結(jié)構(gòu)因素對(duì)離心通風(fēng)器性能影響的數(shù)值研究

徐讓書，邵長(zhǎng)浩，牛 玲，常柱宇，簡(jiǎn) 欣，李 駿

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng)，110136）

0 引言

離心通風(fēng)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的重要部件，其功用是回收滑油，一般回收率可達(dá)99%。離心通風(fēng)器內(nèi)部2相流動(dòng)較為復(fù)雜，滑油以油滴、油霧和油膜3種形式存在[1]。氣相繞過油滴，在其表面形成附面層，顆粒后面會(huì)產(chǎn)生尾流。且油滴與油滴之間還會(huì)發(fā)生碰撞、聚合和破碎等現(xiàn)象，因此數(shù)值模擬要作適當(dāng)簡(jiǎn)化。與其他作用力相比，作用于連續(xù)相和分散相的重力影響均可忽略[2-3]。在離心力場(chǎng)中，大尺寸顆粒運(yùn)動(dòng)受自身慣性力作用，對(duì)氣流跟隨性較差[4]。文獻(xiàn)[5]介紹了2相流中液滴碰撞，沖擊和飛濺的數(shù)值模擬方法。蔣永松等運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)高壓風(fēng)扇轉(zhuǎn)子進(jìn)行研究，,指出葉尖附面層和泄漏渦對(duì)葉輪機(jī)械的影響[6]。離心通風(fēng)器內(nèi)切向速度在徑向上呈駝峰狀分布，即切向速度隨著半徑的減小而逐漸增大，到達(dá)一定程度后又會(huì)逐漸減小。通風(fēng)器內(nèi)靠近軸心某一半徑處存在1個(gè)邊界，這個(gè)特點(diǎn)與旋風(fēng)分離器極為相似[7-8]。相關(guān)研究表明漩渦邊界有顆粒聚集的現(xiàn)象[9-10]。除了離心力和慣性分離對(duì)分離效果影響較大外，湍流彌散對(duì)提高分離效率也有重要作用，合理地提高湍流強(qiáng)度可以減少滑油消耗量[11]。分離器出口的速度分布均勻有利于上游的油氣分離[12]。Glahn[13-16]通過CFD方法預(yù)測(cè)滑油系統(tǒng)部件中的油氣2相流流動(dòng)。

離心通風(fēng)器輻板頂圓半徑的大小影響分離腔內(nèi)氣流的切向速度分布，采用偏心式通風(fēng)孔可以減小流道的流通阻力，改善下游速度場(chǎng)分布。本文以輻板頂圓半徑和通風(fēng)孔偏心距為優(yōu)化因素，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬二者對(duì)離心通風(fēng)器分離效率和通風(fēng)阻力的影響。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格

離心通風(fēng)器流道結(jié)構(gòu)如圖1所示。通風(fēng)器旋轉(zhuǎn)空心軸上的6個(gè)通風(fēng)孔和12個(gè)輻板沿周向均布，計(jì)算結(jié)構(gòu)具有良好的旋轉(zhuǎn)周期性，實(shí)際計(jì)算中取1/6圓柱區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通風(fēng)孔上、下截面均采用interface，保證整體計(jì)算域內(nèi)均為六面體網(wǎng)格。不同疏密度網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果表明，網(wǎng)格總數(shù)在約為90萬(wàn)時(shí)，具有網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。由于旋轉(zhuǎn)輻板毗鄰區(qū)、通風(fēng)孔及其上下游區(qū)域壓力和速度梯度大，所以網(wǎng)格較為密實(shí)。通風(fēng)器內(nèi)腔采用沿徑向尺寸逐漸加大的漸變網(wǎng)格，以減小總體網(wǎng)格數(shù)量。壁面作邊界層處理，保證壁面在合理范圍內(nèi)。

圖1 離心通風(fēng)器流道結(jié)構(gòu)

1.2 計(jì)算方法

采用耦合隱式求解器求解單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的3維N-S雷諾時(shí)均湍流方程。湍流模型采用雷諾應(yīng)力（RSM）模型，采用相間耦合的DPM模型對(duì)離散相進(jìn)行計(jì)算，采用隨機(jī)軌道（StochasticTracking）模型對(duì)湍流影響下離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤。采用油滴顆粒碰壁機(jī)制，用壁面液膜模型（WallFilm）模擬油滴碰壁后的運(yùn)動(dòng)形式。空間離散格式為：壓力的離散采用PRESTO!格式；動(dòng)量、湍流耗散率和雷諾應(yīng)力采用QUICK格式；算法采用壓力與速度耦合。

