油气混合器性能评价指标研究

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Research on Performance Evaluation Index of Oil.air M ixersZeng Xianwen Sun Qiguo Lv Hongbo(College of Mechanical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China)Abstract：Three performance evaluation indexs of the oil-air mixers in oil-air lubrication system，the ratio of the oil filmthickness，the oil content ratio and the oil flow distribution were proposed based on the requirement of uniformity，continui-ty and stability of the oil film in the oil-air mixer respectively.The flow fields was within a traditional oil-air mixer and anew oil-air mixer based on the new mixing principle were simulated using CFD simulation techniques，and the mixing per-formance of two oil-air mixers was evaluated by these three performance evaluation indexes.The results show that thesethree evaluation indexes can be used in the perform ance evaluation and structure optimization of oil-air mixers。

Keywords：oilair 1ubrication；oil.air mixer；evaluation index：film thickness在油气润滑系统中要求润滑油能够精细、连续地进入润滑点。这就要求由油气混合器中流出的油气能以良好环状流形式出现，因此油气两相环状流的性能指标就成为评价油气混合器性能的关键指标。但是目前对环状流的研究大都停留在形成及转 变机制上 I。 ，而对于环状流的计算和评价也仅停留在油膜在管内周向分布情况 ，并没有提出明确的评价指标体系。

本文作者基于前人研究成果，考虑精细润滑对环状流的特殊要求 ，提 出了油气混合器性能的评价指标；对油气混合器的内部流体流动状况进行了仿真分析，并根据该评价指标对油气混合器性能进行了分析评价。

基金项目：北京市属高等学校人才强教计划项 目 (PHR201107109)。

收稿日期 ：2013-03-06作者简介：曾宪文 (1987-)，女，硕士研究生，研究方向为油气润滑关键技术研究与成套设备研发.E-mail：evelynzeng###163.c0m1 油气混合器性能评价指标油气混合器包括油气混合腔和油气混合管两部分 ，前-部分是油气混合的主体，后-部分是油气的运输部分。精细润滑要求混合管中得到连续、稳定油量，以防止润滑点油液断续或超量，造成润滑点缺油或润滑油浪费。现代生产中卫星站式润滑方式中，单根混合管后要连接油气分配器，以满足多点润滑，因而要求混合器管路内油液沿周向均匀分布。针对以上要求本文作者从管道油液连续性、均匀性、稳定性3个方面 ，首次提出评价混合器性能的 3个指标--含油率、油膜厚度比、油液流量分布。

1.1 含油率油气润滑系统中的两相流是-种特殊的气液丽相流，引入气液两相流体截面含油率的概念，截面含油率计算式为：： (1) L式中：Ot为截面含油率；A、A 分别为管道横截面积和油液所占横截面积。

管道中不同截面上含油率的大小，可以表示在管2013年第9期 曾宪文等：油气混合器性能评价指标研究道中不同位置油液的多少，因此其波动性可以作为油液连续性的评价指标。

图1为油气混合器管道的示意图。如图所示，把混合管混合管长为z的油气混合管在轴向分成 n份，计算每个截面处含油率。

截面 混合管中心截面辜 -圳--H～刖 斗-H ----- -图1 油气混合管截面示意图Fig 1 Schematic diagram of the oil-gas mixing tube segmentsI.2 油膜厚度比把图 1所示管道从 中心截面处分成上下 2个部分，上部和下部的平均含油率为 、 ，则上下油膜厚度值为：t r(1-/1- ) (2)tdr(1-/1- ) (3)式中：r为管道半径；t 、t 分别为管道上下部分油膜的平均厚度。

则上下油膜厚度比值6为：6 (4)d由于受到重力作用，润滑油在水平管道中分布不均匀，因此取管道上、下两部分油膜厚度的比值，作为润滑油在管道周向分布均匀与否的指标。

1.3 油液流量分布油气混合器出口即为润滑点油的人口，因此油量需要保持-定的稳定性。以 t/n时刻处油液流量分布的方差作为混合器稳定性的评价指标，计算式为：s。 ( q.vo) (5)式中：q 为不 同时刻出口处润滑油的流量 ；q 为-段时间内出口处润滑油流量的平均值；n为时间点数。

