噴嘴結構對油氣潤滑環狀流特性的影響??

陳長業 李濟順 余永健 薛玉君

(①河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003；②河南科技大學河南省機械設計及傳動系統重點實驗室，河南洛陽471003)

滾動軸承是機械工業領域重要的零部件，近些年隨著我國工業的不斷發展，軸承的應用越來越廣泛，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技術的代表，在軸承的潤滑中有著較為廣泛的應用，為高速運轉的軸承提供連續穩定的潤滑是油氣潤滑系統的基本要求[3-4]。隨著油氣潤滑在機械各領域的廣泛應用，國內外學者對油氣潤滑的理論及試驗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，研究分析得出了評價環狀流的三個指標，分別是截面含油率、油膜厚度比和油液流量分布，并在此基礎上設計新型的油氣混合器。郭烈錦[6]等用量綱分析法對油氣兩相流轉換因素進行了試驗研究，得出了各種流型之間的轉換關系式，達到了預報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]研究了兩相流動中的油滴行為，分析模擬了液滴的初始狀態對氣體流場中液滴運動狀態及沉積效果的影響以及軸承轉速對潤滑油回油狀態的影響等。劉成[9]和孫啟國[10]等以油氣潤滑噴嘴為研究對象，研究了油氣兩相流經過不同結構噴嘴后在軸承腔內的流動狀態以及油氣潤滑系統中環狀流流過突擴管時的流動特性進行了研究分析。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的流動狀態，并探討了軸承腔內油氣兩相流動物理場及其與其他潤滑參數的關系。張俊國和王建文等[13-14]在自行研制的油氣潤滑試驗設備上，以軸承外圈溫升為衡量標準，通過實驗研究了特定條件下滾動軸承的最佳供油量。以上研究集中于試驗研究，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兩對于油氣在輸油管中的形成機理以及輸油管中環狀流的特性變化卻鮮有研究。所以，對于油氣潤滑中噴嘴結構參數對環狀流特性的影響有待進一步研究。

油氣潤滑是基于高壓氣流將微量潤滑劑輸送到潤滑點處的潤滑技術，利用潤滑劑在管路中的“附壁效應”。如圖1所示，當氣流以一定的速度在管路中流動時，潤滑劑下層附著在管壁上，上層被氣流吹動向前輸送。經過一段距離的管路輸送后，間斷供應的潤滑劑就會形成連續的潤滑油進入噴嘴，經過噴嘴噴向潤滑點，對潤滑點進行潤滑。

由于油氣潤滑中油氣量以及壓力與速度的不同，供油管道內的兩相流流型可分為環狀流型、帶狀流型、波狀流型、彈狀流型、泡狀流型以及塞狀流型，其中環狀流與分層流是油液在管道中的理性狀態。文章利用流體力學分析軟件Fluent對油氣在供油管道中的形成過程進行數值模擬，得到環狀流形成的過程以及油氣在管道中的分布狀態并分析在不同噴嘴結構下的油氣流經噴嘴處的油膜連續性，徑向速度的變化情況，對比分析噴嘴結構對環狀流特性的影響。

1 仿真模型建立與數值仿真

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

根據油氣潤滑系統中輸油管道與噴嘴連接原型及兩相流理論基礎，建立如圖3所示的二維模型。油液和空氣入口在一個面上，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軟件對模型進行建模并劃分網格，由于油液的流動和噴嘴壁面有很大的影響，所以在壁面采取網格加密并添加邊界層，使仿真模型更接近實際工況，如圖4所示。

將網格導入Fluent中進行仿真，設定初始條件如下:

(1)仿真環境的設置:根基油氣潤滑的實際工況條件，設置管道中初始工作環境101.3 kPa(標準大氣壓)，且考慮重力的影響，重力值設置為9.81 N/kg。

(2)材料物理參數設置:潤滑油選用VG68號汽輪機油，油液的密度為 876 kg/m3，運動粘度為 0.058 m2/s，具體物理參數如表1所示。

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

(4)初始邊界條件設置:仿真中設置潤滑油和空氣入口為壓力入口，出口處壓力為101.3 kPa；流場區域內設置第二相的體積分數為0，設置計算迭代步長為0.000 01，每步迭代次數為50次，設置連續方程、動量方程的收斂精度為10-3。