1.3 參數(shù)的定義

離心通風(fēng)器轉(zhuǎn)子某截面剖面如圖2所示。通風(fēng)孔偏心距e 定義為通風(fēng)孔中心線與空心旋轉(zhuǎn)軸中心線的空間距離；輻板頂圓半徑r定義為旋轉(zhuǎn)輻板頂圓跡線到空心旋轉(zhuǎn)軸中心線的空間距離。

離心通風(fēng)器內(nèi)部空氣溫度變化不大：馬赫數(shù)小于0.3；密度變化率很小，所以連續(xù)相按不可壓縮流動(dòng)處理?？諝夂突偷奈镄詤?shù)見表1。

圖2 離心通風(fēng)器轉(zhuǎn)子某截面剖面

表1 空氣和潤(rùn)滑油的物性參數(shù)

分離效率是評(píng)價(jià)通風(fēng)器油氣分離性能的重要指標(biāo)，表征通風(fēng)器從流體中捕集油滴顆粒的能力。分離器的分離效率為2相流體通過通風(fēng)器時(shí)所捕集的顆粒量占進(jìn)入通風(fēng)器的顆?？偭康陌俜?jǐn)?shù)，以η 表示。

式中：Gin為進(jìn)入通風(fēng)器的顆粒量；Gout為從通風(fēng)器排出的顆粒量；Gcatch為通風(fēng)器所捕集的顆粒量。

除油氣分離外，離心通風(fēng)器的另1個(gè)重要性能是其流動(dòng)阻力，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)腔內(nèi)壓力的關(guān)鍵因素之一。阻力過大將嚴(yán)重影響通風(fēng)能力，造成發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)腔內(nèi)壓力增高；阻力過小又會(huì)使傳動(dòng)腔內(nèi)壓力太低，造成封嚴(yán)裝置前后壓差加大，漏氣量增加。通風(fēng)阻力定義為入口總壓Pin與出口總壓Pout的差值

1.4 邊界條件

計(jì)算域進(jìn)口給定質(zhì)量流率為0.005kg/s。通風(fēng)器內(nèi)腔和空心軸腔側(cè)壁按周期性邊界條件處理。內(nèi)腔外壁面定義為固定壁面，其余壁面邊界定義為移動(dòng)壁面（movingwall），運(yùn)動(dòng)方式定義為與相鄰單元區(qū)域相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度為零，所有壁面剪切條件均為無(wú)滑移條件。壁面的DPM邊界條件采用壁面液膜（WallFilm）模型，模擬離心通風(fēng)器內(nèi)油滴顆粒與油膜的相互作用。取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力（101325Pa）為參考?jí)毫Α３隹跒閴毫Τ隹?，靜壓（表壓力）Pgout=0Pa。入口與出口的DPM邊界條件為逃逸（escape）類型。單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為22727r/min。

1.5 離散相噴射源

DPM模型顆粒軌跡追蹤的初始條件定義了顆粒類型和顆粒群進(jìn)入計(jì)算域時(shí)的初始位置、速度、尺寸、流量和溫度等。采用實(shí)心錐形噴射（solid-cone injection）模擬來(lái)自上游進(jìn)入通風(fēng)器的油滴顆粒群。噴射源的顆粒初始位置和速度的方向在一定的錐角范圍內(nèi)隨機(jī)分布，即初始顆粒流的空間位置和速度分布是隨機(jī)的。入口油滴顆粒的尺寸分布如圖3所示。油滴顆粒群尺寸采用對(duì)數(shù)Rosin-Rammler分布函數(shù)，顆粒類型為惰性剛性顆粒，應(yīng)用電子表格以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式生成顆粒包文件。

