噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)油氣潤滑環(huán)狀流特性的影響??

陳長業(yè) 李濟(jì)順 余永健 薛玉君

(①河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽471003；②河南科技大學(xué)河南省機(jī)械設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽471003)

滾動(dòng)軸承是機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域重要的零部件，近些年隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，軸承的應(yīng)用越來越廣泛，軸承的DN值也在不斷增大，軸承的潤滑將起著至關(guān)重要的作用。良好的潤滑不僅可以提高軸承的工作性能，還能一定程度上提高軸承的壽命[1-2]。油氣潤滑作為高速軸承潤滑先進(jìn)技術(shù)的代表，在軸承的潤滑中有著較為廣泛的應(yīng)用，為高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承提供連續(xù)穩(wěn)定的潤滑是油氣潤滑系統(tǒng)的基本要求[3-4]。隨著油氣潤滑在機(jī)械各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)油氣潤滑的理論及試驗(yàn)研究也在逐步深入和完善。曾憲文[5]等從氣液兩相流理論出發(fā)，研究分析得出了評(píng)價(jià)環(huán)狀流的三個(gè)指標(biāo)，分別是截面含油率、油膜厚度比和油液流量分布，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新型的油氣混合器。郭烈錦[6]等用量綱分析法對(duì)油氣兩相流轉(zhuǎn)換因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了各種流型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，達(dá)到了預(yù)報(bào)油氣在輸送過程中的兩相流流型的目的。A.Glahn和M.Farrall等[7-8]研究了兩相流動(dòng)中的油滴行為，分析模擬了液滴的初始狀態(tài)對(duì)氣體流場中液滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及沉積效果的影響以及軸承轉(zhuǎn)速對(duì)潤滑油回油狀態(tài)的影響等。劉成[9]和孫啟國[10]等以油氣潤滑噴嘴為研究對(duì)象，研究了油氣兩相流經(jīng)過不同結(jié)構(gòu)噴嘴后在軸承腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)以及油氣潤滑系統(tǒng)中環(huán)狀流流過突擴(kuò)管時(shí)的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究分析。吳昊天和陳國定等[11-12]以油氣兩相流型為特征分析了不同流型下兩相介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，并探討了軸承腔內(nèi)油氣兩相流動(dòng)物理場及其與其他潤滑參數(shù)的關(guān)系。張俊國和王建文等[13-14]在自行研制的油氣潤滑試驗(yàn)設(shè)備上，以軸承外圈溫升為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)驗(yàn)研究了特定條件下滾動(dòng)軸承的最佳供油量。以上研究集中于試驗(yàn)研究，偏重于分析油氣流型變化及油氣離開輸油管后油氣的狀態(tài)兩對(duì)于油氣在輸油管中的形成機(jī)理以及輸油管中環(huán)狀流的特性變化卻鮮有研究。所以，對(duì)于油氣潤滑中噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)環(huán)狀流特性的影響有待進(jìn)一步研究。

油氣潤滑是基于高壓氣流將微量潤滑劑輸送到潤滑點(diǎn)處的潤滑技術(shù)，利用潤滑劑在管路中的“附壁效應(yīng)”。如圖1所示，當(dāng)氣流以一定的速度在管路中流動(dòng)時(shí)，潤滑劑下層附著在管壁上，上層被氣流吹動(dòng)向前輸送。經(jīng)過一段距離的管路輸送后，間斷供應(yīng)的潤滑劑就會(huì)形成連續(xù)的潤滑油進(jìn)入噴嘴，經(jīng)過噴嘴噴向潤滑點(diǎn)，對(duì)潤滑點(diǎn)進(jìn)行潤滑。

