基于FLUENT 軟件的潤滑油在線黏度測試裝置的流道優(yōu)化

張皓天

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

引言

潤滑油品質(zhì)的高低決定了機(jī)械設(shè)備的使用壽命。而黏度是評價(jià)所用潤滑油性能的一項(xiàng)非常重要物性參數(shù)，也是實(shí)際過程中用于指導(dǎo)潤滑油更換的重要指標(biāo)。潤滑油在實(shí)際過程中使用時(shí)間的增長，會使黏度不斷發(fā)生變化。潤滑油黏度增加到一定程度時(shí)將導(dǎo)致其在輸油管道中的流動阻力相應(yīng)增大，且散熱速率會不斷降低，最終導(dǎo)致使用該潤滑油的設(shè)備運(yùn)行性能變壞。而潤滑油黏度變低則會導(dǎo)致在摩擦副表面之間所形成的潤滑油膜變薄、變小甚至導(dǎo)致摩擦副表面直接接觸，從而導(dǎo)致磨損增加，以及設(shè)備密封性能下降等。因此獲取使用過程中潤滑油的黏度狀態(tài)是非常有必要的，而黏度的獲取則依靠黏度測量裝置[1]。

目前測試潤滑油黏度的裝置按照使用場合可以分為離線測量裝置與在線測量裝置。離線測量黏度，會在一定程度上降低非牛頓流體效應(yīng)，即如果所采集的樣本沒有及時(shí)被測試時(shí)，其內(nèi)部剪切應(yīng)力會逐漸釋放掉，在一定彈性范圍內(nèi)，流體黏度會恢復(fù)，此外離線測量所耗費(fèi)的時(shí)間成本太大，所需樣本量較多，在線測量黏度則一定程度上會降低離線測量的影響。但是，在線測試黏度需要在一個(gè)恒定的環(huán)境下其所得到的結(jié)果才有可對比性，即黏度的對比都應(yīng)該是在同一個(gè)溫度下進(jìn)行測量才有意義，如果在高溫下獲取的黏度與低溫下獲取的黏度進(jìn)行對比，顯而易見黏度降低，但其性能到底差異了多少不得而知。因此開發(fā)一個(gè)能具備恒溫環(huán)境的在線黏度測量裝置是必要的，其流道則是決定恒溫環(huán)境的關(guān)鍵之一，本文針對在線黏度測量的流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證在層流狀態(tài)下流體流經(jīng)特殊的流道，與環(huán)境換熱后可在測量處達(dá)到在線黏度測量時(shí)所需的恒定溫度及40 ℃。

1 流道模型的建立

黏度測量裝置流道的主要作用是保證管內(nèi)流體與管外環(huán)境介質(zhì)的充分換熱，使得在測量位置的待測流體溫度達(dá)到所需溫度，因此為保證流道與外界環(huán)境充分的接觸，流道設(shè)計(jì)為螺旋管道，其參數(shù)為流道直徑D，螺旋直徑R，螺旋軋數(shù)T。本文所依據(jù)的黏度測試原理是保證流體在某一個(gè)相同速度下流動時(shí)，其剪切力僅與黏度成正比關(guān)系，但此時(shí)流體為牛頓流體，且為層流狀態(tài)，因此在測量部位的后端設(shè)計(jì)較大空間來緩沖因應(yīng)變片阻隔流體而導(dǎo)致的流體擾亂，其可變參數(shù)為流速[2]。本文三維建模采用SolidWorks 進(jìn)行，流道結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2 網(wǎng)格模型建立

本文利用Ansys Workbench 對幾何模型計(jì)算域進(jìn)行了不同塊的劃分，對不同的塊進(jìn)行不一樣的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置，最終產(chǎn)生的四面體與六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格模型。以其中一個(gè)模型為例，展示網(wǎng)格模型、網(wǎng)格質(zhì)量以及邊界條件設(shè)置。其網(wǎng)格模型如下頁圖2 所示。

3 對黏度測量裝置流道進(jìn)行分析

在本流道設(shè)計(jì)中，流道的管徑D 預(yù)先設(shè)計(jì)為6 mm，螺旋軋數(shù)T 為5 圈，變量則為螺旋半徑R，分別取值為30 mm、40 mm、50 mm。依據(jù)此建立的三個(gè)模型代號分別為D6-T5-R30、D6-T5-R40、D6-T5-R50。Re取2 300 為層流狀態(tài)的判斷閾值，取計(jì)算工質(zhì)為30號透平油，常溫常壓條件下其動力黏度為0.145 04 Pa·s，密度為899 kg/m3，可得保證流道內(nèi)工質(zhì)為層流狀態(tài)的工質(zhì)最大流速為61.85 m/s。

3.1 邊界條件設(shè)置

邊界條件指在運(yùn)動邊界上方程組的解應(yīng)該滿足的條件。一般常用邊界條件有流道進(jìn)口、出口邊界條件，如進(jìn)口溫度、出口溫度、進(jìn)口速度、出口速度和遠(yuǎn)場壓力邊界條件等。

