基于Fluent的油气分配器结构改进与分流特性仿真

第２ ５ 卷第 ３ 期 ２ ０ １ ３年９月
北 方 工 业 大 学 学 报 Ｊ ． ＮＯ Ｒ ＴＨ ＣＨ Ｉ ＮＡ ＵＮ Ｉ Ｖ． Ｏ Ｆ Ｔ Ｅ ＣＨ．
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ５Ｎ ｏ ． ３ Ｓ ｅ ｔ ． ２ ０ １ ３ ｐ
基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ的油气分配器结构改进与分流特性仿真
孙启国 李 婵 吕洪波
出口液相与气相的质量流量都相等， 则应有
Ｋｇ ． ５， Ｋｌ ． ５． １ ＝Ｋ ２ ＝０ １ ＝Ｋ ｌ ２ ＝０ ｇ
２ 流体域模型
利用 Ｇ ａ ｍ ｂ ｉ ｔ软件建 立 现 有 和 改 进 后 的 流
基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ的油气分配器结构改进与分流特性仿真 第 ３ 期 孙启国等 ： 对现有和 采用适应能力较强的四面体网格 ， ） 改进后流体域模 型 进 行 网 格 划 分 ． 图 ４（ 为现 ａ 网格数１ 节点数１ 有模型的网格 ， １ ３ ２ ８， ９ ８ ２ ７；
［（
）］
（ （ ０ Ｖ） ε ε） ε ρ ＋μ ＋ ρ ＝ ＋ ｘ ｔ ｘ ｘ μ σ ε
［（
）］
（ （ （ ｕ） ｖ） ｗ） ρ· ＋ ρ ＋ ρ ｄ ｘ ｄ ｄ ｚ＝－ ｙ ｚ ｔ ｙ （ ）， ｘ ｄ ｄ ｚ ｄ ｙ
ρ ［ ｘ
］
Ｃ Ｇｋ＋Ｇ３ ε（ １ ２ ε ε） Ｃ εε （ ） ５ － ρ ＋Ｓ ε ｋ ｋ 式中σ σ ｋ、 ε 分别是湍动能ｋ 与耗散率ε 对应的普
朗特数 ； Ｇ ｋ 为平均 速 度 梯 度 引 起 的 湍 动 能 的 产 生项 ； Ｇ ＹＭ ｂ 为浮力影响引起的湍动能的产生项 ； 描述湍流脉动膨胀对耗散率的影响 ； Ｓ ｋ 与Ｓ ε 是 用户定义 的 源 项 ； Ｃ Ｃ Ｃ １ ２ ３ ０ 为 ε、 ε、 ε为 经 验 常 数； μ
］ １ ５ 可以表示成ｋ 与ε 的函数［ 局部湍流黏度 ， ２ Ｃ ｋ μ ρ （ ） ６ ε 式中 Ｃ 为经验常数 ． μ 在Ｆ 设置 Ｖ 气相 ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ中 ， Ｏ Ｆ 两 相 流 模 型，
Hale Waihona Puke 大量的生产应用验证了油气润滑相对于传 统润 滑 方 式 而 言 ， 更为适应机械工业设备的最 新发展 ， 尤其适用于高温 、 重载 、 高速 、 极低速及 有冷却水和脏物侵入润滑点的工况条件恶劣的 场合 ， 它在高效 、 节能 、 高自动化 、 长寿命的发展 方向上 ， 具有 独 特 的 优 势 作为油气润滑设 ． — —油 气 分 配 器， 其性能的优劣 备的关键部 件 —
Ｋｌ １ ＝
Ｍ１（ １－ｘ １） （ Ｍ０ １－ｘ ０）
（ ） ７
４ ６
５卷 北 方 工 业 大 学 学 报 第 ２ （ ） 体域模型 ． 图２ 为现有油气分配器的流体域 ａ 模型 ， 油气环状流流入之后 ， 在分配界面流入均 在 分 配 芯 内， 进 入 １、 匀分布的 ６ 个 分 配 小 孔 ， 进 入 ２、 ３、 ５ 分配小孔的流体汇集到 出 口 １， ４、 ６ 分配小孔的 流 体 汇 集 到 出 口 ２． 在不影响结果 的前提下 ， 简 化 油 气 分 配 器 的 流 体 域 模 型， 以 １、 ３、 ５ 分配小孔为出口 １， ２、 ４、 ６分配小孔为出 （ ） 口 ２． 图 ２ ｂ 为改进后的流体域模型 ， 即在分配 界面 上 加 一 组 圆 弧 导 流 槽 和 一 个 导 流 锥 体 ， 导 油 流锥 体 与 先 导 块 的 锥 形 孔 围 成 一 个 环 形 腔 ． 气环 状 流 在 入 口 处 被 逼 入 环 形 腔 ， 经过环形腔 的整 流 作 用 后 ， 在分配界面被圆弧导流槽预分 分别流入相对应的分配小孔 ． 配为 ６ 份 ， 两流体域模型的具体尺寸见图 ３．
