow until oil－air flow reach to a certain length of straight pipe.

oil－air lubrication；FLUENT；elbow；oil－air two－phase flow

TH117.1

A

1007－4414（2013）04－0077－03

2013－05－28

北京市属高等学校人才强教计划资助项目（PHR 201107109）

曾宪文（1987－），女，山东济宁人，硕士，研究方向：油气润滑设备关键技术及其成套设备研发。