由于油氣潤滑中油氣量以及壓力與速度的不同，供油管道內(nèi)的兩相流流型可分為環(huán)狀流型、帶狀流型、波狀流型、彈狀流型、泡狀流型以及塞狀流型，其中環(huán)狀流與分層流是油液在管道中的理性狀態(tài)。文章利用流體力學(xué)分析軟件Fluent對(duì)油氣在供油管道中的形成過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到環(huán)狀流形成的過程以及油氣在管道中的分布狀態(tài)并分析在不同噴嘴結(jié)構(gòu)下的油氣流經(jīng)噴嘴處的油膜連續(xù)性，徑向速度的變化情況，對(duì)比分析噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)狀流特性的影響。

1 仿真模型建立與數(shù)值仿真

在油氣潤滑中，最常用的是實(shí)心錐形噴嘴，采取實(shí)心噴嘴為實(shí)體模型，圖2為實(shí)心錐形噴嘴的實(shí)體結(jié)構(gòu)，依照噴嘴的實(shí)體結(jié)構(gòu)建立供油管與噴嘴的流體仿真模型。

根據(jù)油氣潤滑系統(tǒng)中輸油管道與噴嘴連接原型及兩相流理論基礎(chǔ)，建立如圖3所示的二維模型。油液和空氣入口在一個(gè)面上，液相近壁面入口寬度d=0.5 mm，管道長為1 000 mm。其中，φ1為與噴嘴連接的供油管直徑，也是噴嘴的入口直徑。φ2為噴嘴的出口直徑，θ為噴嘴突縮角，初始油膜厚度為d。

通過Fluent的前處理軟件Gambit軟件對(duì)模型進(jìn)行建模并劃分網(wǎng)格，由于油液的流動(dòng)和噴嘴壁面有很大的影響，所以在壁面采取網(wǎng)格加密并添加邊界層，使仿真模型更接近實(shí)際工況，如圖4所示。

將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行仿真，設(shè)定初始條件如下:

(1)仿真環(huán)境的設(shè)置:根基油氣潤滑的實(shí)際工況條件，設(shè)置管道中初始工作環(huán)境101.3 kPa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，且考慮重力的影響，重力值設(shè)置為9.81 N/kg。

(2)材料物理參數(shù)設(shè)置:潤滑油選用VG68號(hào)汽輪機(jī)油，油液的密度為 876 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為 0.058 m2/s，具體物理參數(shù)如表1所示。

(3)相設(shè)置:油氣潤滑是大量空氣帶動(dòng)少量潤滑油向前輸送實(shí)現(xiàn)潤滑，因此設(shè)置空氣為第一相，油液為第二相。氣體和潤滑油是不可壓縮的，且兩相之間不發(fā)生相變。

(4)初始邊界條件設(shè)置:仿真中設(shè)置潤滑油和空氣入口為壓力入口，出口處壓力為101.3 kPa；流場區(qū)域內(nèi)設(shè)置第二相的體積分?jǐn)?shù)為0，設(shè)置計(jì)算迭代步長為0.000 01，每步迭代次數(shù)為50次，設(shè)置連續(xù)方程、動(dòng)量方程的收斂精度為10-3。

表1 潤滑油和空氣物理參數(shù)

2 噴嘴直徑對(duì)環(huán)狀流特性的影響

2.1 噴嘴入口直徑對(duì)環(huán)狀流分布及速度變化的影響

為了研究噴嘴入口直徑對(duì)環(huán)狀流特性的影響，在仿真中保持油液的供油壓力為3 MPa，空氣的入口壓力為0.5 MPa，保持噴嘴φ2為1 mm，噴嘴突縮角θ=90°，油液入口傾斜角為90°，對(duì)噴嘴入口φ1分別為4 mm、6 mm、8 mm時(shí)管道內(nèi)油液的分布狀態(tài)進(jìn)行仿真研究，觀察油液在管道中的分布和油膜的連續(xù)性以及環(huán)狀流的徑向的速度變化情況，如圖5所示。