基于 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ的油气分配器结构改进与分流特性仿真 第 ３ 期 孙启国等 ：
４ ５
１ 油气分配器的数学模型与分流系数
１． １ 数学模型 对于一个空 间 位 置 固 定 的 控 制 体 ， 由质量 守恒 可 知 ， 在单位时间内流出控制体的流体总 质量流量等于控制体内的质量减少的时间变化 率（ 定义质量的减少为负 ） 于是 ， 在笛卡尔坐标 ．
［ ］ １ ５ －
气润滑系统的应用范围得到拓展 ． 然而 ， 国内对 油气分配器的研究多数集中在油气分配器的工 程应用方面 ， 例如为了满足现场安装需要 ， 把出
７］ ； 研制用于炼 口分布在互相 垂 直 的 两 平 面 内 ［
钢连铸 、 轧机等设备上无需密封的油气分配
８］ ９］ ； 安装于轴 承 内 部 的 内 置 式 油 气 分 配 器 ［ 器［
等． 在气 液 两 相 流 分 配 特 性 研 究 方 面 ， 肖全胜
１ ０］ 等［ 实验研究了 水 平 Ｔ 型 管 中 气 水 环 状 流 的 １ １］ 相分离现象 ； 梁法春 ［ 实验研究了用于测量的 １ ２］ 管壁取样三通分配器 的 相 分 配 特 性 ； 魏 显 达［
对润滑效果的影响至关重要 ． 早期的油气润滑系统采用 “ 点对点 ” 的油气 输送 方 式 ， 即油气混合器每一个出口和润滑点 一一对应 ， 这在润滑点少的情况下容易实现 ， 但 在连 铸 机 组 等 有 上 千 个 润 滑 点 的 场 合 ， 油气管 道布 置 变 得 异 常 的 繁 杂 ， 这就使油气润滑系统 的应 用 存 有 一 定 的 局 限 性 ． 由于康达效应 （ ） 的 影 响， 气液两相流流过普通 Ｃ ｏ ａ ｎ ｄ ａ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ 的 Ｔ 型接头时 ， 会造成 气 液 两 相 的 严 重 不 均 或 者气 液 分 离 ， 以致油气两相流的均匀或按比例
６］ 分配成为难题 ［ 德国莱布斯集中润滑技术有 ．
利用 Ｆ 然 而， ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ仿 真 了 三 通 管 内 部 的 流 场 ． 将气液两相 流 理 论 和 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软 件 应 用 于 油 气 分配 器 的 研 究 很 少 ， 尤其是对油气分配器内部 流场以及分流特性的研究 ． 本文定义了液相分流系数和气相分流系数 作为 油 气 分 配 器 的 分 配 效 果 的 评 价 指 标 ， 改进 现有 油 气 分 配 器 分 配 芯 的 结 构 ， 建立现有和改 进后 分 配 器 的 流 体 域 模 型 ， 结合两相流的基本 理论 ， 利用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软件仿真两种 模 型 的 内 部 流 场， 分析油气分配器的分流特性 ， 并用本文定义 的指标来评价它们的分配效果 ．
