吳昊

摘要：針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)的2種不同結(jié)構(gòu)的油氣分離器，采用FLUENT對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.使用RNG k-ε模型計(jì)算連續(xù)相氣體，得到油氣分離器內(nèi)部的流場(chǎng)速度分布.使用離散相模型（Discrete Phase Model，DPM）計(jì)算液態(tài)油滴，追蹤離散項(xiàng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而計(jì)算得到分離效率.探討影響油氣分離效率的因素，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果可為油氣分離器的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)； 油氣分離器； 分離效率； 連續(xù)相； 離散相

中圖分類號(hào)： TK413.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：The flow field is numerically simulate for two different structures of oil-gas separators of an engine by FLUENT. The RNG k-ε model is applied to calculate the continuous phase gas to get the velocity distribution of the flow field in separator， the Discrete Phase Model（DPM） is applied to track the movement of liquid oil drops which are taken as the discrete item， and the separation efficiency of the two oil-gas separators is calculated. The factors that affect the separation efficiency of oil-gas separator are discussed， and the test verification is performed at the same time. The results can provide reference for the further optimization design of oil-gas separator.

Key words：engine； oil-gas separator； separation efficiency； continuous phase； discrete phase

0 引 言

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)會(huì)有氣體經(jīng)過(guò)活塞環(huán)由氣缸竄入曲軸箱內(nèi).這些離開氣缸的“旁通氣體”會(huì)將滯留在活塞和缸套表面的油膜和油滴帶入氣流中，通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)入燃燒室再次燃燒.但是，由于機(jī)油不能完全燃燒，不僅會(huì)對(duì)排放指標(biāo)產(chǎn)生負(fù)面影響，而且還會(huì)造成機(jī)油儲(chǔ)量減少，即所謂的“燒機(jī)油”，因此，必須將機(jī)油從曲軸箱氣體中分離出來(lái).[1-2]

發(fā)動(dòng)機(jī)常用的油氣分離器主要有2種：一種為迷宮式分離器，一種為離心式分離器.迷宮式油氣分離器主要利用油滴的慣性和撞擊實(shí)現(xiàn)分離：混合氣體在迷宮內(nèi)流速降低，粒徑較大的機(jī)油油滴撞擊壁面后沉積，實(shí)現(xiàn)分離目的，缺點(diǎn)是粒徑較小的油滴容易逃逸.離心式油氣分離器依靠混合氣體在分離器內(nèi)高速流動(dòng)產(chǎn)生的離心作用，將粒徑較大的油滴甩到壁面上，其分離效果相對(duì)較好，但受整體結(jié)構(gòu)和流速的影響較大.[3]由文獻(xiàn)[4-8]可知，隨著計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）理論和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，CFD在油氣分離器的設(shè)計(jì)研究方面得到廣泛的應(yīng)用.但是，對(duì)于2種分離器在相同條件下的分離效果的對(duì)比分析研究較少.

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過(guò)程中分別設(shè)計(jì)迷宮式分離器和離心式分離器，采用CFD方法，分別對(duì)這2種油氣分離器進(jìn)行流動(dòng)特性和分離效率的數(shù)值模擬研究.同時(shí)，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試并充分對(duì)比，由此選出最優(yōu)方案，并對(duì)影響分離效率的因素進(jìn)行分析.研究結(jié)論可為油氣分離器的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 理論依據(jù)

油氣分離器的數(shù)值模擬是氣液兩相流計(jì)算.常見的算法由歐拉-歐拉法和歐拉-拉格朗日法2種.歐拉-拉格朗日法具有計(jì)算速度快、資源要求低等特點(diǎn)，并能夠準(zhǔn)確描述離散粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此本次研究采用歐拉-拉格朗日法.分析流見圖1.

由于分離器內(nèi)部通道較為復(fù)雜，故網(wǎng)格以四面體為主.網(wǎng)格尺寸最大為2 mm，最小為0.5 mm.網(wǎng)格劃分完畢后，再導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行光順，并轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格，以提高計(jì)算速度.

2.2 邊界條件

以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的不可壓空氣作為連續(xù)項(xiàng)氣體，氣流入口速度為4 m/s，出口真空為-20 000 Pa，其余采用默認(rèn)設(shè)置，同時(shí)考慮重力加速度的影響.

分離器中的流動(dòng)是具有強(qiáng)烈各向異性特點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)流動(dòng).[9]標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型不適用于模擬旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，雷諾應(yīng)力模型完全拋棄渦黏性假設(shè).完全求解雷諾應(yīng)力微分輸運(yùn)方程，并考慮壁面對(duì)雷諾應(yīng)力分布的影響，更適合求解分離器流場(chǎng)，但計(jì)算資源要求高.RNG k-ε模型則相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有所改進(jìn)，計(jì)算精度相對(duì)較高，且對(duì)計(jì)算資源要求較小.因此，本次計(jì)算采用RNG k-ε模型.

