油气润滑环状流在突缩管内的流动特性研究*

王 莹，孙启国，耿亚萌，陈东旭

(北方工业大学机电工程学院，北京 100144)

0 引言

油气润滑作为一种新型的润滑方式被广泛的应用于工业中，其工作原理是将润滑油由压缩空气带动在管道中形成环状流，最终气液两相以环状流的形态作用在润滑点上。对于油气润滑系统而言，管道内稳定的环状流是保证润滑效果的关键，因此在流动过程中环状流的特性研究就变得尤为重要［1］。突缩管是在工程实践中被广泛应用的一种管件，因此对油气两相环状流流经突缩管时的特性进行研究十分必要。

近年来，国内外学者对油气环状流的流动特性也进行了深入的研究。李志宏［2］研究了环状流在水平管中的形成过程与流动特性;汪雄狮［3］研究了环状流通过突扩管时的流动特性;Miguel Padilla［4］等人研究了特定型号的突缩管内两相流的流动特性;Ing Youn Chen［5］等人研究了两相流通过突缩管道的流动特点，但他选取了由矩形管道到圆形管道的突缩管件，不具有普遍适用性。

笔者利用Fluent仿真软件对油气环状流流经突缩管进行了仿真计算，研究两相流流经突缩管的流动特性，分析了两相流中的缩脉现象，并改变突缩管结构与气相速度，分析总结出两相流流经突缩管的规律性结论，具有普遍适用性。

1 仿真模型的建立

油气润滑过程中油气两相流通过突缩的情况如图1所示，D1为突缩管前段管径，D2为突缩后段管径，油气润滑过程中油和气两相呈环状流状态输运，设定液相半径为d。为了更好地体现突缩管的结构特征，笔者定义了一种突缩系数C，单位为mm，则:

式中:D1分别取8 mm、10 mm、12 mm、16 mm、18 mm、20 mm，D2固定为6 mm［6］，则突缩系数 C取值分别为10.7 mm、16.7 mm、24.0 mm、42.7 mm、54.0 mm、66.7 mm。

图1 气液两相环状流下的突缩管模型

通过Gambit建立仿真模型见图2。

图2 突缩管模型及网格划分

突缩前段长为30 mm，突缩后段长为100 mm。仿真设定为速度入口，压力出口。液相入口速度设定为3 cm/s，气相入口速度分别设定为50 m/s，60 m/s，70 m/s，80 m/s［7］。壁面无滑动，气相与液相的接触角为30o，重力方向为-Y方向，为9.81 kg/m2。具体仿真设置如表1。

表1 仿真设定

2 仿真结果与分析

2.1 油膜分布

当C=10.7 mm时，即D1取8 mm时，气速分别选取 50 m/s，60 m/s，70 m/s，80 m/s，截取突缩管 X=0截面，得到突缩管内油膜分布图如图3所示。

图3 不同气速下的油膜分布

由图3可看出，随着气速的增加，突缩截面对于环状流的影响越明显。气速在50 m/s、60 m/s时，在经过突缩面后环状流仍保持稳定，仍可在上下壁面形成均匀连续的油膜。当气速达到70 m/s、80 m/s时，环状流在经历突缩截面后，油膜产生较大波动，在管中存在液滴夹带，且管道上、下壁面的油膜厚度有明显差别。因此可知，以低气速通过突缩管更有利于油气两相流的稳定传输。

图4表示不同突缩管内油气环状流的油膜分布图。在突缩截面的前段，随着突缩系数C的增加，油气环状流液相在突缩截面的堆积现象越明显;在突缩截面后段，随着C的增加，油气环状流被破坏的程度逐渐增加。对于C=10.7 mm和C=16.7 mm环状流经过突缩截面后，在管道的上下壁面出现不同程度的油膜的波动，但油膜分布相对均匀，未出现明显的油膜断裂现象。对于C=24.0 mm和C=42.7 mm来说，环状流在经过突缩截面后，管道内出现明显的液滴夹带现象，油膜厚度明显减小且波动性增加，局部出现油膜断裂的现象。对于C=54.0 mm和C=66.7 mm，在突缩截面前段，出现明显的液相堆积，液膜厚度剧增，在经过突缩截面后，油膜分布呈不连续状态，且管道上表面油膜分布明显多于下表面。因此可知，突缩系数越小，越有利于环状流输运。

图4 不同突缩管内的油膜分布

由图3、4可看出，油气环状流通过突缩面后出现缩脉的现象，由于环状流的流动特性，液相在管道壁面流动，因此缩脉主要是由气相主导。随着气速和突缩系数C的增加，缩脉出现的位置距离突缩面逐渐增加，缩脉面积逐渐减小，经过缩脉后的扩大趋势越明显，缩脉现象对两相流的破坏程度增加，并伴随着液滴的堆积，在突缩系数达到54.0 mm时，突缩管后段无法形成稳定环状流。

