高真空专用阻尼器注油气液两相流动数值模拟研究

李司宇

（核工业理化工程研究院，天津 300180）

阻尼器是高速旋转机械的重要减震部件。阻尼器通过阻尼油结合阻尼体动作，吸收转子在启动和额定运行过程中的振动能量，保证机器安全、稳定运行。由于高速旋转机械工作条件苛刻，需要在高真空条件下运转，而阻尼器在注油过程中，或因不恰当的工况产生液体或者融入气体，从而影响设备长期运转的可靠性，因此阻尼器注油过程是设备零部件制备的关键工艺环节。

目前，关于该类高真空条件下专用阻尼器注油过程分析，国内外还没有开展过相关研究。阻尼油注油工艺文件中只规定了压力及温度控制条件，但未对综合工况下的不同界面的流体状态进行详细研究。机械行业内阻尼器的注油往往是在常压下进行的，未对综合工况下的不同界面的流体状态提出具体要求，因此系统性开展注油过程仿真分析对高真空环境下注油工艺制定有指导意义。

1 物理模型建立

注油的物理过程是阻尼油在重力和压力的共同作用下从储油腔通过注油管注入到阻尼器中。开始注油时，缓慢地打开上下油腔之间的阀门，油从静止状态以一定的速度从注油管流出，在重力和速度惯性的作用下，流入阻尼器中，在注油管中油与注油腔中的空气接触并混合，在此过程中可能会伴随着一定量的空气混入，或使油发生一定量的相变。阻尼器、储油腔和注油腔几何模型如图1所示，在每一次注油开始之前需要对整个注油装置进行抽空处理，对阻尼油进行预除气，目的是尽可能地减少注油环境中的气体含量。

图1 仿真注油过程几何模型

在计算过程中，对实际模型进行简化，储油腔保留油液区域，阻尼器按实际体积做等效处理，只需考虑油液流过的主要区域的几何模型。在整个模型外建立真空包围体模型，以模拟封闭的注油器空间。

2 仿真参数设置

高真空条件下注油的工况参数包括储油腔的加热带温度和注油腔的压力值。选取阻尼油和空气的各物性参数[1]。计算基础工况的目的在于发现整个注油过程中，阻尼油在哪些位置更容易卷入空气产生气泡，并计算大致的气泡量[2]。根据注油技术条件设置计算过程中的边界条件设置，上储油腔设置真空度6 Pa，下注油腔设置真空度6 Pa。上储油腔温度50℃，下注油腔温度25℃。分别根据真空度和温度值选取空气和阻尼油的各条件参数，见表1。

表1 两种物质的主要条件参数

2.1 计算模型选取

由于整个注油过程需要研究的是两相流流态，阻尼油是连续的液相，可能混入油中的气泡为离散的气相[3]。即计算过程为瞬态、气液两相和三维物理过程，物理模型几何结构差别较大，需要先进的仿真软件以提高结果的精度。CFX拥有包括流体流动、传热和多相流等问题的通用物理模型，CFX基于有限元的有限体积算法，具有数值精准性。

计算CFX中提供了3种可以计算多相流间相间传递的模型，分别是自由表面模型、混合模型和粒子模型。自由表面模型无法计算相间物质传递，混合模型在计算前需给定两相间界面交互深度，但由于在注油前无法估计气体侵入量所以不选择上述模型，本次计算采用粒子模型进行相间传递的计算，粒子模型可以很好地计算出液体中存在的气泡和空气中存在的液滴的具体情况[4]。

计算湍流流动状态的湍流模型选择，选择湍流模型中的低雷诺压力模型，因其可以很好地计算流体近壁面处的黏性底层，并能计算层流和湍流共存的状态。

2.2 计算内容

本次计算基于基础的注油技术条件，计算关注的点在于最可能会产生气体入侵现象的位置，而发生这种现象的本质是由于液体的流速过快或者液体飞溅到固体壁面产生环流，此时将部分与之接触的气体卷入液体中，对于本计算模型来说，易产生环流的位置在注油管的弯管处。

