油气润滑输送管内环状流的特性分析

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1、研究与由上述的流型转变机理可知，气液两相界面波的存在．是形成环状流的主要原因。’盟(7)tot+豢+4Ou；=。3环状流的气液界面稳定性分析目前对气液界面的稳定性分析，主要采用的是小扰动一鲁一+堕Ox=。(8)法．即对界面施加小扰动。下面对微重力条件下环状流的气液界面稳定性进行分析。(9)-g等吉+“鲁一警=3．1环状流的动力模型(1)连续方程式中A仁(dA／dh)l一，h为内管液膜厚度，lllm。对液相n^，为考察界面的稳定性，对界面施加如下的小扰动Ⅲ：昙()昙()=o(1)对气相假设h为无穷小量，则h的变化引起Ug，u的线性变昙()+昙()=o(2)化．即式中：A为截面面积，m；P为密

2、度，kg·m；u为流(1O)速，m．s～；t为时间，s；为流动方向坐标；下角标l为液相．g为气相。式中：h为参数h的小扰动；f为波幅；K为波频(2)动量守恒方程÷啊率．Hz。将式(10)代人式(7)～(9)中，同时忽略二ll对液相，阶及高阶小量，进行线性化处理，从而得到界面波色散方=程：ll妄(4)+丢()一4罢一p,g4sinP(3)=PaIc-2(a2+ia3)c+a4+=0(11)』t对气相，其中()+昙(”)=mTiSt一一&gAgsinp(4)q=鲁+砖将(3)(4)eF的压力项消除，得如下的两相联合动量方程：筹+妻鲁一鲁-g+v-l一&us=。(5))1(~0AF·一丢]其中，

3、=鲁+Ag“-2OAFAg'~_OAF一舟孕n一魄OAF]式中：T为剪切应力，N·I13。；S为湿周；P为压力，MPa；B为管道与水平面夹角；g为重力加速度，m·s-2；式(11)是一复系数二次方程，其解为：下角标i为气液界面。3．2模型的线性稳定性分析=[=—————：——————’：—二。。。——‘——二——————=—：—一(、‘2一)，C一————·———————。由于界面波，环状流得以维持，气液两相界面的小扰at动使相应的各个变量产生扰动值，因此可以将其表示为稳复波速c=c+ic，，其中c，决定着界面扰动的情况。c，>0态值与扰动值的和：时，扰动增大；c，<0时，扰动衰减；ct=

4、0时，气液两相界f：+啊’面达到中性稳定。{=+(6)3．3气液界面稳定性结果分析lf=+界面扰动何时增长、何时保持中性稳定、何时衰减，将式(6)代入式(1)、(2)、(5)中，得可用界面波增长因子K(波数与波速虚部的乘积)来表示。主要计算参数为：水平输送管道内径d=2Omm，折算向5个角度处的瞬态液膜厚度随时间的变化，且获得平均气体速度范围为20—80m／s，密度p1．205kg／m，动力液膜厚度沿周向的分布及其随气、液相折算速度的变化特粘度产1．808~10Pa·s，气压p=0．4MPa；润滑油的折算速性，如图4所示。度范围为0．015～0．250m／s，密度p1=860kg／m，动力

5、粘啪度l=34x10Pa·S，油压pl=6．OMPa。图2表示不同折算液速对界面波增长因子．的影响，其横坐标为无量纲(K／D)。随的增大，界面波增长因子增大，当=0时，=，对应界面中性波，其波长为，此时形成稳定的界面波。当<时，<0，界面波衰减；当入>时，。>O，界面波不断成长乃至引起界面或流动的不稳定。如图2曲线所示，当为0．04～0．06m／s时，厂0，气液两相界面达到预期的稳定。045901351800／。(a)折算液速增大1．20．8、=0．40一O．44321O00．5l1．52图2不同液相折算速度对界面波增长因子045901351800／。的影响(V：~：=3Om／s)(b)折

6、算气速降低图3表示不同气相折算速度对界面波增长因子的图4液膜平均厚度沿周向的分布规律影响，随着的增大，界面波增长因子增大，最快成长波的波长⋯减小，中性稳定波的波长也减小。当液膜在管内沿周向的分布具有沿0。～180。直线的对称30m／s时，K．+0，气液两相界面达到预期的稳定。性，为从管底到顶的周向角。由图4可以看出，随着折算液速的增大或折算气速的降低，重力作用更明显地影Ⅱ向液相在管周内的分布，导致液相偏移、管底部的膜较厚；而当折算液速越小而折算气速越大时，膜厚沿管周向分布差越小．液膜越同心，环状流在管道内分布得越均匀。5结论(1)通过不同折算液速或折算气速对界面波增长因子K的影响曲线，获得

7、了判断环状流稳定的准则，即在液相折算速度为0．04～0．06nJs和气相折算速度为一30rrl／s0O．5l1．52时．无限的趋近于零，气液两相界面达到预期的稳定，满足了滑动轴承油气润滑工况下输送管内环状流的稳定性3不同气相折算速度对界面波增长因子的要求。影响(Vs『l一0．06m／s)(2)通过液膜平均厚度沿周向的分布规律曲线，获得了判断环状流均匀的准则，即折算液速越小，折算气速越4环状流的均匀性分析大，液膜沿管周向分