油气分离器内气液两相流的数值模拟.pdf

上海大学博士后出站报告

第1章概述

1.1问题由来

喷油螺杆式空气压缩机是目前在工业上应用比较广泛的一种压缩机。这种压缩机
具有活动部件少、工作噪音低、基本不需要维护等显著的优点。在工作过程中，喷油
螺杆式空气压缩机需要不断向螺杆上喷淋润滑油以达到润滑和密封的作用，然后再通
过油气分离器将润滑油从压缩空气中分离出来循环使用，而压缩空气则排出压缩机，

进入工作环境。
在喷油螺杆式空气压缩机的诸多评价指标中，油气分离效率是非常关键的一个指
标。油气分离效率的高低不仅决定了润滑油的使用效率，更重要的是分离效率的高低
直接决定了压缩空气的纯净度，进而可以影响到其实际使用范围和市场前景。比如在

中央空调中如果热交换器表面覆盖了1.5mm后的润滑油，则热交换效率将下降23％，
而如果覆盖了4mm的润滑油，热交换效率将下降40％，可见其影响是非常显著的1。
本文工作以一个空气压缩机的原型机为研究对象，用数值模拟技术研究了油气混
合气流场结构和油气分离机理，并在此基础上提出改型设计意见，最终达到提高总体

分离效率的目的。本文以雷诺平均NS方程为控制方程，以RNGk−ε模型为湍流模
型，用离散相模型（DPM）对油气分离器内气液两相流流场进行了数值模拟。最后
将数值模拟结果与工程试验数据进行了对比，以便验证计算模型和机理分析的准确

性，同时观察改型设计的实际效果。
本文工作是在复盛实业（上海）有限公司资助下进行的，文中的工程试验由复盛

公司完成，相关试验数据用于验证数值计算和改型设计效果。

1.2气液两相流研究概况

流体力学及其各个分支的研究大多开始于工程应用问题的研究，再随着研究工作
的进展逐步上升为独立的理论，多相流的研究也遵循了同样的规律。在瓦特发明蒸气
机后，随之出现的蒸气机锅炉爆炸问题促使人们研究锅炉内的蒸汽运动与传热问题。

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油气分离器内气液两相流的数值模拟（2005年3月）

19世纪末20世纪初出现了以探讨锅炉中的水循环、传热特性和气液两相流脉动问题
为内容的论文。1877年Boussinesq系统研究了明渠水流中的泥沙沉降和输运问题。
1910年Mallock研究了声波在泡沫液体中传播时强度的衰减过程。1920年到1940年
期间，发表了气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气液两相流问题的经典论文。

1949年出现“两相流（two-phaseflow）”这一专用名词。其后，随着工业应用特别是
动力工程领域的迅速发展，越来越多的高温高压问题呈现在研究人员的面前。两相流
的研究也逐步向系统化发展，有关两相流边界层、激波在两相流中的传播、空化理论

等方面的论文逐渐增加。1954年Baker提出了气液两相流的第一张流型图。1956年
Ingebo研究了颗粒群阻力系数与单颗粒阻力系数的差别，总结出描绘颗粒群阻力系数
的经验公式。1974年《国际多相流学报（InternationalJournalofMulti-phaseFlow）》
创刊。1982年出版首部《多相流手册（HandbookofMultiphaseSystem）》2。多相流
技术的工程应用范围越来越大，比较典型的应用包括气力输运、流化床技术、泥沙淤

积治理、水下超空泡武器设计、船用螺旋桨设计及雾化喷嘴设计等等。
两相流问题中所谓“相”是指具有相同成分及物理、化学性质的均匀物质，各相

间应具有明显可分辨的界面。如图1.1所示，气液两相流问题根据各自的特点可以分
为气泡流（bubblyflow）、液滴流（dropletflow）、气块流（slugflow）和分层流（stratified
flow）。气泡流指气体以颗粒状气泡的形式散布在液体中运动，比如啤酒杯中带气泡
啤酒的运动；液滴流指液体以液滴形式散步于气体中的流动，比如带蒸汽空气的运动
以及本文中油气混合气的运动等；气块流指气体以大的气块形式存在于液体中的流
动，比如潜艇在水下发射鱼雷前，发射孔舱门打开后压缩空气进入海水就可以形成大
尺度的气泡；分层流也是一种十分常见的流动，任何带自由面的流动都可以归于这一

类，比如水面的流动等等。
如果根据介质组合分类，两相流问题可以分为气固、气液和液固三种类型。其中
不仅包含了单相流流场所涉及的复杂流动问题，还包含了两相间的相互干扰问题。与
气固和液固两相流相比，气液两相流中还存在液滴变形、破碎、聚合和蒸发过程，因
此其复杂程度更高，给实验观察和数值计算都带来很多困难。总体上看，这个领域的
研究还远没有达到成熟的阶段，距离建立完整的理论还有很大距离。现有的气液两相
流理论中包含了大量的经验公式和模型假设，从一个侧面证明了这个领域的理论还处

于发展的初级阶段。

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上海大学博士后出站报告

图1.1颗粒相、气块流、分层流示意图

1.3气液两相