截取注油管弯管处横截面不同注油时刻的气液两相体积分数云图，如图2所示。

图2 注油管弯管处横截面不同注油时刻的气液两相体积分数云图

从图2（a）、（b）和（c）可以看出，在刚开始注油时，瞬态注油的第2秒时注油管中充斥了大量的空气。随着注油时间的增长，阻尼油会迅速充满注油管，并且在第4秒时，截面处的两相体积分数占比开始发生显著变化，油量明显增多；再随着时间增加，当注油进行到第18秒的时候，截面处全部充满阻尼油，几乎无气体含量。之后的注油时段中气体含量持续减低为0。

在目前的注油工况条件下，注油过程中会在加油管内卷入一定量的空气，产生气泡，但随着注油时间的增长，阻尼油流速增加，油液冲破气泡，会使气泡量减小到可以忽略的范围之内。

3 对比工况计算

3.1 对比工况选取

注油工艺过程规定了2条技术要求，一是注油器的注油腔压力高于储油腔压力时不得进行注油或打开注油阀；二是阻尼器注油时不能出现喷溅现象，针对如上的技术要求开展下列变工况分析计算。

3.2 注油腔压力变化影响分析

首先将注油腔的压力增大，模拟当注油腔压力分别为500、800和1 000 Pa时的注油物理过程。

图3（a）为当注油腔的压力为500 Pa时，瞬态计算的第7秒，从注油管流出的阻尼油会出现短暂的速度降为0的流体流动停驻现象。图3（b）为注油腔的压力增大到800 Pa时，瞬态计算的第13秒，阻尼油从注油管管口流出后会因压力过大，造成一部分的阻尼油向上喷溅。图3（c）为持续增大注油腔压力，增大至1 000 Pa时，瞬态计算的第4秒，阻尼油还未完全填充注油管内部，就会因压力过大造成阻尼油无法顺利地流出注油管，并且仅有的一部分已经注入阻尼器中的阻尼油也不是静止状态，而是从阻尼器中向上部气体空间中喷溅。

图3 不同压力下注油腔阻尼油气液两相体积分数云图

在适当程度地减小注油腔压力后进行了计算，图4是读取注油过程开始后的前30 s历程中，注油管出口位置处的阻尼油的流速。从图中数据可以看出，当注油腔压力值在6~70 Pa之间时，阻尼油流速较为平稳，但是注油腔压力达到几百帕量级后会造成阻尼油流速剧烈的变化。上述对比计算的结果是，当注油腔压力大到一定程度时会出现油的反喷现象。所以要在不改变储油腔压力的情况下，使注油腔压力抽空程度在6~70 Pa范围之内，这样才能保证阻尼油不会出现反喷现象。

图4 注油从开始至30 s的进程中注油管出口处阻尼油速度

3.3 储油腔压力变化影响分析

在注油腔压力不变的情况下，对比计算上油腔压力分别为6、50和100 Pa的注油物理过程。

分别截取同一时刻，不同压力下的阻尼油体积分数云图，从图5（a）可以看出，当上储油腔压力为10 Pa时，阻尼油从注油管流出后可以呈自由向下流动的趋势。压力增大到50 Pa时就会出现有少部分的阻尼油液滴在注油过程中飞溅出阻尼器的情况如图5（b）所示。当压力增大到100 Pa时，飞溅的程度更为明显，如图5（c）所示。当储油腔压力在6~10 Pa时注油管出口流速在整个注油过程中趋于稳定趋势，流体流动状态较为稳定，阻尼油可以顺利地注入阻尼器中。

4 结论

（1）现有的注油工艺技术参数可以满足阻尼器注油工艺过程中对各项参数的要求。

（2）当下注油腔压力增大到一定程度会使从油管流出的阻尼油产生反喷到注油腔空间中的情况，所以为了防止阻尼油出现反喷现象，本文算例得出下注油腔的压力不得高于800 Pa。

（3）当上储油腔压力增大到一定程度时会使阻尼油注油的速度过快，造成阻尼油从油管出口喷溅而出，本文算例得出上储油腔的压力不得高于50 Pa。

图5 不同压力下储油腔阻尼油气液两相体积分数云图