基于CFD技术的迷宫式油气分离器优化设计

CFD技术 迷宫式 油气分离器 优化设计

第37卷　第3期2008年6月小型内燃机与摩托车

SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLEVol.37No.3

Jun.2008

基于CFD技术的迷宫式油气分离器优化设计

刘宇恒　郝志勇　贾维新

(浙江大学机械与能源工程学院　浙江　杭州　310027)

摘　要:应用计算流体动力学软件FLUENT对汽车发动机气门室罩内的迷宫式油气分离器进行三维两相流场和油滴颗粒分离效率的数值模拟。通过计算四种分离器结构参数(出口位置、出口直径、V型槽间距和V型槽宽度)下的分离器的分离效率和压降损失,分析了各参数对分离效率的影响,得到分离器性能的规律性结论和分离器的最佳结构参数,用于指导迷宫式油气分离器的设计。关键词:迷宫式分离器　CFD　数值计算　优化设计

中图分类号:TK402　　　文献标识码:A　　　文章编号:1671-0630(2008)03-0050-OptimizationDil

DTechnique

LiuYuheng,HaoZhiyong,JiaWeixin

DepartmentofMechanicalandEnergyEngineering,ZhejiangUniversity(Hangzhou,310027)

Abstract:TheComputationalFluidDynamicssoftwareFLUENTwasusedtosimulatethe32Dtwo2phaseflowandcalculatetheseparationefficiencyofair/oillabyrinthseparatorsinthevalvechambercoverofcarengines.Bycalculatingtheseparationefficienciesandthepressuredropofvariousseparatorswithfourdifferentstruc2turalparameters(outlet’sdiameter,outlet’sposition,spacingandwidthofV2grooveseparator),theireffectonseparationefficiencyhasbeenanalyzed,soaregularconclusionforseparatingperformanceandthebeststruc2turalparametersofseparatorhavebeenobtained,feasibletoguidethedesignofthelabyrinthseparator.Keywords:Labyrinthseparator,CFD,Numericalsimulation,Optimizationdesign

引言

当汽车发动机工作时,气缸内会有“旁通气体”(blow-bygas)经活塞环由气缸窜入曲轴箱内。这些

分离器、惯性撞击式分离器和静电分离器等

[2]

。本文

根据两相流体力学的基本理论,对某发动机气门室罩内的迷宫式油气分离器应用计算流体动力学(CFD)软件FLUENT进行分离效率的数值仿真计算。通过调节分离器的几种结构参数,分析这些参数对分离器的分离效率和压力降低损失的影响,由此得出在某一工况下的规律性特点,进而用于分离器的优化设计。这样,可以缩短研制时间,降低设计成本,提高设计质量,具有传统的实验设计方法不可比拟的优越性

[3-4]

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,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,会对排放指标产生负面影响。因此,为了满足日益严格的排放法规的要求,必须将机油从曲轴箱气体中分离出来

[1-2]

。

根据分离装置的物理性质,可将他们分为凝聚式

。

作者简介:刘宇恒(1983-),男,硕士研究生,从事内燃机噪声控制及现代设计方法的研究。

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第3期刘宇恒等:基于CFD技术的迷宫式油气分离器优化设计　　

μ18CDRep

2ρpDp24

51

1　模型的建立

1.1　分离器内的数值模型

其中,FD

为颗粒曳力系数,u为气体相速度,

本文中所研究的迷宫式分离器内的气液两相流动属于液体稀相流动,故将气相看成连续相,液体相看成分散相。

由于入口气流速度较低,故把入口气体视为不可压缩的气体来处理,并且视流动为充分发展的定常流动,综合考虑,气体连续相的控制方程采用RANS方

程,湍流模型采用标准κ-ε模型,得到下式:

p+p+p=

5x5y5z

ΓΓΓ(1)+S式(1)为方程的通用形式,其中:φ为通用变量,Г为扩散系数,S为源项,方程总结见表1,表中各变量的含义见参考文献[8]。

表1　与式(1)对应的标准κ-ε方程连续

φ

up为颗粒速度,μ为流体动力粘度,ρ流体密度,ρp为

颗粒密度,Dp为颗粒直径,Rep为颗粒雷诺数,P为其它惯性力。

1.2　分离器的几何与网格模型

采用四面体非结构化网格,为了保证流场分析的

精度与效率,本文在流场流动复杂的区域(V型槽分离片处)采用了加密网格的方法。最后得到的计算网格总数约为35万个。

2　流场的数值计算

应用计算流体动力学软件FLUENT对分离器内的两相流场进行求解,10%,(,因此利用,首先计算气体.1　计算工况

Г

在本文中,取入口处的“旁通气体”的体积流量为80L/min。在p=101.325kPa、T=353K的条件下,气

x-动量u

μeff

μμ-++eff

xyeffμ+Su

effμμ-++eff

5yyeff5μ+Sv

effμμ-+eff

5zeff5μ+Sw

eff5εGk+ρ

ε

(CG-C2ε)εpκ1εk

体密度ρ=0.96kg/m,气体的运动粘度ν=2.27×10m/s;油的密度为ρ=830kg/m。经过计算,得到

-5

2

3

3

入口处的速度V=4.319m/s,入口处的雷诺数Re=2944。

2.2　气相流场的算法设置

y-动量v

μeff

计算时采用分离式求解器(Segregatedsolver)。压力-速度耦合算法应用SIMPLE算法,考虑解的收敛,对所计算的各物理量采用欠松弛因子方法。对压力采

用标准(Standard)方法离散,对动量方程和能量方程采用二阶迎风差分格式(SecondOrderUpwind)进行离散。

2.3　边界条件

1)入口条件。速度入口条件(velocity-inlet)为u=4.319m/s,其中u在入口截面假设为均匀分布,方

z-动量w

μeff

湍动能耗散率

κε

μσεμeffσε

本文假定液滴颗粒为球体,对于给定直径的液滴,假定其在运动中保持直径不变,不考虑蒸发、摩擦、聚合、撕裂及热效应的影响

[4]

向为入口截面法线方向。

2)出口条件。压力出口条件(pressure-outlet)为

p=-1000Pa。

。一般采用颗粒轨道模型

3)壁面条件。固定壁面,速度为0,且在壁面上采

模拟颗粒的运动,已知气体连续相的流场,运用拉格朗日方法就可以得到离散相的颗粒运动轨迹。

颗粒运动方程

[5]

用无滑移条件。2.4　计算结果

如下:

(2)

气流沿入口法线方向以均匀速度进入分离器,在通过V型槽分离片时,由于受到V型壁面阻碍速度迅速降低,形成颗粒分离区;部分气流沿着分离片之间的

du=FD(u-up)+Pdt

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52　　

间隙离开分离片,朝出口方向运动。

小　型　内　燃　机　与　摩　托　车第37卷

间隙的气流速度随之加大,颗粒带出量增加,导致分离效率下降。对应着管径的减小,压降损失△P大幅上升,分别为-95.5Pa、-127.5Pa和-175.6Pa。相比较而言,当出口直径d=12mm时,在全油滴直径范围内,分离效率最好。

在出口处,气流速度开始急剧上升,达到最大值为15.48m/s。

3　分离器的优化设计

3.1　离散相模型的建立

在得到气体连续相的流场后,运用拉格朗日方法就可以得到离散相的颗粒运动轨迹和分离器的分离效率。

边界条件为:在壁面上采用捕捉(trap)条件,即颗粒碰撞到壁面后,颗粒被吸附到壁面上,颗粒轨道终

止;在入口和出口处采用逃逸(escape)条件。假定被连续相携带的离散相不存在惯性滞后,所以颗粒入口速度与气流入口速度相等随机轨道模型。

在本文的分离效率的计算中,进入分离器的颗粒具有相同的直径。入口截面上均匀分布着608点源,每个点源产生15个颗粒,9120个。对9120[5]

。颗粒的湍流扩散采用

图1　3.dL、L2=7mm,出口与入L=20mm、L=26mm和L=46mm情况下分离效率与液滴颗粒直径之间的关系曲

率的统计值间

[1]

[6]

线。对应的压降损失△P分别为-128Pa、-127.5Pa和-124Pa,压力损失变化不大。

μm之0～10,所以,本文共研究了20种液滴直径的情况,分别

μm、μm、μm、μm、μm、μm、为0.40.81.01.21.62.0

μm、μm、μm、μm、μm、μm、2.53.03.54.04.55.05.μm、μm、μm、μm、μm、μm、μm、56.06.57.07.58.08.5μm。9.0

根据分离器的结构特点,本文对分离器进行以下结构改进:

1)出口直径d的结构优化;

2)出口中心与入口中心在Z轴方向上的距离L

　图2　不同出口位置下的分离效率

的结构优化;

3)分离片中的相邻V型槽间距L1和V型槽宽度

L2的结构优化。

如图2所示,分离效率随着出口与入口在Z轴方向上的距离L值的减小而增加。从图3的入口切面处的速度分布图中可以看出,在入口与出口之间,气流沿

着分离片的间隙顺向通过分离片,朝出口流动。而出口位置之后的气流,在通过分离片间隙后,需要改变气流方向,从出口处流出。由于气流改变方向,液滴颗粒受到惯性作用,仍沿原方向运动,与气流分离,撞向壁面。所以,出口与入口距离越近,分离效率越高。但受到分离器结构的限制,L=20mm为出入口距离的最小值。所以,L=20mm为出入口距离的最佳值。3.4　分离片结构参数对分离效率的影响

