吴昊
【摘 要】针对某型发动机的2种不同结构的油气分离器,采用FLUENT对流场进行数值模拟.使用RNG k-ε模型计算连续相气体,得到油气分离器内部的流场速度分布.使用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)计算液态油滴,追踪离散项的运动轨迹,从而计算得到分离效率.探讨影响油气分离效率的因素,同时进行试验验证.结果可为油气分离器的后续优化设计提供参考. 【期刊名称】《计算机辅助工程》 【年(卷),期】2016(025)002 【总页数】5页(P52-56)
【关键词】发动机;油气分离器;分离效率;连续相;离散相 【作 者】吴昊
【作者单位】湖北三江船艇科技有限公司,湖北 孝感 432000 【正文语种】中 文 【中图分类】TK413.3
当发动机工作时，气缸内会有气体经过活塞环由气缸窜入曲轴箱内.这些离开气缸的“旁通气体”会将滞留在活塞和缸套表面的油膜和油滴带入气流中，通过进气系统进入燃烧室再次燃烧.但是，由于机油不能完全燃烧，不仅会对排放指标产生负面影响，而且还会造成机油储量减少，即所谓的“烧机油”，因此，必须将机油从曲轴箱气体中分离出来.[1-2]
发动机常用的油气分离器主要有2种：一种为迷宫式分离器，一种为离心式分离器.迷宫式油气分离器主要利用油滴的惯性和撞击实现分离：混合气体在迷宫内流速降低，粒径较大的机油油滴撞击壁面后沉积，实现分离目的，缺点是粒径较小的油滴容易逃逸.离心式油气分离器依靠混合气体在分离器内高速流动产生的离心作用，将粒径较大的油滴甩到壁面上，其分离效果相对较好，但受整体结构和流速的影响较大.[3]由文献[4-8]可知，随着计算流体力学
(Computational Fluid Dynamics，CFD)理论和计算机硬件技术的发展，CFD在油气分离器的设计研究方面得到广泛的应用.但是，对于2种分离器在相同条件下的分离效果的对比分析研究较少.
在某型发动机开发过程中分别设计迷宫式分离器和离心式分离器，采用CFD方法，分别对这2种油气分离器进行流动特性和分离效率的数值模拟研究.同时，进行台架试验测试并充分对比，由此选出最优方案，并对影响分离效率的因素进行分析.研究结论可为油气分离器的后续优化设计提供依据.
油气分离器的数值模拟是气液两相流计算.常见的算法由欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法2种.欧拉-拉格朗日法具有计算速度快、资源要求低等特点，并能够准确描述离散粒子的运动轨迹，因此本次研究采用欧拉-拉格朗日法.分析流见图1. 连续相控制方程的通用格式为
式中：φ为通用变量，可以代表各种求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项. 离散项运动轨迹方程为
式(2)右边第一项为离散粒子的单位质量曳力，第二项为重力，第三项为其他作用力.本次计算中只考虑重力，忽略其他力的影响. 2.1 几何模型与网格
迷宫式分离器和离心式分离器的CFD模型分别见图2和3.曲轴箱上有2处通风口，分别通过入口1和2进入分离器，然后再经过出口流出.
由于分离器内部通道较为复杂，故网格以四面体为主.网格尺寸最大为2 mm，最小为0.5 mm.网格划分完毕后，再导入FLUENT中进行光顺，并转换为多面体网格，以提高计算速度. 2.2 边界条件
以标准状态的不可压空气作为连续项气体，气流入口速度为4 m/s，出口真空为-20 000 Pa，其余采用默认设置，同时考虑重力加速度的影响.分离器中的流动是具有强烈各向异性特点的旋转流动.[9]标准k-ε模型不适用于模拟旋转流动，雷诺应力模型完全抛弃涡黏性假设.完全求解雷诺应力微分输运方程，并考虑壁面对雷诺应力分布的影响，更适合求解分离器流场，但计算资源要求高.RNG k-ε模型则相对于标准k-ε模型有所改进，计算精度相对较高，且对计算资源要求较小.因此，本次计算采用RNG k-ε模型. 3.1 连续相流场计算结果
迷宫式分离器的内部流场及其某平面的流线分别见图4和5.从图4中可以看到：该迷宫式分离器内部大部分区域气流运动较为平顺，但局部气流较为紊乱.图5中可以看到局部产生的涡流.