（ 北方工业大学机电工程学院 ， 北京 ） １ ０ ０ １ ４ ４， 摘 要 定义了液相分流系数和气相分流 系 数 作 为 油 气 润 滑 系 统 中 油 气 分 配 器 的 分 配 效 果的评价指标 ． 改进了现有油气分配器的结 构 ， 即在分配芯的分流界面上添加一组圆弧导流槽 和一个导流锥体 ． 建立了现有和改进后油气分 配 器 的 流 体 域 模 型 ， 利用 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ软 件 分 别 对 它 们 并计算了各自液相分流系数和气相分流系数 ． 结果表 明 ， 改进后的油气分 内部流场进行了仿真 ， 配器的分配效果明显优于现有油气分配器 ． ； 关键词 油气润滑 ； 油气分配器 ； 分流系数 ； 结构改进 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 分类号 ＴＨ １ １ ７． １
２
即 （ （ （ｗ ） ｕ） ｖ） ρ＋ ρ ） １ ＋ ρ ＋ ρ ＝０ （ ｔ ｘ ｚ ｙ ； 式中ｔ 为 时 间 ， 单位ｓ ｕ、 ｖ、 ｗ 分 别 为 ｘ、 ｚ ３ ｙ、 ／ ； 个方向的速度 ， 单位 ｍ ｓ ρ 为流体密度 ， （ ） １－α） ２ ｌ ｇ＋（ ρ ρ ＝α ρ 式中 ρ 单位 ｌ 分 别 为 气 体 与 油 液 的 密 度， ｇ、 ρ
３ ／ ； 即气体的体积分数 ． ｋ ｍ α 为含气率 ， ｇ 根据牛顿第 二 定 律 ， 作用于一个运动流体
μ０ ＝
３ ／ ， 为空气 ， 密度为１ 黏度为１ ． ２ ２ ５ ｋ ｍ ． ７ ８ ９ ４× ｇ －５ －１ ／ ； 液相为 ４ 密度 １ ０ ｋ ｍ· ｓ ６ 号抗磨液压油 ， ｇ ３ －１ ／ ／ 黏度为０ 启动标 为８ ９ ０ ｋ ｍ， ． ０ ５ ８ ｋ ｍ·ｓ ． ｇ ｇ ［６ ］ 准ｋ 根据 Ｌ 的 推 荐 值， ａ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ等 １ － ε 湍 流 模 型，
式中 Ｍ０ 、 Ｍ１ 分别为入口和出口 １ 的质量流量 ， ／ ； 单位 ｋ ｓ ｘ ｘ ｇ ０、 １ 分别为入口和出口１的质量 气相分流系数表示为 ： 含气率 ．
Ｋｇ １ ＝
Ｍ１ ｘ １ （ ） ８ Ｍ０ ｘ ０ 同理 ， 对于出口 ２， 气相分流系数为 ：
Ｍ２ ｘ ２ （ ） Ｋｇ ９ ２ ＝ Ｍ０ ｘ ０ ／ ； 式中 Ｍ２ 为 出 口 ２ 的 质 量 流 量 ， 单位 ｋ ｓ ｘ ｇ ２ ： 为出口 ２ 的质量含气率 ． 液相分流系数为 Ｍ２（ １－ｘ ２） （ ） Ｋｌ １ ０ ２ ＝ （ Ｍ０ １－ｘ ０） 对于理想均分的一分二油气分配器， 两
限公司（ 最 Ｒ Ｅ Ｂ Ｓ Ｚ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｌ ｓ ｈ ｍ ｉ ｅ ｒ ｔ ａ ｃ ｈ ｎ ｉ ｋ Ｇｍ ｂ Ｈ） 早发 明 了 油 气 分 配 器 ， 实现气液两相流平均或 者按比例地分配成两个或两个以上的输出流， 简化油气管路布置 ， 节约安装和维护成本 ， 使油
收稿日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ４ １ ０ － － 第一作者简介 ： 孙启国 ， 教授 ． 研究方向 ： 摩擦学与工业润滑技术 、 机械系统动力学及其控制 ．
（ τ ｕ） Ｐ ｘ ｘ ρ ｕ Ｖ ）＝－ ＋ ＋ ·（ ＋ ρ ｔ ｘ ｘ τ τ ｘ ｘ ｚ ｙ ＋ ＋ ｆｘ ｚ ρ ｙ （ ） ３ １ －
（ ｖ） Ｐ τ ｘ ρ ｖ Ｖ ）＝－ ＋ ｙ ＋ ＋ ·（ ρ ｔ ｘ ｙ
１ ３］ 系下 ， 可推导出流体流动的连续性方程 ［ 为：
面上ｊ 方向的切应力 ， 单位 Ｎ． 采用标准ｋ 需要求解湍动能 ｋ 与耗 － ε 模型 ，