基于FLUENT软件的润滑油在线黏度测试装置的流道优化

张皓天

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

润滑油品质的高低决定了机械设备的使用寿命。而黏度是评价所用润滑油性能的一项非常重要物性参数，也是实际过程中用于指导润滑油更换的重要指标。润滑油在实际过程中使用时间的增长，会使黏度不断发生变化。润滑油黏度增加到一定程度时将导致其在输油管道中的流动阻力相应增大，且散热速率会不断降低，最终导致使用该润滑油的设备运行性能变坏。而润滑油黏度变低则会导致在摩擦副表面之间所形成的润滑油膜变薄、变小甚至导致摩擦副表面直接接触，从而导致磨损增加，以及设备密封性能下降等。因此获取使用过程中润滑油的黏度状态是非常有必要的，而黏度的获取则依靠黏度测量装置[1]。

目前测试润滑油黏度的装置按照使用场合可以分为离线测量装置与在线测量装置。离线测量黏度，会在一定程度上降低非牛顿流体效应，即如果所采集的样本没有及时被测试时，其内部剪切应力会逐渐释放掉，在一定弹性范围内，流体黏度会恢复，此外离线测量所耗费的时间成本太大，所需样本量较多，在线测量黏度则一定程度上会降低离线测量的影响。但是，在线测试黏度需要在一个恒定的环境下其所得到的结果才有可对比性，即黏度的对比都应该是在同一个温度下进行测量才有意义，如果在高温下获取的黏度与低温下获取的黏度进行对比，显而易见黏度降低，但其性能到底差异了多少不得而知。因此开发一个能具备恒温环境的在线黏度测量装置是必要的，其流道则是决定恒温环境的关键之一，本文针对在线黏度测量的流道进行设计，保证在层流状态下流体流经特殊的流道，与环境换热后可在测量处达到在线黏度测量时所需的恒定温度及40 ℃。

黏度测量装置流道的主要作用是保证管内流体与管外环境介质的充分换热，使得在测量位置的待测流体温度达到所需温度，因此为保证流道与外界环境充分的接触，流道设计为螺旋管道，其参数为流道直径D，螺旋直径R，螺旋轧数T。本文所依据的黏度测试原理是保证流体在某一个相同速度下流动时，其剪切力仅与黏度成正比关系，但此时流体为牛顿流体，且为层流状态，因此在测量部位的后端设计较大空间来缓冲因应变片阻隔流体而导致的流体扰乱，其可变参数为流速[2]。本文三维建模采用SolidWorks 进行，流道结构图如图1 所示。

本文利用Ansys Workbench 对几何模型计算域进行了不同块的划分，对不同的块进行不一样的网格参数设置，最终产生的四面体与六面体结构网格的网格模型。以其中一个模型为例，展示网格模型、网格质量以及边界条件设置。其网格模型如下页图2 所示。

在本流道设计中，流道的管径D 预先设计为6 mm，螺旋轧数T 为5 圈，变量则为螺旋半径R，分别取值为30 mm、40 mm、50 mm。依据此建立的三个模型代号分别为D6-T5-R30、D6-T5-R40、D6-T5-R50。Re取2 300 为层流状态的判断阈值，取计算工质为30号透平油，常温常压条件下其动力黏度为0.145 04 Pa·s，密度为899 kg/m3，可得保证流道内工质为层流状态的工质最大流速为61.85 m/s。

边界条件指在运动边界上方程组的解应该满足的条件。一般常用边界条件有流道进口、出口边界条件，如进口温度、出口温度、进口速度、出口速度和远场压力边界条件等。

本文的边界条件设置包括温度入口边界条件25 ℃、壁温边界条件40 ℃，压力出口边界设置为0，工质在流道入口的速度为变量分别为1 m/s、20 m/s、40 m/s 与60 m/s。

D6-T5 模型在不同入口流速的层流状态下的出口截面压力结果如图3 所示。

D6-T5 模型在不同入口流速的层流状态下的出口截面温度结果如图4 所示。

由图3、图4 可以得出：

1）在螺旋直径R 相同的条件下，工质流速越大，其出口截面的压力越大；在某一个工质流速下，其出口截面的压力随着螺旋直径的增大而降低；工质流速越大，其出口截面的压力最大值与最小值差异越大，这是因为当流速变大时，其进口压力也增大，但层流在壁面出会出现明显的速度梯度，这一定程度上决定了其压力变化梯度，因此其压力误差会随着工质流速的增加而增大。

2）流道内工质的最高温度受到外界环境壁温的影响，都为40 ℃，受流速与螺旋直径的影响，管内工质的温度上升会存在差异，在1 m/s 的流速条件下测试管路出口的介质温升效果较显着，而在其他流速条件下保持基本相当。当1 m/s 的工质流速变换至20 m/s的工质流速时，其温升效果下降显着，但20 m/s 至40 m/s 与60 m/s 的流速变化却并没有引起太多的温升效果下降，这意味着此时的换热量不跟工质流速成正比，且当工质流速达到一定程度时，其温升效果不明显。这个温升规律与常识是一致的，即较大的螺旋直径等效于增加换热面积，保持一定的工质流速，螺旋直径越大，其温升效果越明显，因此将黏度测试装置的流道螺旋半径选定为R=50 mm。

仅考虑工质流动状态的层流要求，20 m/s 以上的工质流速显然是无法满足温升要求，1 m/s 的速度也略显过大，因此还需要对工质流速进行优化，在层流要求范围之内，寻找温升效果更显着且满足换热要求的工质流速。因此将D6-T5-R50 流道模型的工质入口流速调整至0.1 m/s 与0.5 m/s 再进行分析对比。得出的出口压力结果如下页图5 所示，出口截面温度结果如图6 所示。

根据图6 可以得出，在入口流速为0.1 m/s 的情况下，管路出口的平均温度已经极大地接近于预设的外部环境温度40 ℃，而0.5 m/s 工质流速条件下的温升效果与0.1 m/s 相比则显着降低，假设所要求的出口截面的平均温度需要为40 ℃，那么无疑当流速为0.5 m/s 时需要更高的外部环境温度。

1）在同一个流道的螺旋直径下，流道内工质流速越大，其出口截面的压力越大；

2）在同一个工质流速下，其出口截面的压力随着螺旋直径的增大而降低；

3）流道内工质流速越低，流道出口的平均温度就越高；

4）受螺旋直径的影响，流道内工质的温度随流道螺旋直径的增加而略有上升。

5）不同流速下工质的换热量不跟工质流速成正比，且当工质流速达到一定程度时，其温升效果不明显；

6）当流道入口的工质流速为0.1 m/s 时，其流道出口介质的平均温度已经极大的接近预设环境温度；

7）最终对在线黏度测试装置的流道优化设计为：流道直径D=6 mm、流道螺旋轧数T=5 圈、流道螺旋半径R=50 mm、流道入口介质的流速需要控制在0.1 m/s，这样在外部环境温度为40 ℃、流道入口温度为25 ℃的情况下，润滑油在流经流道并充分换热后，其出口温度可以最大的接近所要求的黏度测试温度。这将对在线黏度测试装置的设计开发提供进一步的参考。