基于Fluent的油气两相射流仿真分析.pdf

信息技术 牛鹏， 等 基于 F l u e n t 的油气两相射流仿真分析 基 于 F l u e n t 的油气两相射流仿真 分析 牛鹏 ， 孙启国， 吕洪波 北方工业大学 机电工程学院， 北京 1 0 0 1 4 4 摘要 基于两相流基本理论， 建立了三种不同出口直径的圆柱形喷嘴模型， 通过 F l u e n t 流体 分析软件对喷嘴环状两相射流进行了仿真计算。分析仿真结果得 出了喷嘴油气两相速度分 布， 并结合油气润滑条件下滚动轴承对油气两项速度的要求， 比较仿真结果得 出文中模型条件 下， 喷嘴 出口直径在 2 ram附近时， 射流油滴连续， 速度适中， 能够较好的满足润滑条件， 为油气 润滑系统中喷嘴的选择和优化提供 了依据。 关键词 喷嘴 ； 油气两相射 流 ； 出1 2 速度 中图分 类号 T P 3 9 1 ． 9 文 献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 3 0 2 0 0 9 1 0 3 S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Oi l - g a s Two - p h a s e J e t F l o w Ba s e d o n F l u e n t N I U P e n g ， S U N Q i g u o ， L V H o n g b o C o ll e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r ic a l E n g i n e e r i n g ，N o r t h Ch i n a Un i v e r s it y o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 4 4 ，C h i n a Abs t r ac t Bas ed on t he t h e or ies o f t wo p h a s e f l o w，c y l in dr i c a l n oz zle mo de l s o f t h r e e d if f e r en t o u t l e t s a r e e s t a bli s h e d． Si mu la t ion a- n a ly s i s o f a n n u la r two p h a s e j e t f l o w o f t h e n o z z le is c a lc u le d b y F l u e n t a n d two p h a s e v e lo c i t y g r a p h s o f t h e n o z z le a r e g o t f r o m s i mu l a t i o n r e s u l t s ．Con s i d er i n g t h e oil g a s l u b r ic a t ion’ S r e qu i r e me n t s o f r ol li n g b e ar i n g．t h e r e s u l t s s h o w t h a t o u t l e t d i a met e r ’ S op t i ma l v a l u e i s a b o u t 2 mm in t h i s mo d e l ， b e c a u s e t h e c o n t in u o u s o i l je t d r o p l e t s a n d t h e mo d e r a t e v e l o c ity c a n f u lf i l t h e b e e r lu b r i c a t e c o n dit ion in t h is c a s e． This c o n c l u s i o n pr o v i d e s t h e b a s i s f or c h o os in g an d op t i miz i n g t h e n o z z l e i n oil - g a s l u b r ic a t ion s y s t em． k e y wo r d sn o z z le；o i l- g a s two - p h a s e j e t f lo w； o u t le t v e lo c it y 油气润滑是一种新型的润滑技术， 它具有单相流体润 滑无可比拟的优越性， 现今已经广泛应用于高温、 重载、 高 速、 极低速以及有冷却水和脏物侵入润滑点的恶劣工况条 件的场合 。喷嘴是润滑系统中的关键部件之一 ， 它的 出口流动特性决定着轴承腔内部的流动状态， 它的性能将 直接影响系统的润滑效果。近年来， 油气润滑喷嘴的研究 逐渐成熟 ， 北京科技大学的陈宏军通过喷嘴油气两相射流 的试验研究 ， 设计出满足拉矫机传动装置的润滑喷嘴 j ， 武汉理工大学的张友平根据公理设计原理分析了喷嘴特 征参数对流动状态的影响 J 。东南大学的毛和兵通过试 验研究了喷嘴个数 、 长径比以及喷嘴到轴承球体的距离对 轴承温升的影响 J 。本文利用 F l u e n t 软件， 基于油气环 状流进行了二维喷嘴的内流场和外流场的仿真计算， 得到 了油气两相射流场的流动状态 ， 为油气润滑系统选择润滑 喷嘴、 优化喷嘴结构提供了一定的理论参考。 