基于Fluent的油氣兩相射流仿真分析

牛鵬，孫啟國，呂洪波

（北方工業大學機電工程學院，北京 100144）

油氣潤滑是一種新型的潤滑技術，它具有單相流體潤滑無可比擬的優越性，現今已經廣泛應用于高溫、重載、高速、極低速以及有冷卻水和臟物侵入潤滑點的惡劣工況條件的場合［1］。噴嘴是潤滑系統中的關鍵部件之一，它的出口流動特性決定著軸承腔內部的流動狀態，它的性能將直接影響系統的潤滑效果。近年來，油氣潤滑噴嘴的研究逐漸成熟，北京科技大學的陳宏軍通過噴嘴油氣兩相射流的試驗研究，設計出滿足拉矯機傳動裝置的潤滑噴嘴［2］，武漢理工大學的張友平根據公理設計原理分析了噴嘴特征參數對流動狀態的影響［3］。東南大學的毛和兵通過試驗研究了噴嘴個數、長徑比以及噴嘴到軸承球體的距離對軸承溫升的影響［4］。本文利用Fluent軟件，基于油氣環狀流進行了二維噴嘴的內流場和外流場的仿真計算，得到了油氣兩相射流場的流動狀態，為油氣潤滑系統選擇潤滑噴嘴、優化噴嘴結構提供了一定的理論參考。

1 潤滑噴嘴模型

在實際工業應用中，滾動軸承的油氣潤滑噴嘴一般采用環形或針形噴嘴，齒輪、鏈條的油氣潤滑噴嘴一般采用扇形噴嘴。本文主要對針形噴嘴進行仿真分析，簡化模型如圖1所示。

其中噴孔直徑D和長徑比l/d是噴嘴設計的重要參數，直接影響外流場的噴射狀態。收縮角α對流動的阻力、出口射流的破裂和卷吸都有明顯影響。噴嘴直徑是噴嘴設計時首先要選定的重要參數，它決定了噴嘴內部流場的壓力能－噴射速度的轉化效率，所以采用基本尺寸一致但出口直徑D大小不同的三種模型進行仿真。

圖1 噴嘴流場模型示意圖

主要模型參數設置如表1所示。

表1 噴嘴模型參數

2 控制方程與邊界條件

假設潤滑油和空氣均為不可壓縮流體，不考慮能量方程，流體控制方程如式（1）所示:

連續方程:

動量方程:

多相流模型采用VOF模型，定義空氣為第一相，潤滑油為第二相。各相體積分數由守恒方程決定:

式中:p為流體時均壓力;ρ為流體密度;u為流體速度;g為重力加速度;F為體積力;f為液相體積分數;下標1和2表示氣相和液相;i，j為張量符號［5］。

3 模型仿真參數設置

3.1 Fluent計算初始條件:

1）采用速度入口和壓力出口邊界;

2）湍流模型采用標準k－ε湍流模型;

3）多相流模型采用VOF模型;

4）壓力速度耦合采用二階精度simple算法。

3.2 噴嘴結構和網格劃分

圖2為 D1=8 mm，D2=2 mm，α =75°，L=20 mm 的噴嘴流場網格示意圖，噴嘴外流場設置為30倍D2長，10倍D2寬。為了能夠清晰捕捉兩相交界面，在噴嘴管道內壁和外流場中心處網格適當加密，為了保證射流外流場的流動形態，外流場四周均設置為壓力出口。

圖2 噴嘴流場網格示意圖

在潤滑油管道末端的內壁上會形成的一層非常薄的油膜，u油=2 ～5 cm/s，u氣=30 ～80 m/s，壓縮空氣速度遠大于油液速度，所以近似認為u油為零［6-7］;入口空氣速度u氣取 10 m/s，20 m/s，30 m/s［8］。仿真初始時刻，假設油膜厚度為0.5 mm，油膜長度為20 mm，模型設定潤滑油的初始狀態如圖3和圖4所示。

圖3 噴嘴環狀流入口模型

圖4 噴嘴內流場流動流示意圖

4 仿真結果分析

4.1 噴嘴內流場的橫向速度分布

將三種噴嘴分別對入口速度為10 m/s，20 m/s，30 m/s三組參數進行計算，部分計算結果見圖5-圖7。

如圖4所示，油液流經直流段時會減小空氣的流道尺寸，進而增加空氣的流動速度和油液流出噴嘴的速度，噴嘴出口速度的大小會對射流液滴的流動狀態造成一定的影響。由圖5～7可得，出口直徑越小，對噴嘴內兩相流體的加速作用越明顯，噴嘴出口速度隨著D2的增加而增大（見表2）。但并不是出口速度越高越好，過高的氣體速度會造成出口油滴細化;而過低的速度則會引起射流油滴的間斷、不均勻，不利于穿透高速滾動軸承形成的“氣套”空氣層［9］，從而影響潤滑膜的形成。

表2 噴嘴出口最大速度

4.2 噴嘴出口處空氣和油液的速度分布

取直徑D2=2 mm的噴嘴模型進行計算分析，得出噴嘴出口處的空氣、油液的體積分布和相應時段的速度分布，計算結果如圖8～圖10所示。

由圖8～10得出，噴嘴出口處油滴的速度隨著空氣速度的增大而增大，環狀流在噴嘴內部流動狀態類似環狀流，但是在收縮口和直流段存在波動，油液主要沿著噴嘴內壁，經空氣加速后流出噴嘴。隨著噴嘴入口速度的增加，出口處空氣的速度急劇增大，但是油液的流動速度增加緩慢。

圖10 D2=2 mm v入口=30 m/s出口速度分布

5 結論

1）基于Fluent軟件，對油氣兩相噴嘴射流進行了數值模擬仿真，得到了環狀流在噴嘴內流場和外流場的流動形態。

2）油液和空氣在噴嘴直流段內相互作用，油液主要經噴嘴壁面流動，在其他參數確定的情況下，其流動狀態主要由噴嘴直徑和入口速度決定。

3）在本文模型仿真參數下，噴嘴直徑D2在2 mm附近時，射流油滴連續，速度適中，能夠較好地滿足油氣潤滑系統中滾動軸承的潤滑要求，為油氣系統中噴嘴的設計和選型提供了理論依據。

［1］楊中和，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤滑技術（一）［J］.潤滑與密封，2003（01）:107-110.

［2］陳宏軍.拉矯機滾動軸承油氣冷卻潤滑研究［D］.北京:北京科技大學，2001.

［3］張友平.氣液潤滑噴嘴的CAE分析研究［D］.武漢:武漢理工大學，2007.

［4］毛和兵.高速滾動軸承油氣二相流潤滑試驗研究［D］.南京:東南大學，2010.

［5］邱慶剛，劉麗娜.噴嘴結構對流場性能影響的研究［J］.石油化工高等學校學報，2011，24（1）:68-72.

［6］謝黎明，朱旭勝，王巖.氣液兩相流在管內流動的數值研究［J］.設計與研究，2011（04）:72-74.

［7］楊中和，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤滑技術（二）［J］.潤滑與密封，2003（02）:90-92.

［8］張永峰.油氣潤滑系統應用理論與實驗研究［D］.秦皇島:燕山大學，2011.

［9］楊中和，劉厚飛.TURBOLUB油氣潤滑技術（五）［J］.潤滑與密封，2003（03）:92-95.