由于气门室罩和曲轴箱内还需要部分真空度,要求进出口压降应尽量小

[2]

,因此,除分离效率外,压降

损失也是衡量分离器好坏的一个重要指标。3.2　出口直径对分离效率的影响

图1为L=26mm、L1=2mm、L2=7mm,出口管径d=11mm、d=12mm和d=13mm时,算出的分离效率与

液滴颗粒直径之间的关系曲线。从图中可以看出,这三种方案的分离效果变化不明显。随着出口直径的减小,分离效率并没有单调地增加,这是因为随着出口直径的减小,出口速度显著上升,d=11mm时的出口速度达到22.11m/s。出口速度的增大,使得通过分离片

图3为V型槽分离片的结构示意图。分离器内有两片V型槽分离片,交叉重叠放置,对液滴颗粒起到阻碍、吸附的作用。

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第3期刘宇恒等:基于CFD技术的迷宫式油气分离器优化设计　　53

4　结论

应用计算流体力学软件FLUENT对一迷宫式油气分离器内的两相流场及颗粒的分离效率进行了数值模拟,在不考虑蒸发、摩擦、聚合、撕裂及热效应等因素的

　图3　V型槽分离片的结构示意图

影响下,获得以下结论。

1)迷宫式油气分离器的最佳结构尺寸为:出口直径d=12mm;出口与入口在Z轴方向上的距离L=20mm;分离片中的相邻V型槽间距L1=1mm和V型

图4为V型槽间距L1=2mm,V型槽宽度L2分别为6mm、7mm、8mm时,算出的分离效率与液滴颗粒直径之间的关系曲线。由图中所示曲线可以看出,随着宽度的增加,3条曲线叠在一起,分离效率变化不大。此时,相对应的压降损失△P分别为-122Pa、-127.5Pa和-130Pa,变化也不明显。最佳V型槽宽

槽宽度L2=7mm。

2)V型槽间距和出口位置的变化对分离器分离效率的影响很大,是提高分离效率的重要措施。

3)分离效率随着油滴颗粒直径的增加而迅速增加,这也符合颗粒尺度越小,,。

。,。

参考文献

　1　FranzK,FrankGH,KoljaO.Lubricationandventilation

systemofmodernengines-measurements,calculationsandanalysis[C]//SAE2002-01-1315

度值为7mm。

　图4　不同V型槽宽度下的分离效率

　2　ZinkA,TrautmannP,DurstM,etal.Numericalandexper2

imentalinvestigationsofadiscstackcentrifugeusedasanoilmistseparatorforautomotiveapplications[C]//SAE2004-01-0638

图5为V型槽宽度L2=7mm,相邻V型槽间距L1

分别为1mm、2mm、3mm时,算出的分离效率与液滴颗粒直径之间的关系曲线。相对应地,进出口的压降损失△P分别为-142Pa、-127.5Pa和-121Pa。由图中所示曲线可知,V型槽间距对分离器分离效率的影响很大。分离效率随着间距的减小而加大,这可以理解为随着间距的减小,气体的流通通道减小,相应地,气流携带的液滴颗粒也减少,所以减小间距能大幅度提高分离效率。但是,在分离效率提高的同时,压降损失也随之加大。综合考虑,选取L1=1mm为V型槽间距的最佳值。

　3　周帼彦,凌祥,涂善东.螺旋片导流式分离器分离性能的

数值模拟与试验研究[J].化工学报,2004,55(11):1821～1826

　4　赵毅,华伟,王亚君,等.湿式烟气脱硫塔中折线型挡板除

雾器分离效率的数值模拟[J].中国动力工程学报,2005,

25(2):293～297

　5　SydneyT,MarcD,VirginieD.Predictionoftheefficiency

ofanautomotiveoilseparator:comparisonofnumericalsimu2lationswithexperiments[C]//SAE2004-01-3019

　6　黄兴华,王道连,王如竹,等.旋风分离器中气相流动特性

及颗粒分离效率的数值研究[J].动力工程,2004,24(3):

437～441

　7　KazunariS,TakeshiK,ToshimitsuM,etal.Development

ofmethodforpredictingefficiencyofoilmistseparators[C]//SAE2000-1-1234

　8　王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用

[M].北京:清华大学出版社,2004

(收稿日期:2007-04-03)

　图5　不同V型槽间距下的分离效率

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ps6j.html