基于Fluent的油气分配器结构改进与分流特性仿真

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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诚，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 ].作为油气润滑设备的关键部件--油气分配器，其性能的优劣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-个出口和润滑点- - 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诚，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-定 的局限性.由于康 达效应(Coanda Efect)的影响，气液两相流流过普通的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分配成为难题[6].德国莱布斯集中润滑技术有限公司(REBSZentralshmiertaehnikGmbH)最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，例如为了满足现巢装需要，把出口分布在互相垂直的两平面内[7 ；研制用于炼钢连铸、轧机等设备上无需密封的油气分配器[8 ；安装于轴承内部 的内置式油气分配器[9]等.在气液两相流分配特性研究方面，肖全胜等[1 实验研究了水平 T型管中气水环状流的相分离现象；梁法春 实验研究了用于测量的管壁取样三通分配器的相分配特性；魏显达L1 ]利用 Fluent仿真了三通管内部的流场.然而，将气液两相流理论和 Fluent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 Fluent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。

收稿日期：2013-04-10第-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第 3期 孙启国等：基于Fluent的油气分配器结构改进与分流特性仿真 451 油气分配器的数学模型与分流系数1.1 数 学模 型对于-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，在笛卡尔坐标系下，可推导出流体流动的连续性方程 ” 为：[ - · L缸 。a -J a(dxdydz)，即 娶 a( pw).-o (1) a 3x av a2 -式中t为时间，单位 s；u、 、w分别为z、Y、 3个方向的速度，单位 m/s；D为流体密度，ID： 口lD (1-a)pz (2)式中 pg、p2分别为气体与油液 的密度，单位kg/m。；a为含气率，即气体的体积分数。

根据牛顿第二定律，作用于-个运动流体微团上的力的总和(包括体积力与表面力)等于控制体的质量乘以控制体运动时的加速度，于是得到动量守恒方程，即纳维-斯托克斯方程 ， .(P -筹等鲁 pf (3-1)3 av z 。

·(pwV)-筹 鲁 3 (3-3 avzrJ 、-～式中 · 为速度散度，指每单位体积运动着的流体微团体积相对变化的时间变化率， · -au/axav/ayaw/az；P为流体微团上的压强，单位 Pa； 、 、 分别为 z、Y、z 3个方向的体积力，单位 N； 表示作用在垂直于i轴的平面上f方向的切应力，单位 N。

采用标准如 模型，需要求解湍动能 忌与耗散率 方程[1 ， [( )a，J7c3x a a a L。， 。G6-pc-yM Sk (4) [( )·aJ7-I3x at az azL /曼 ±鱼 -下Czpe2S (5)式中 、 分别是湍动能是与耗散率 对应的普朗特数；G 为平均速度梯度引起的湍动能的产生项；G 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；Sk与 Sl是用户定义的源项；C1 、C2 、C3 为经验常数； 为局部湍流黏度，可以表示成 矗与e的函数[15] - 。 (6)式中 为经验常数。

在Fluent中，设置 VOF两相流模型，气相为空气，密度为 1.225kg/m3，黏度为 1.7894×10 kg/m·s。；液相为 46号抗磨液压油，密度为890kg/m3，黏度为 0.058kg/m·s。.启动标准 e湍流模型，根据 Launder等[1 ]的推荐值，取 C1。1.44、C2 -1.92、C3 -0.09、 -1.0、- 1.3、C -0.09：1.2 分流 系数出口l 臼 澶气入口图1 -分二油气分配器示意图c 出口 2图 1为-分二油气分配器 的示意图.对于出口1，定义分流系数为出口 1质量流量占两出口总质量流量的比例，由流体的连续性可知，出口的总流量等于入口的总流量.于是，出口 1的液相分流系数可以表示为：K1 (7)46 北 方 工 业 大 学 学 报 第 25卷式中M0、M 分别为人口和出口1的质量流量，单位 kg/slz。、z 分别为人口和出口 1的质量含气率.气相分流系数表示为：K l M 1xl (8)同理，对于出口2，气相分流系数为： (9)式中M 为出口 2的质量流量，单位 kg/s；为出口2的质量含气率.液相分流系数为：Kn (10)对于理想均分的-分二油气分配器 ，两出口液相与气相的质量流量都相等，则应有Kg1Kg2 O.5，Kn Ktz 0.5。

2 流体域模型利用 Gambit软件建立现有和改进后的流现有模型体域模型.图 2(a)为现有油气分配器的流体域模型，油气环状流流入之后，在分配界面流入均匀分布的6个分配凶，在分配芯内，进入 1、3、5分配小孑L的流体汇集到出口1，进入 2、4、6分配凶的流体汇集到出口 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分配凶为出口1，2、4、6分配d，：fL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-组圆弧导流槽和-个导流锥体，导流锥体与先导块的锥形孔围成-个环形腔.油气环状流在人口处被逼入环形腔，经过环形腔的整流作用后，在分配界面被圆弧导流槽预分配为 6份，分别流入相对应的分配凶。

油气分配器流体域入 口图3 流体域模型的示意图第 3期 孙启国等：基于 Fluent的油气分配器结构改进与分流特性仿真 49