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 連續(xù)相流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

迷宮式分離器的內(nèi)部流場(chǎng)及其某平面的流線分別見圖4和5.從圖4中可以看到：該迷宮式分離器內(nèi)部大部分區(qū)域氣流運(yùn)動(dòng)較為平順，但局部氣流較為紊亂.圖5中可以看到局部產(chǎn)生的渦流.

離心式分離器的內(nèi)部流場(chǎng)及其出口位置的平面流線分別見圖6和7.從圖6中可以看到：大部分氣流沿壁面螺旋流動(dòng)，但氣流在出口附近出現(xiàn)紊亂.從圖7可以看出：氣流在出口位置的運(yùn)動(dòng)方向與在分離器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向并不相切，氣體需要偏轉(zhuǎn)很大角度才能由出口流出.分析認(rèn)為這是由于出口位置設(shè)置不合理造成的，會(huì)在局部造成一定的堵塞，從而增加阻力，不利于流通性.壓力損失是衡量油氣分離器設(shè)計(jì)性能的重要指標(biāo)，較大的壓力損失會(huì)使“旁通氣體”流出困難.2款分離器進(jìn)出口壓力均由FLUENT生成，見表1.由表1可以看出：2款油氣分離器的進(jìn)出口壓降均未超過(guò)100 Pa，由文獻(xiàn) [10]可知已屬于較好的水平；迷宮式分離器的壓降明顯低于離心式，分析認(rèn)為這與出口位置設(shè)置不合理有一定關(guān)系.

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，二者的分離效率基本隨著油滴粒徑的增加而增大.這是因?yàn)榇罅降挠偷晤w粒質(zhì)量大，更容易受慣性力的影響，因此隨流性差、易分離；小粒徑的油滴顆粒因質(zhì)量小，更易受外部作用的影響，因此隨流性強(qiáng)、容易逃逸.當(dāng)油滴顆粒粒徑達(dá)到8 μm時(shí)，分離效率已超過(guò)80%.

對(duì)比2種分離器的分離效率，可以發(fā)現(xiàn)離心式分離器對(duì)6 μm以下顆粒的分離效率低于迷宮式分離器，而對(duì)6 μm以上顆粒的分離效率高于迷宮式分離器，且隨著粒徑的增加分離效率差異愈明顯.從圖4和6中可以看出：離心式分離器的流場(chǎng)較迷宮式更為平順流暢，行程更短.由于粒徑小的顆粒隨流性好，因此在離心式分離器中油氣更容易隨氣流流出，分離效果更差；離心式分離器內(nèi)氣流速度明顯高于迷宮式分離器，而離心力的大小與速度的平方成正比，因此大粒徑的油滴顆粒更容易甩到壁面而被捕捉，分離效果更好.

另一方面，由圖4和6還可知：2種分離器內(nèi)部均存在渦流.小粒徑的油滴有可能在渦流內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，既沒(méi)有隨氣流流出，也沒(méi)有被捕捉，而是懸浮在流場(chǎng)中，可在一定程度上保證分離效率.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，先后使用迷宮式分離器和離心式分離器，在測(cè)功臺(tái)架上以8 500 r/min工況進(jìn)行30 h測(cè)試.每次試驗(yàn)前加注定量的機(jī)油，試驗(yàn)期間每隔5 h檢查一次油量，并補(bǔ)充添加至規(guī)定量.

根據(jù)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，使用迷宮式分離器的發(fā)動(dòng)機(jī)一共添加約2.6 L機(jī)油，使用離心式分離器的發(fā)動(dòng)機(jī)一共添加約2.3 L機(jī)油.試驗(yàn)結(jié)果表明：離心式分離器的分離效率更高，與分析結(jié)論相吻合.

5 結(jié) 論

1）離心式分離器內(nèi)部流場(chǎng)更為平順，而迷宮式分離器的壓力損失則更小.

2）離心式分離器的出口位置可以進(jìn)一步優(yōu)化，以減小壓力損失.

3）2種分離器對(duì)于粒徑在8 μm以下的油滴顆粒分離效率均不高，其中迷宮式分離器的效率略高于離心式；對(duì)于粒徑在8 μm以上的油滴顆粒則均具有超過(guò)80%的分離效率，其中離心式分離器的分離效果明顯高于迷宮式.結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，離心式分離器的總體性能優(yōu)于迷宮式分離器.

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（編輯 武曉英）