圖5為不同入口直徑下輸油管中的油液分布及油膜狀態(tài)。如圖所示，當(dāng)噴嘴入口φ1=4 mm時(shí)，油液連續(xù)且穩(wěn)定，油膜保持的比較完整；當(dāng)噴嘴入口φ1=6 mm，油液波動(dòng)增大，油膜出現(xiàn)斷裂；當(dāng)噴嘴入口φ1=8 mm時(shí)，輸油管道壁面處已不能形成連續(xù)的油膜且在管道中出現(xiàn)液滴夾帶的現(xiàn)象，供油不穩(wěn)定。所以，噴嘴突縮角與出口直徑不變，隨著噴嘴入口直徑的增大，管道中油液湍動(dòng)程度增大，油膜波動(dòng)強(qiáng)烈，油膜斷裂且穩(wěn)定性減弱，到達(dá)一定程度時(shí)不能為軸承提供連續(xù)穩(wěn)定的潤滑[15]。

油氣在輸油管徑向速度的變化是環(huán)狀流波動(dòng)性的體現(xiàn)，通過Fluent后處理提取油氣隨著位置變化的情況。圖6為輸油管中環(huán)狀流徑向速度的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出當(dāng)噴嘴入口直徑為4 mm時(shí)，管道中徑向速度變化范圍較小，最大相對(duì)速度為3 m/s，變化相對(duì)平穩(wěn)；噴嘴入口直徑增加到6 mm時(shí)，徑向絕對(duì)速度增加到6 m/s，局部變化較大，最大相差8 m/s；當(dāng)噴嘴入口直徑為8 mm時(shí)，油氣徑向速度變化范圍非常大，瞬時(shí)變化速度高達(dá)18 m/s，此種情況下油氣輸油管中已經(jīng)不能形成均勻穩(wěn)定的環(huán)狀流。

2.2 噴嘴出口直徑對(duì)環(huán)狀流分布及速度變化的影響

噴嘴出口直徑是噴嘴的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究噴嘴出口直徑對(duì)油氣環(huán)狀流的影響，仿真中保持油液的供油壓力為3 MPa，空氣的入口壓力為0.5 MPa，保持輸油管直徑為4 mm，噴嘴突縮角θ=90°，油液入口傾斜角為 90°，對(duì)噴嘴φ2分別為 0.6 mm、0.8 mm、1 mm時(shí)管道內(nèi)油液的分布狀態(tài)進(jìn)行研究，如圖7、8所示。

由圖7與圖8可以看出，當(dāng)φ2=1 mm時(shí)，油膜穩(wěn)定連續(xù)無斷裂，無液滴夾帶現(xiàn)象出現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)環(huán)狀流連續(xù)均勻、穩(wěn)定。環(huán)狀流在徑向速度的變化范圍為-3.29～1.1 m/s，最大相對(duì)速度為1.3 m/s，速度場相對(duì)穩(wěn)定。隨著噴嘴直徑的減小，當(dāng)φ2=0.8 mm時(shí)，油液在輸油管及噴嘴處的油膜出現(xiàn)斷裂，且油膜的波動(dòng)增強(qiáng)。對(duì)應(yīng)的油氣在徑向的速度變化范圍為-6.24～5.21 m/s，最大相對(duì)速度為7.4 m/s，速度場局部變化較大，這也是造成油膜不均勻與斷裂和環(huán)狀流不穩(wěn)定的主要因素。改變噴嘴直徑為0.6 mm，輸油管壁面無法形成連續(xù)油膜及環(huán)狀流，且油氣在徑向速度的變化范圍為-6.37～6.21 m/s，最大相對(duì)速度高達(dá)9.3 m/s，輸油管中油氣波動(dòng)過于劇烈，不能形成環(huán)狀流，且油液容易被霧化，無法對(duì)潤滑點(diǎn)形成持續(xù)穩(wěn)定的潤滑。

結(jié)合以上分析可以得到噴嘴的出入口直徑對(duì)輸油管中環(huán)狀流的油膜連續(xù)性、穩(wěn)定性及徑向波動(dòng)有很大的影響。改變噴嘴直徑油液狀態(tài)發(fā)生較大改變這是由于噴嘴出口直徑一般為0.5～1 mm，管路的直徑越大，噴嘴出入口直徑的差值就越大，致使高速通過的空氣在油管與噴嘴的過渡處產(chǎn)生較大的突變，影響了管道噴嘴系統(tǒng)內(nèi)的壓力及速度場分布，使整個(gè)壓力場發(fā)生較大的改變，引起了油膜的斷裂與波動(dòng)。對(duì)于這種影響關(guān)系定義無量綱參數(shù)k表示:

式中:φ1為噴嘴入口直徑；φ2為噴嘴出口直徑。k越小φ1與φ2越接近，則油液的湍動(dòng)越小，徑向速度越小，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好；k越大，φ1與φ2相差越大，則油液的湍動(dòng)越大，管道內(nèi)油氣徑向速度變化越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性越弱。

3 噴嘴突縮角對(duì)環(huán)狀流特性的影響

噴嘴的突縮角是噴嘴的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真中保持油液的供油壓力為3 MPa，空氣的入口壓力為0.5 MPa，噴嘴入口直徑為4 mm，噴嘴出口直徑為1 mm不變?cè)趦A斜角結(jié)構(gòu)方面主要研究的突縮角θ分別為30°、90°、180°三種噴嘴結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)油液的分布狀態(tài)如圖9～11所示。

從圖9油膜云圖分布可以看出，突縮角對(duì)噴嘴內(nèi)的油液的分布影響較小，隨著角度的增大，雖然油膜產(chǎn)生一定的波動(dòng)和冗余，但在整個(gè)管道壁面都是連續(xù)的且不出現(xiàn)油滴夾帶現(xiàn)象，減小噴嘴突縮角有助于緩解環(huán)狀流波動(dòng)性。如圖10、11所示，輸油管與噴嘴系統(tǒng)內(nèi)徑向速度變化與壓力場變化趨勢(shì)一致，前后相差不大。這與噴嘴中油膜的分布情況相照應(yīng)，不同噴嘴突縮角下都能形成連續(xù)不斷的油液，對(duì)潤滑點(diǎn)形成連續(xù)的潤滑。

通過以上分析得到突縮角對(duì)環(huán)狀流特性的主要影響表現(xiàn)在噴嘴突縮位置上油液的沉積，角度越小，管壁傾斜越緩，油液流過越平穩(wěn)，油液不容易產(chǎn)生堆積，角度增大，油液在過渡處產(chǎn)生堆積以及油膜波動(dòng)，但最終在噴嘴出口處油膜連續(xù)，波動(dòng)較小，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定均勻的潤滑供油效果。

4 結(jié)語

(1)通過油氣潤滑噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)狀流特性的研究，得到噴嘴結(jié)構(gòu)與環(huán)狀流之間的影響關(guān)系，優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)可以緩解因油氣波動(dòng)而導(dǎo)致的環(huán)狀流不穩(wěn)定、斷裂現(xiàn)象，有利于環(huán)狀流的保持和運(yùn)輸，增加油氣潤滑效果，為噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及油氣潤滑輸油管內(nèi)部流場的分析提供了理論基礎(chǔ)與依據(jù)。

(2)油氣潤滑中噴嘴直徑對(duì)輸油管油液分布及環(huán)狀流連續(xù)穩(wěn)定性有較大的影響。出口與入口直徑越接近，環(huán)狀流在輸油管內(nèi)的軸向連續(xù)性越好，徑向波動(dòng)性越小，有利于環(huán)狀流的保持與運(yùn)輸，可以為潤滑點(diǎn)提供良好的潤滑。

(3)噴嘴突縮角對(duì)油氣環(huán)狀油流影響較小，主要影響體現(xiàn)在噴嘴出口處油膜波動(dòng)與傾斜位置油液的冗余上。突縮角越小，油液的流動(dòng)越平穩(wěn)，且不容易產(chǎn)生冗余，能對(duì)潤滑點(diǎn)提供更好的潤滑；隨著角度增大，油液在過渡處產(chǎn)生堆積以及油膜波動(dòng)，但油膜的連續(xù)性及穩(wěn)定性保持較好。