油氣潤滑輸送管內(nèi)環(huán)狀流的特性分析

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1、研究與由上述的流型轉(zhuǎn)變機(jī)理可知，氣液兩相界面波的存在．是形成環(huán)狀流的主要原因?！?7)tot+豢+4Ou；=。3環(huán)狀流的氣液界面穩(wěn)定性分析目前對氣液界面的穩(wěn)定性分析，主要采用的是小擾動一魯一+墮Ox=。(8)法．即對界面施加小擾動。下面對微重力條件下環(huán)狀流的氣液界面穩(wěn)定性進(jìn)行分析。(9)-g等吉+“魯一警=3．1環(huán)狀流的動力模型(1)連續(xù)方程式中A仁(dA／dh)l一，h為內(nèi)管液膜厚度，lllm。對液相n^，為考察界面的穩(wěn)定性，對界面施加如下的小擾動Ⅲ：曇()曇()=o(1)對氣相假設(shè)h為無窮小量，則h的變化引起Ug，u的線性變曇()+曇()=o(2)化．即式中：A為截面面積，m；P為密

2、度，kg·m；u為流(1O)速，m．s～；t為時間，s；為流動方向坐標(biāo)；下角標(biāo)l為液相．g為氣相。式中：h為參數(shù)h的小擾動；f為波幅；K為波頻(2)動量守恒方程÷啊率．Hz。將式(10)代人式(7)～(9)中，同時忽略二ll對液相，階及高階小量，進(jìn)行線性化處理，從而得到界面波色散方=程：ll妄(4)+丟()一4罷一p,g4sinP(3)=PaIc-2(a2+ia3)c+a4+=0(11)』t對氣相，其中()+曇(”)=mTiSt一一&gAgsinp(4)q=魯+磚將(3)(4)eF的壓力項消除，得如下的兩相聯(lián)合動量方程：籌+妻魯一魯-g+v-l一&us=。(5))1(~0AF·一丟]其中，

3、=魯+Ag“-2OAFAg'~_OAF一舟孕n一魄OAF]式中：T為剪切應(yīng)力，N·I13。；S為濕周；P為壓力，MPa；B為管道與水平面夾角；g為重力加速度，m·s-2；式(11)是一復(fù)系數(shù)二次方程，其解為：下角標(biāo)i為氣液界面。3．2模型的線性穩(wěn)定性分析=[=—————：——————’：—二。。。——‘——二——————=—：—一(、‘2一)，C一————·———————。由于界面波，環(huán)狀流得以維持，氣液兩相界面的小擾at動使相應(yīng)的各個變量產(chǎn)生擾動值，因此可以將其表示為穩(wěn)復(fù)波速c=c+ic，，其中c，決定著界面擾動的情況。c，>0態(tài)值與擾動值的和：時，擾動增大；c，<0時，擾動衰減；ct=

4、0時，氣液兩相界f：+啊’面達(dá)到中性穩(wěn)定。{=+(6)3．3氣液界面穩(wěn)定性結(jié)果分析lf=+界面擾動何時增長、何時保持中性穩(wěn)定、何時衰減，將式(6)代入式(1)、(2)、(5)中，得可用界面波增長因子K(波數(shù)與波速虛部的乘積)來表示。主要計算參數(shù)為：水平輸送管道內(nèi)徑d=2Omm，折算向5個角度處的瞬態(tài)液膜厚度隨時間的變化，且獲得平均氣體速度范圍為20—80m／s，密度p1．205kg／m，動力液膜厚度沿周向的分布及其隨氣、液相折算速度的變化特粘度產(chǎn)1．808~10Pa·s，氣壓p=0．4MPa；潤滑油的折算速性，如圖4所示。度范圍為0．015～0．250m／s，密度p1=860kg／m，動力

5、粘啪度l=34x10Pa·S，油壓pl=6．OMPa。圖2表示不同折算液速對界面波增長因子．的影響，其橫坐標(biāo)為無量綱(K／D)。隨的增大，界面波增長因子增大，當(dāng)=0時，=，對應(yīng)界面中性波，其波長為，此時形成穩(wěn)定的界面波。當(dāng)<時，<0，界面波衰減；當(dāng)入>時，。>O，界面波不斷成長乃至引起界面或流動的不穩(wěn)定。如圖2曲線所示，當(dāng)為0．04～0．06m／s時，廠0，氣液兩相界面達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定。045901351800／。(a)折算液速增大1．20．8、=0．40一O．44321O00．5l1．52圖2不同液相折算速度對界面波增長因子045901351800／。的影響(V：~：=3Om／s)(b)折

6、算氣速降低圖3表示不同氣相折算速度對界面波增長因子的圖4液膜平均厚度沿周向的分布規(guī)律影響，隨著的增大，界面波增長因子增大，最快成長波的波長?減小，中性穩(wěn)定波的波長也減小。當(dāng)液膜在管內(nèi)沿周向的分布具有沿0。～180。直線的對稱30m／s時，K．+0，氣液兩相界面達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定。性，為從管底到頂?shù)闹芟蚪?。由圖4可以看出，隨著折算液速的增大或折算氣速的降低，重力作用更明顯地影Ⅱ向液相在管周內(nèi)的分布，導(dǎo)致液相偏移、管底部的膜較厚；而當(dāng)折算液速越小而折算氣速越大時，膜厚沿管周向分布差越?。耗ぴ酵?，環(huán)狀流在管道內(nèi)分布得越均勻。5結(jié)論(1)通過不同折算液速或折算氣速對界面波增長因子K的影響曲線，獲得

7、了判斷環(huán)狀流穩(wěn)定的準(zhǔn)則，即在液相折算速度為0．04～0．06nJs和氣相折算速度為一30rrl／s0O．5l1．52時．無限的趨近于零，氣液兩相界面達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定，滿足了滑動軸承油氣潤滑工況下輸送管內(nèi)環(huán)狀流的穩(wěn)定性3不同氣相折算速度對界面波增長因子的要求。影響(Vs『l一0．06m／s)(2)通過液膜平均厚度沿周向的分布規(guī)律曲線，獲得了判斷環(huán)狀流均勻的準(zhǔn)則，即折算液速越小，折算氣速越4環(huán)狀流的均勻性分析大，液膜沿管周向分