油气润滑管道环状流形成及影响因素研究

曾宪文，孙启国，吕洪波

(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兴的环保、节能型润滑技术，能够为在高速、重载、高温等环境下工作的装备提供精准、连续、稳定的润滑[1]。油气润滑是将润滑油和气体在混合器中进行混合后流动，并在后部输送管路中发展成为环状流并进入分配器，到达润滑点进行润滑[2]。由于实现对输送油量的高精度输送和高效率利用，既满足了装备润滑的需求又不造成润滑油过多浪费，油气润滑正逐渐代替如油雾润滑等方式，应用日益广泛。从油气润滑原理上讲，需要在管道中形成油气两相状环流，即要求低速流动油液在高速气体的作用下，贴近管壁以环状流连续流动无断续；从装备润滑要求上看，由于对润滑油量的精确计算，要求每次供油都能平稳送油，使得单个润滑周期内，装备不因缺油而造成发热和磨损，也不因油多而造成浪费[3]。因此将油气环状流的优劣用连续性、均匀性、平稳性三个指标评价，即油气管道中油膜连续，沿流动方向各截面油液的含率波动小，经过出口截面处油液质量流量随时间波动性小。

本文以气液两相流理论为基础，基于FLUENT仿真软件，考虑了重力对油气流动过程的影响，对油气在混合器后部水平输送管内环状流的形成发展进行了数值仿真，分析了气体速度和油液速度两个因素[4]对环状流稳定性的影响。

1 水平管内油气环状流仿真模型建立

1.1 几何模型

主要研究油液和气体在水平输送管内流动形成稳定环状流的过程，故忽略其上游混合器和下游分配器的结构，只对管道进行二维建模。实验室及现场生产中，混合器后部管道直径为D2mm-D18mm不等，管长由现场装备和油气润滑系统安装距离决定，但过小的管长不足以发展出环状流型，管长一般最小为0.5m，最长可达100m[3]。为加快计算速度，本文仿真中，设定水平管内径选为最常用的D6mm，管长为500mm。参考Huawei Han等人的建模方式[5]，建立模型如图1所示，其中管道中心为气体入口，尺寸为D5 mm，其余环状部分为油入口。

图1 管道几何模型

1.2 理论方程

油气二相流动过程的数值仿真受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律。控制方程是这些守恒定律的数学描述：

1) 质量守恒方程

(1)

式中，u,v,w为流体质点x,y和z方向的速度分量。

2) 动量守恒方程

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为流体的密度(kg/m3)，p为管内流体的压强(Pa)，μ为流体的动力黏度(Pa·s)，Fx、Fy和Fz分别为微元体上的体力(N)。

1.3 网格划分

根据图1所示的物理模型，用gambit划分网格。由于油的波动主要发生在油气两相的接触的表面，所以为了获取油膜情况，在壁面要划分边界层网格加密，靠近中间轴部网格可以稀疏一些，网格如图2所示。

图2 网格划分

1.4 边界条件

在仿真计算过程中，计算模型采用标准k-ε模型，采用enhanced wall treatment来处理近壁面的流体流动情况，选择几何重构法来捕捉油气界面的瞬态变化。在气体的入口边界设置中，油作为第二相的体积分数设置为0，表示在中间入口只有气体而没有油进入，而油的入口边界中设置油的体积分数为1,也就是在环形入口中全部都是油。右端面为出口，设置为压力出口。

考虑到实验室和生产现场温度比较恒定，油气在混合器和输送管内的温度基本等同室温。故取20℃下油液和气体的材料属性，如表1所示。

表1 油、气物理性质

1.5 初始条件

t=0时刻，管道中第二相体积分数为0，即管中充满空气。压力为一个标准大气压，重力加速度为-9.81N/kg。

2 数值仿真边界条件的确定

2.1 仿真结果与分析

设置油液入口速度为Vl为0.5m/s，气体入口速度Vg为60m/s，进行仿真模拟。计算0.5s，提取距离出口50mm段的流场云图。

图3为油气出口处的油液分布情况，红色区域代表润滑油流场，蓝色区域为气体流场。由图可知润滑油在出口处已经形成连续的环状流，油膜分布比较均匀，中间管道部分没有悬浮的液滴出现，润滑油均附着在管壁上流动进入分配器，保证了进入各润滑点的油量均匀。