2 油气二相流动的数学模型及计算模型的设定在油气混合中，油气两相流体属于黏性流体，其流动情况符合式 (6)， (7)所示的 Navier-stokes方程 。

质量守恒方程 ：0 (6)式中： ， ， 分别为 ，Y，z 3个方向的速度；t为时间；P为密度。

.(p 孥 Ozpfx (7) .(p - 鲁pf， (8) .(pu )- OTx OTxypf， (9)式中：P是流体微元体上的压力； 、r r 为黏性应力的分量； ， ， 为单位质量力。

采用 CFD方法对上述方程进行求解，选用标准k- 模型实现数值计算。

3 油气混合器评定指标的应用3.1 混合器仿真模型的建立及分析选取-种传统混合器进行性能分析，图2(a)示出了其混合腔的二维结构，油气出口处所连接混合管长为 500 mm。

实际应用表明，传统混合器存在-些问题。图2(b)示出了-种新的油气混合器结构 ，它是根据文献 [8]提出的-种新的混合原理，在传统油气混合器中加入了-个中间锥面，而其他主要尺寸与传统油气混合器-致。

2013年第9期 曾宪文等：油气混合器性能评价指标研究 45沿管路方向，上下油膜厚度不均匀且中心存在大量油滴，出口端面处底部油量远大于上部。图4(b)为新型油气混合管道 0截面出口段轴向油气分布及出口端面油气分布图∩以看出，在出口处管道中油膜分布较连续均匀，气体流通区域内几乎没有油，初步的定性分析可知该混合器的效果较好。

3.2 混合器含油率的评价提取管道中不同截面处的含油率 (n25取值间隔为20 ram)，图5比较了传统油气 昆合器和新型油气混合器的含油率的分布∩以看出，传统混合器不同截面上含油率存在较大波动，最大含油率接近0.6%，在出口处存在含油率低于0.01%的地方，表明壁面油膜较薄甚至出现断续，说明油气环状流动连续性较差。而新型混合器在靠近油气人口处的油含率较大，随着油气流动，逐渐趋于稳定，不同截面上含油率数值波动较小，且含油率最小值大于0.1%，不存在大量数值上接近于0的面，这说明油膜沿管路上的间断面较少。因此可以认为新型混合器中油液连续性比传统混合器的好。

糌察缸陶幅窿图5 油气混合器横截面含油率分布的比较Fig 5 Comparison of oil content distribution onthe cross-sections of oil·-gas mixer3.3 混合器油膜厚度比评价由式 (4)计算出传统混合器管道上下油膜厚度比值 60.755，新型混合器管道上下油膜厚度比值60.927，表明传统混合器管道中上下油膜厚度存在较大差异，下部平均油膜大于上部，管道周向油膜分布不均匀，而新型混合器管道中上下油膜厚度差别较小 ，油膜在周向均匀性较好。

3.4 混合器油液流量分布评价图6示出了0.06 S时间段内传统混合器和新型混合器管道出口处油液流量的波动曲线∩知，传统混合器管道出口处油液流量波动较大，这是因为管道中有大油滴及断续现象存在，说明出口处油液流量不稳定。由式 (5)计算得到的方差值为0.045。而新型混合器管道出口处流量随着时间的推移逐渐趋于稳定，且波动较校由式 (5)计算得到的方差值为0.003 9，小于传统混合器的方差值∩以认为新型混合器的稳定性优于传统混合器。

e莹蔷鳝恒罐Ⅱ丑图6 油气混合器出口截面油流量分布的比较Fig 6 Comparison of oil flow distribution onthe outlet cross-section of oil-gas mixer4 结论提出了油气润滑系统中油气混合器性能的3个评价指标--含油率、油膜厚度比值及油液流量。基于该评价指标，采用 CFD方法，对传统油气混合器和基于-种新的混合原理改进的新型油气混合器的性能进行仿真分析♂果表明，提出的3个评价指标可用于油气混合器性能的评价和结构优化。