2.2 压力分析

突缩管内压力是维持环状流稳定的关键性因素，突缩截面会增加环状流在管道内运输的压力损失。对于缩脉现象来说，压降的大小与缩脉处面积的大小有直接关系，压降越大则脉缩处的面积越小。改变气速并提取突缩截面前后压力降，得到管内压降与气速的关系图，如图5所示。由图可看出，随着气速的增加，压降从5 000～16 000 Pascal逐渐增加。气速在60 m/s以内，压降与气速呈线性关系，趋势缓慢;当气速大于60 m/s时，可近似看成压降与气速呈线性关系，且比例系数增大。

突缩管内压降与突缩系数C关系曲线，如图6所示。随着C增大，压降从100 000～400 000 Pascal呈上升趋势。C在16.7 mm以内，压降增加缓慢;当C在16.7～54.0 mm范围里，压降随着突缩系数的增加而缓慢增加，相对平稳;当C大于54.0 mm时，压降随突缩系数的增加陡然增加，此时突缩管结构对压降产生了较大影响，在实际应用中应适当的给与考虑，不可忽略。

图5 压降与气速关系曲线

图6 压降与突缩系数关系曲线

2.3 速度分析

管内两相的速度是判定两相流处于何种状态的重要依据，对于缩脉现象来说，缩脉出现的位置，即为速度达到最大值的位置。不同气速条件下的突缩管内的速度分布如图7所示，由图可看出，随着气速的增加，管内速度数值整体增加;在突缩管前段，速度减小幅度增加;通过突缩截面后，由于惯性存在，速度存在先减小再增大的过程，此过程发生位置称为速度缓冲区。随着气速增加，在突缩管后段，速度的缓冲区逐渐增加，管内最大速度出现的位置距离突缩面的距离逐渐增加，且速度的增长幅度增加，导致局部产生两相流的扰动，对于两相环状流的输运产生干扰。

图7 不同气速下的突缩管内速度分布

不同突缩管内的速度分布如图8所示。由图可看出，随着突缩系数C的增加，突缩管前段速度减小幅度增加，因此就造成在突缩系数C较大时的液相堆积;在突缩管后段，管内速度数值增加，且增大幅度随着突缩系数C的增加而增加，且最大速度出现的位置距突缩截面的距离逐渐增大，即脉缩的位置与突缩截面的距离逐渐增加。

由图7、8可看出，速度在突缩管前段逐渐减小，随着气速和突缩系数的增加，两相流速度减小幅度增大，因此易出现液相的堆积;在突缩管后段，通过突缩截面后的速度缓冲区域随气速和突缩系数的增加而增加，导致最大速度位置后移，速度大幅增加，且在管道内对环状流的形成产生干扰，不利于环状流的输运。

图8 不同突缩管内的速度分布

3 结论

基于Fluent软件，对油气润滑中油气两相环状流流经突缩管的过程进行仿真，并定义了一种突缩系数，研究环状流在突缩管内的流动特性。通过仿真得到突缩管内的油膜，压降及速度分布图，讨论了两相环状流通过突缩管所产生的缩脉现象，得出结论:

(1)两相环状流通过突缩管突缩截面时发生缩脉现象，且随着气速的增加和突缩系数C的增加，缩脉出现位置距离突缩截面越来越远，缩脉面积逐渐减小，经过缩脉后的扩大趋势越明显，缩脉现象对两相流的破坏程度增加。

(2)在一定气速范围内，压降与气速呈线性关系，且随着气速增加，线性比例增加，因此脉缩处面积逐渐缩小;当C处于16.7 mm到54.0 mm范围内时，突缩管内压降随着C的增加而缓慢增加，但当C大于54.0 mm时，压降陡然增加，此时突缩系数对环状流破坏严重。

(3)随着气速和突缩系数的增加，速度缓冲区减小，则在突缩后段速度存在大幅增加的趋势，易于产生扰动，不利于环状流输运;随着气速和突缩系数的增加，最大速度位置与突缩截面的距离逐渐增加，因此缩脉出现位置与突缩截面的距离逐渐增加。

该结论普遍适用于油气两相流通过突缩管，为工程实践中对油气润滑系统的设计与使用提供了一定的参考意见。

［1］ 孔祥东，姚 静，俞 滨.油气润滑系统发展综述［J］.润滑与密封，2012(37)，06:91-95.

［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］ 汪雄狮.油气润滑系统中环状流流过突扩管时的流动特性［J］.机械，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］ 朱红钧，曹妙渝.油水两相变径管流动模拟研究［J］.内蒙古石油化工，2009(2):10-12.

［7］ 杨和中，刘厚飞.TURBOLUB油气润滑技术(二)［J］.润滑与密封，2003，28(2):90-92.