图3 流场云图

2.2 油液入口速度范围的确定

在实际生产中，油液是间歇供给，单次供油量的多少取决于不同的应用场合及供油频率，本文选定油液的入口速度为0.3m/s，0.5m/s及1m/s。

2.3 产生环状流的气体速度范围的确定

保持其他设置和油液入口速度不变，分别令气体入口速度为10m/s，20m/s，30m/s，40m/s，60m/s，80m/s，90m/s进行计算。

通过观察流场油气分布云图，可以看到气体速度为90m/s时，气体速度过大，油液被迅速铺展，油膜变薄，导致部分位置油液受到的剪切力过大而剥离壁面而不能够形成连续的环状流，在管路中存在大量如图4所示的间断的情况。而当气体速度为10m/s时(图5)，沿着流体流动方向气体对油液的承载能力减弱，在重力作用下油液会逐渐积聚在管道底部，无法形成环状流。其他气体速度下均能够形成环状流，因此后文的分析中就不再考虑这两种工况。本文中取得气体入口速度范围为20m/s到80m/s。

图4 Vg=90m/s，Vl=1m/s时管内油气分布图

图5 Vg=10m/s，Vl=0.3m/s时管内油气分布图

3 环状流连续性及均匀性分析

从入口处沿管道方向每隔10mm建立1条线，共50条。以此线上含油率代表仿真中该处截面上含油率，并提取每工况下各截面上的油含率，得到三种油液速度下，各自截面含油率在不同气体速度下沿管路方向的波动，如图6所示。

由图6可以看出，当油液速度一定时，气体速度越大，各截面的含油率就越低，说明油膜就越薄，这是由于入口油液总流量不变，油液进入管道后在气体的携带下加速运动，气体速度越大油液铺展越快，油膜厚度便逐渐变小。当气体速度为80m/s时，平均油液厚度最小，50组结果中有多组含气率超过95%，尤其是油液速度较小时，出现了部分含油率接近为零的面，表示对应截面处油液厚度极小。提高气体速度再进行仿真实验，可以看到壁面出现如图4所示油膜较薄甚至断续的情况，油气环状流的连续性难以保证，易出现壁面“干燥”[5]。油膜的连续性就受到破坏。其他几组工况均没有出现含油率接近为零的情况，说明这些条件下油液的连续性较好。

当气体速度降为20m/s，随着油量的增加，油膜厚度增大，轴向的波动性增大，轴向均匀性降低。而当气体速度继续减小，则没有足够的能量带动润滑油，则会出现图5所示的油液积淀在管道底部的情况，而无法形成环状流。

当气体速度40m/s～80m/s时，对比图6中(a)、(b)、(c)三图，看到随着油量的增大截面含油率的平均数值变化不大，但是沿轴向的波动性变化也不是特别明显。说明气体速度在这个范围内时，油量的小范围改变，并不会影响油膜的连续性和轴向的均匀性。

图6 不同工况下截面含油率的波动

4 环状流稳定性分析

理想环状流稳定性的要求是指同一位置处油液的质量流量保持不变。本文提取管道出口处的质量流量，研究其随时间的波动情况。

当油液速度为0.3m/s，0.5m/s，1m/s时，分别取气体入口速度为20 m/s，30m/s，40m/s， 60m/s，80m/s。提取出口截面处油液质量流量。结果如图7，图8，图9所示。

图7 油液速度0.3 m/s油液流量

图8 油液速度为0.5 m/s油液流量

图9 油液速度为1 m/s油液流量

4.1 气体入口速度对环状流稳定性的影响

通过比较图7，图8，图9可得，当油液速度不变时，气体入口速度为20m/s，通过出口处的油液的质量流量较小，但是波动相对较小这是因为气体对油液的携带能力不足；速度为30m/s～40m/s时，波动较大如图8和图9所示，这是重力和气体的剪切力的共同影响，使管道中出现大的油滴造成的；随着气体速度的进一步增加到60m/s到80m/s时，出口油量的波动反而有所降低，这是因为气体速度较大能够使油液贴合在壁面，不易出现油滴进入管道中心的现象。由此可得结论：当油液入口速度一定时，增大气体入口速度可以提高油液输送稳定性。

4.2 油液入口速度对环状流稳定性的影响

当气体速度一定时，增加油液入口速度有助于促进油液流动稳定性，尤其是在气体速度较高时，增加油的量，油膜厚度增加，油液间的相互吸附作用增强，有助于保持油膜的连续性。结合流动均匀性及连续性的分析结果，气体出口速度在60m/s～80m/s，油液流量稳定性较好。

5 结论

1) 通过观察各工况下的油气两相流在管道中的分布，确定了可以形成较好环状流的气体速度范围是 20m/s～80m/s。

2) 在气体速度较低时，油液量的变化对环状流的影响较小。而当油量一定时，气体速度在60m/s～80m/s时的较好。

[1] 张剑, 金映丽, 马先贵,等.现代润滑技术[M].北京：冶金工业出版社,2008:254～260.

[2] 阎通海，何立东.气液两相流体冷却润滑技术及应用[M].哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 1995.

[3] 杨中和, 刘厚飞.TURBOLUB油气润滑技术(一)[J].润滑与密封, 2003 (1): 108-110.

[4] 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.

[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.