1 润滑喷嘴模型 在实际工业应用中， 滚动轴承的油气润滑喷嘴一般采 用环形或针形喷嘴， 齿轮、 链条的油气润滑喷嘴一般采用 扇形喷嘴。本文主要对针形喷嘴进行仿真分析 ， 简化模型 如 图 1 所示 。 其中喷孔直径 D和长径 比l ／ d是喷嘴设计的重要参 数， 直接影响外流场的喷射状态。收缩角 O l 对流动的阻 力、 出口射流的破裂和卷吸都有明显影响。喷嘴直径是喷 D一喷嘴人口直径； 喷嘴出口直径； z 一喷嘴直流段长度 ； 卜 喷嘴总长度 ； 一喷嘴收缩角 图 1 喷嘴流场模型示意图 嘴设计时首先要选定的重要参数， 它决定了喷嘴内部流场 的压力能一 喷射速度的转化效率 ， 所以采用基本尺寸一致 但出口直径 D大小不同的三种模型进行仿真。 主要模型参数设置如表 1 所示。 表 1 喷嘴模型参数 2 控 制方程 与边界条件 假设润滑油和空气均为不可压缩流体， 不考虑能量方 程， 流体控制方程如式 1 所示 连续方程 作者 简介 牛鹏 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河南周 1 1 人 ，硕士研究生 ，研究方 向为油气润滑。 Ma c h in e B u i l d i n g 8 Au t o m a t i o n ， 2 o 1 3 ，4 1 2 9 J ～ 妇 9 1 信息技术 牛鹏， 等 基于F l u e n t 的油气两相射流仿真分析 如图4所示 ， 油液流经直流段时会减小空气的流道尺 寸 ， 进而增加空气的流动速度和油液流出喷嘴的速度， 喷 嘴出口速度的大小会对射流液滴的流动状态造成一定的 影响。由图 5 7可得， 出口直径越小， 对喷嘴内两相流体 的加速作用越明显， 喷嘴出口速度随着 D 的增加而增大 见表 2 。但并不是出口速度越高越好， 过高的气体速度 会造成出口油滴细化； 而过低的速度则会引起射流油滴的 间断、 不均匀， 不利于穿透高速滚动轴承形成的“ 气套” 空 气层 ， 从而影响润滑膜的形成。 表 2 喷嘴出 口最 大速度 4 ． 2 喷嘴出口处空气和油液的速度分布 取直径 D 2 m m的喷嘴模型进行计算分析， 得出喷 嘴出口处的空气、 油液的体积分布和相应时段 的速度分 布， 计算结果如图 8 ～图 1 0所示。 y／ m m 图 8 D2 2 mi l l It 入 口1 0 m／ s出口速度分布 y／ mm 图 9 D2 2咖 人 口 --2 0 m／ s出口速度分布 由图 8 ～1 0 得出， 喷嘴出口处油滴的速度随着空气速度 的增大而增大， 环状流在喷嘴内部流动状态类似环状流， 但 是在收缩口和直流段存在波动， 油液主要沿着喷嘴内壁， 经 空气加速后流出喷嘴。随着喷嘴入口速度的增加， 出口处空 气的速度急剧增大， 但是油液的流动速度增加缓慢。 Ma c h i n e B u i l d in g 8 Au t o ma t io n ， 2 0 1 3 ， 4 1 2 9 1 9 3 y／ mm 图 1 O D2 -- 2 mi l l 口 3 0 m／ s出口速度分布 5 结论 1 基于F l u e n t 软件， 对油气两相喷嘴射流进行了数值模 拟仿真， 得到了环状流在喷嘴内流场和外流场的流动形态。 2 油液和空气在喷嘴直流段内相互作用， 油液主要 经喷嘴壁面流动， 在其他参数确定的情况下， 其流动状态 主要由喷嘴直径和入口速度决定。 3 在本文模型仿真参数下， 喷嘴直径 D 在 2 m m附 近时， 射流油滴连续 ， 速度适中， 能够较好地满足油气润滑 系统中滚动轴承的润滑要求， 为油气系统中喷嘴的设计和 选型提供了理论依据。 参 考文献 [ 1 ] 杨中和， 刘厚飞． T U R B O L U B油气润滑技术 一 [ J ] ． 润滑与 密封 ， 2 0 0 3 0 1 1 0 7 1 1 0 ． [ 2 ] 陈宏军． 拉矫机滚动轴承油气冷却润滑研究 [ D ] ． 北京 北 京科技大学 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 张友平． 气液润滑喷嘴的 C A E分析研究 [ D] ． 武汉 武汉理 工大学 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 毛和兵． 高速滚动轴承油气二相流润滑试验研究 [ D ] ． 南京 东南大学 ， 2 0 1 0 ． [ 5 ]邱庆刚 ， 刘丽娜． 喷嘴结构对流场性能影响的研 究 [ J ] ． 石油 化工高等学校学报 ， 2 0 1 1 ， 2 4 1 6 8 7 2 ． [ 6 ]谢黎 明，朱旭胜 ， 王岩． 气液两 相流在管 内流动的数值研 究 [ J ] ． 设计与研究 ， 2 0 1 1 o 4 7 2 - 7 4 ． [ 7 ] 杨中和， 刘厚飞． T U R B O L U B 油气润滑技术 二[ J ] ． 润滑 与密封 ， 2 0 0 3 0 2 9 0 9 2 ． [ 8 ]张永峰． 油气润滑 系统 应用 理论与 实验研究 [ D] ． 秦 皇岛 燕 山大学 ， 2 0 1 1 ． [ 9 ] 杨中和， 刘厚飞． T U R B O L U B油气润滑技术 五 [ J ] ． 润滑与 密封 ， 2 o o 3 O 3 9 2 9 5 ． 收稿 日期 2 0 1 20 5 0 2 9 3