圖3 入口油滴顆粒的尺寸分布

2 結(jié)果分析

2.1 離心通風(fēng)器內(nèi)腔流體的渦結(jié)構(gòu)分析

離心通風(fēng)器內(nèi)腔中的切向速度u 是油滴顆粒離心力的提供者，對(duì)油滴的分離起主導(dǎo)作用，表征氣流承載油滴顆粒運(yùn)動(dòng)的能力和對(duì)油滴顆粒形成離心效應(yīng)的能力。u 在徑向上的變化非常顯著，但在運(yùn)動(dòng)半徑相同的圓周上切向速度數(shù)值變化很小。通風(fēng)孔中心線上u 的計(jì)算值分布如圖4所示，離心通風(fēng)器內(nèi)腔中u 在徑向上呈駝峰狀分布，即切向速度隨著半徑的增加逐漸增大，到達(dá)某半徑處后又逐漸減小。離心通風(fēng)器內(nèi)腔的流場(chǎng)存在2個(gè)區(qū)域，如圖5所示。其中圖5（a）為似剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)（強(qiáng)制渦），圖5（b）為勢(shì)流旋轉(zhuǎn)區(qū)（自由渦）。

圖4 通風(fēng)孔中心線上的切向速度u 的計(jì)算值分布

圖5 強(qiáng)制渦與自由渦

實(shí)際上，在通風(fēng)器內(nèi)氣流攜帶油滴顆粒運(yùn)動(dòng)過程中，流體具有黏性作用，與器壁之間存在摩擦力。因此，自由渦流體微團(tuán)存在一定旋轉(zhuǎn)，故外渦流區(qū)稱為準(zhǔn)自由渦區(qū)，這種旋轉(zhuǎn)對(duì)通風(fēng)器內(nèi)腔流場(chǎng)有一定影響。同樣，似剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)的運(yùn)動(dòng)也受到黏性等因素的影響，因其速度分布與強(qiáng)制渦不同，稱為準(zhǔn)強(qiáng)制渦。通風(fēng)器內(nèi)腔的組合渦如圖6中區(qū)域3所示，但是切向速度變化規(guī)律不符合組合渦的切向速度表達(dá)式（3），n值并不等于1或-1，也不符合動(dòng)量矩守恒原則。

圖6 組合渦的結(jié)構(gòu)

式中：n 和c 為與離心通風(fēng)器工況、回轉(zhuǎn)半徑大小以及所在軸向位置相關(guān)的常數(shù)。

理想情況下勢(shì)流旋轉(zhuǎn)區(qū)n=1，似固體旋轉(zhuǎn)區(qū)n=-1。

2.2 分段分離效率

離心通風(fēng)器的分段分離效率見表2、3。從表中可見，通風(fēng)器內(nèi)腔是主要的分離區(qū)域，分離效率一般為98%~99%。通風(fēng)孔與空心轉(zhuǎn)軸段的分離效率很低，其分離效率不到總分離效率的1%。在分離過程中，較小顆粒隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，一部分向下游遷移，一部分彌散于通風(fēng)器內(nèi)腔。較大顆粒受自身慣性力作用，可以脫離流線與壁面發(fā)生碰壁分離。在通風(fēng)器內(nèi)腔中，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)輻板高速旋轉(zhuǎn)，輻板頂圓半徑增加，使腔內(nèi)油氣混合氣獲得更大的切向速度。因此，油氣混合氣的離心力更大，更有利于油滴的分離。

表2 不同輻板半徑下各段分離效率計(jì)算值 %

表3 不同通風(fēng)孔偏心距下各段分離效率計(jì)算值 %

從表3中可見，通風(fēng)孔偏心設(shè)計(jì)降低了通風(fēng)孔段與空心轉(zhuǎn)軸段的分離效率。無(wú)偏心設(shè)計(jì)的2段分離效率之和為0.48%；偏心距為5mm時(shí)2段分離效率最低僅為0.06%。偏心通風(fēng)孔設(shè)計(jì)降低了分離效率，明顯降低了流通阻力。

2.3 輻板頂圓半徑的影響分析

不同輻板頂圓半徑下的切向速度u的分布如圖7所示。增大輻板頂圓半徑r 可使通風(fēng)器內(nèi)腔流體與顆粒獲得更大的切向速度，流體的離心力也隨之增大，內(nèi)腔中準(zhǔn)自由渦區(qū)域空間體積沿徑向擴(kuò)大，使油滴顆粒向壁面遷移的幾率增加，因此可提高分離效率η。