表1 潤滑油和空氣物理參數

2 噴嘴直徑對環狀流特性的影響

2.1 噴嘴入口直徑對環狀流分布及速度變化的影響

為了研究噴嘴入口直徑對環狀流特性的影響，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°，對噴嘴入口φ1分別為4 mm、6 mm、8 mm時管道內油液的分布狀態進行仿真研究，觀察油液在管道中的分布和油膜的連續性以及環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。如圖所示，當噴嘴入口φ1=4 mm時，油液連續且穩定，油膜保持的比較完整；當噴嘴入口φ1=6 mm，油液波動增大，油膜出現斷裂；當噴嘴入口φ1=8 mm時，輸油管道壁面處已不能形成連續的油膜且在管道中出現液滴夾帶的現象，供油不穩定。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，管道中油液湍動程度增大，油膜波動強烈，油膜斷裂且穩定性減弱，到達一定程度時不能為軸承提供連續穩定的潤滑[15]。

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

2.2 噴嘴出口直徑對環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構參數，研究噴嘴出口直徑對油氣環狀流的影響，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°，對噴嘴φ2分別為 0.6 mm、0.8 mm、1 mm時管道內油液的分布狀態進行研究，如圖7、8所示。

由圖7與圖8可以看出，當φ2=1 mm時，油膜穩定連續無斷裂，無液滴夾帶現象出現，整個系統環狀流連續均勻、穩定。環狀流在徑向速度的變化范圍為-3.29～1.1 m/s，最大相對速度為1.3 m/s，速度場相對穩定。隨著噴嘴直徑的減小，當φ2=0.8 mm時，油液在輸油管及噴嘴處的油膜出現斷裂，且油膜的波動增強。對應的油氣在徑向的速度變化范圍為-6.24～5.21 m/s，最大相對速度為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狀流不穩定的主要因素。改變噴嘴直徑為0.6 mm，輸油管壁面無法形成連續油膜及環狀流，且油氣在徑向速度的變化范圍為-6.37～6.21 m/s，最大相對速度高達9.3 m/s，輸油管中油氣波動過于劇烈，不能形成環狀流，且油液容易被霧化，無法對潤滑點形成持續穩定的潤滑。

結合以上分析可以得到噴嘴的出入口直徑對輸油管中環狀流的油膜連續性、穩定性及徑向波動有很大的影響。改變噴嘴直徑油液狀態發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生較大的突變，影響了管道噴嘴系統內的壓力及速度場分布，使整個壓力場發生較大的改變，引起了油膜的斷裂與波動。對于這種影響關系定義無量綱參數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，則油液的湍動越小，徑向速度越小，系統穩定性越好；k越大，φ1與φ2相差越大，則油液的湍動越大，管道內油氣徑向速度變化越大，系統穩定性越弱。

3 噴嘴突縮角對環狀流特性的影響

噴嘴的突縮角是噴嘴的重要結構參數，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不變在傾斜角結構方面主要研究的突縮角θ分別為30°、90°、180°三種噴嘴結構，對應油液的分布狀態如圖9～11所示。

從圖9油膜云圖分布可以看出，突縮角對噴嘴內的油液的分布影響較小，隨著角度的增大，雖然油膜產生一定的波動和冗余，但在整個管道壁面都是連續的且不出現油滴夾帶現象，減小噴嘴突縮角有助于緩解環狀流波動性。如圖10、11所示，輸油管與噴嘴系統內徑向速度變化與壓力場變化趨勢一致，前后相差不大。這與噴嘴中油膜的分布情況相照應，不同噴嘴突縮角下都能形成連續不斷的油液，對潤滑點形成連續的潤滑。

通過以上分析得到突縮角對環狀流特性的主要影響表現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，油液不容易產生堆積，角度增大，油液在過渡處產生堆積以及油膜波動，但最終在噴嘴出口處油膜連續，波動較小，能夠實現穩定均勻的潤滑供油效果。

4 結語

(1)通過油氣潤滑噴嘴結構對環狀流特性的研究，得到噴嘴結構與環狀流之間的影響關系，優化噴嘴結構可以緩解因油氣波動而導致的環狀流不穩定、斷裂現象，有利于環狀流的保持和運輸，增加油氣潤滑效果，為噴嘴結構優化設計及油氣潤滑輸油管內部流場的分析提供了理論基礎與依據。

(2)油氣潤滑中噴嘴直徑對輸油管油液分布及環狀流連續穩定性有較大的影響。出口與入口直徑越接近，環狀流在輸油管內的軸向連續性越好，徑向波動性越小，有利于環狀流的保持與運輸，可以為潤滑點提供良好的潤滑。

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