离心式分离器的内部流场及其出口位置的平面流线分别见图6和7.从图6中可以看到：大部分气流沿壁面螺旋流动，但气流在出口附近出现紊乱.从图7可以看出：气流在出口位置的运动方向与在分离器内的旋转运动方向并不相切，气体需要偏转很大角度才能由出口流出.分析认为这是由于出口位置设置不合理造成的，会在局部造成一定的堵塞，从而增加阻力，不利于流通性.压力损失是衡量油气分离器设计性能的重要指标，较大的压力损失会使“旁通气体”流出困难.2款分离器进出口压力均由FLUENT生成，见表1.由表1可以看出：2款油气分离器的进出口压降均未超过100 Pa，由文献 [10]可知已属于较好的水平；迷宫式分离器的压降明显低于离心式，分析认为这与出口位置设置不合理有一定关系.
3.2 油气分离效率
研究资料表明，分离器内的油滴颗粒粒径范围主要集中在1～10 μm范围内，因此选择0.2，0.5，1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0和12.0 μm 这9种状态的油滴粒径进行分析.
在入口处创建油滴颗粒的面射流源，均匀喷射，颗粒初始速度与气流速度相同.油滴密度设为880 kg/m3.入口和出口处均采用逃逸条件，即油滴颗粒进入入口后不再返回，流至出口处则停止追踪.在壁面处采用捕捉条件，即油滴颗粒碰撞壁面后被吸附，停止运动并被分离出来.根据入口颗粒数和逃逸颗粒数得出2种分离器的分离效率，即 分离效率
计算结果分别见表2和3.
从计算结果来看，二者的分离效率基本随着油滴粒径的增加而增大.这是因为大粒径的油滴颗粒质量大，更容易受惯性力的影响，因此随流性差、易分离；小粒径的油滴颗粒因质量小，更易受外部作用的影响，因此随流性强、容易逃逸.当油滴颗粒粒径达到8 μm时，分离效率已超过80%.
对比2种分离器的分离效率，可以发现离心式分离器对6 μm以下颗粒的分离效率低于迷宫式分离器，而对6 μm以上颗粒的分离效率高于迷宫式分离器，且随着粒径的增加分离效率差异愈明显.从图4和6中可以看出：离心式分离器的流场较迷宫式更为平顺流畅，行程更短.由于粒径小的颗粒随流性好，因此在离心式分离器中油气更容易随气流流出，分离效果更差；离心式分离器内气流速度明显高于迷宫式分离器，而离心力的大小与速度的平方成正比，因此大粒径的油滴颗粒更容易甩到壁面而被捕捉，分离效果更好.
另一方面，由图4和6还可知：2种分离器内部均存在涡流.小粒径的油滴有可能在涡流内旋转运动，既没有随气流流出，也没有被捕捉，而是悬浮在流场中，可在
一定程度上保证分离效率.
为验证分析结果的准确性，选取1台发动机，先后使用迷宫式分离器和离心式分离器，在测功台架上以8 500 r/min工况进行30 h测试.每次试验前加注定量的机油，试验期间每隔5 h检查一次油量，并补充添加至规定量.
根据试验统计，使用迷宫式分离器的发动机一共添加约2.6 L机油，使用离心式分离器的发动机一共添加约2.3 L机油.试验结果表明：离心式分离器的分离效率更高，与分析结论相吻合.
1)离心式分离器内部流场更为平顺，而迷宫式分离器的压力损失则更小. 2)离心式分离器的出口位置可以进一步优化，以减小压力损失.
3)2种分离器对于粒径在8 μm以下的油滴颗粒分离效率均不高，其中迷宫式分离器的效率略高于离心式；对于粒径在8 μm以上的油滴颗粒则均具有超过80%的分离效率，其中离心式分离器的分离效果明显高于迷宫式.结合试验结果，离心式分离器的总体性能优于迷宫式分离器.
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