本文的邊界條件設(shè)置包括溫度入口邊界條件25 ℃、壁溫邊界條件40 ℃，壓力出口邊界設(shè)置為0，工質(zhì)在流道入口的速度為變量分別為1 m/s、20 m/s、40 m/s 與60 m/s。

3.2 不同入口流速不同螺旋半徑的潤滑油流道分析

D6-T5 模型在不同入口流速的層流狀態(tài)下的出口截面壓力結(jié)果如圖3 所示。

D6-T5 模型在不同入口流速的層流狀態(tài)下的出口截面溫度結(jié)果如圖4 所示。

由圖3、圖4 可以得出：

1）在螺旋直徑R 相同的條件下，工質(zhì)流速越大，其出口截面的壓力越大；在某一個(gè)工質(zhì)流速下，其出口截面的壓力隨著螺旋直徑的增大而降低；工質(zhì)流速越大，其出口截面的壓力最大值與最小值差異越大，這是因?yàn)楫?dāng)流速變大時(shí)，其進(jìn)口壓力也增大，但層流在壁面出會出現(xiàn)明顯的速度梯度，這一定程度上決定了其壓力變化梯度，因此其壓力誤差會隨著工質(zhì)流速的增加而增大。

2）流道內(nèi)工質(zhì)的最高溫度受到外界環(huán)境壁溫的影響，都為40 ℃，受流速與螺旋直徑的影響，管內(nèi)工質(zhì)的溫度上升會存在差異，在1 m/s 的流速條件下測試管路出口的介質(zhì)溫升效果較顯著，而在其他流速條件下保持基本相當(dāng)。當(dāng)1 m/s 的工質(zhì)流速變換至20 m/s的工質(zhì)流速時(shí)，其溫升效果下降顯著，但20 m/s 至40 m/s 與60 m/s 的流速變化卻并沒有引起太多的溫升效果下降，這意味著此時(shí)的換熱量不跟工質(zhì)流速成正比，且當(dāng)工質(zhì)流速達(dá)到一定程度時(shí)，其溫升效果不明顯。這個(gè)溫升規(guī)律與常識是一致的，即較大的螺旋直徑等效于增加換熱面積，保持一定的工質(zhì)流速，螺旋直徑越大，其溫升效果越明顯，因此將黏度測試裝置的流道螺旋半徑選定為R=50 mm。

僅考慮工質(zhì)流動狀態(tài)的層流要求，20 m/s 以上的工質(zhì)流速顯然是無法滿足溫升要求，1 m/s 的速度也略顯過大，因此還需要對工質(zhì)流速進(jìn)行優(yōu)化，在層流要求范圍之內(nèi)，尋找溫升效果更顯著且滿足換熱要求的工質(zhì)流速。因此將D6-T5-R50 流道模型的工質(zhì)入口流速調(diào)整至0.1 m/s 與0.5 m/s 再進(jìn)行分析對比。得出的出口壓力結(jié)果如下頁圖5 所示，出口截面溫度結(jié)果如圖6 所示。

根據(jù)圖6 可以得出，在入口流速為0.1 m/s 的情況下，管路出口的平均溫度已經(jīng)極大地接近于預(yù)設(shè)的外部環(huán)境溫度40 ℃，而0.5 m/s 工質(zhì)流速條件下的溫升效果與0.1 m/s 相比則顯著降低，假設(shè)所要求的出口截面的平均溫度需要為40 ℃，那么無疑當(dāng)流速為0.5 m/s 時(shí)需要更高的外部環(huán)境溫度。

4 結(jié)論

1）在同一個(gè)流道的螺旋直徑下，流道內(nèi)工質(zhì)流速越大，其出口截面的壓力越大；

2）在同一個(gè)工質(zhì)流速下，其出口截面的壓力隨著螺旋直徑的增大而降低；

3）流道內(nèi)工質(zhì)流速越低，流道出口的平均溫度就越高；

4）受螺旋直徑的影響，流道內(nèi)工質(zhì)的溫度隨流道螺旋直徑的增加而略有上升。

5）不同流速下工質(zhì)的換熱量不跟工質(zhì)流速成正比，且當(dāng)工質(zhì)流速達(dá)到一定程度時(shí)，其溫升效果不明顯；

6）當(dāng)流道入口的工質(zhì)流速為0.1 m/s 時(shí)，其流道出口介質(zhì)的平均溫度已經(jīng)極大的接近預(yù)設(shè)環(huán)境溫度；

7）最終對在線黏度測試裝置的流道優(yōu)化設(shè)計(jì)為：流道直徑D=6 mm、流道螺旋軋數(shù)T=5 圈、流道螺旋半徑R=50 mm、流道入口介質(zhì)的流速需要控制在0.1 m/s，這樣在外部環(huán)境溫度為40 ℃、流道入口溫度為25 ℃的情況下，潤滑油在流經(jīng)流道并充分換熱后，其出口溫度可以最大的接近所要求的黏度測試溫度。這將對在線黏度測試裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)提供進(jìn)一步的參考。