圖7 不同輻板頂圓半徑下的切向速度u 分布

不同輻板頂圓半徑下相關(guān)參數(shù)計(jì)算值見表4。從表中可見，η值在r=61mm時(shí)較r=47mm時(shí)高出0.15%，即增大輻板頂圓半徑可以提高離心通風(fēng)器的分離效率。

表4 e=7mm，不同輻板頂圓半徑下相關(guān)參數(shù)計(jì)算值

對(duì)表4的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，所得結(jié)果如圖8所示。其中Cal為計(jì)算值，Reg為回歸分析所得曲線。從圖8中可見，擬合曲線與計(jì)算值吻合較好；k 和η 均隨r 的增大而增加。說(shuō)明湍流對(duì)油氣分離過程有較大影響，因此應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)器內(nèi)腔的湍流強(qiáng)度。通風(fēng)器內(nèi)腔的湍流來(lái)源于高速旋轉(zhuǎn)的輻板對(duì)腔內(nèi)氣體的攪動(dòng)，旋轉(zhuǎn)空心軸腔中的湍流來(lái)源于從通風(fēng)孔高速流入氣流的強(qiáng)烈擾動(dòng)。改變旋轉(zhuǎn)輻板頂圓半徑會(huì)影響通風(fēng)器內(nèi)腔的湍流強(qiáng)度，但對(duì)其下游的旋轉(zhuǎn)空心軸腔內(nèi)幾乎無(wú)影響。此外，通風(fēng)阻力值隨r 的增大而增大。

圖8 不同輻板頂圓半徑r 時(shí)k 與η 計(jì)算值的回歸分析

式（4）為k 與r 的擬合函數(shù)，函數(shù)的最大誤差為14.5%；式（5）為η 與r 的擬合函數(shù)，函數(shù)的最大誤差為0.3%。式（4）、（5）中r=47~61mm。

式中：kr為不同r 情況下的湍流動(dòng)能擬合值。

式中：ηr為不同r 情況下的油氣分離效率擬合值。

2.4 通風(fēng)孔偏心距的影響分析

各種尺寸的滑油液滴顆粒隨氣流從通風(fēng)孔進(jìn)入旋轉(zhuǎn)空心軸腔內(nèi)，首先沖向旋轉(zhuǎn)軸腔中心區(qū)。旋轉(zhuǎn)空心軸的高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的切向速度使流體呈螺旋氣流向下游遷移，部分較大直徑的顆粒碰壁后黏附于壁面形成液膜；少數(shù)碰壁能量較大的顆粒發(fā)生散布或飛濺；其余主要集中在旋轉(zhuǎn)空心軸內(nèi)表面附近。較小的顆粒隨空氣運(yùn)動(dòng)彌漫于空心軸腔內(nèi)，較大顆粒與空氣的相對(duì)速度也較大，這反映在油滴顆粒雷諾數(shù)Rep分布上。不同e值時(shí)通風(fēng)阻力、湍流強(qiáng)度和分離效率的計(jì)算值見表5。從表中可見，總分離效率η 隨e 的增加而降低，但幅度不明顯。其中，η值在無(wú)偏心距結(jié)構(gòu)下要比e=9mm時(shí)多0.17個(gè)百分點(diǎn)。通風(fēng)孔的偏心設(shè)計(jì)使氣流切向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)空心軸腔內(nèi)，而不是直接沖向中心區(qū)，削弱了氣流的對(duì)心碰撞，使氣流的速度和壓力在徑向上均勻分布。這樣就減小了氣流的湍流強(qiáng)度，e=9mm相較于無(wú)偏心距時(shí)的湍動(dòng)能減小3.91 m2/s2。此外，偏心通風(fēng)孔減小了流道的通風(fēng)阻力，保證了轉(zhuǎn)動(dòng)腔內(nèi)壓力。在e=0~7mm時(shí)，通風(fēng)阻力隨e值增大逐漸減小，此后繼續(xù)增加e值，通風(fēng)阻力基本不變。

表5 r=57.5mm，不同通風(fēng)孔偏心距下相關(guān)參數(shù)計(jì)算值

對(duì)表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行2次回歸分析，所得結(jié)果如圖9所示。從圖中可見擬合曲線與計(jì)算值吻合較好，完全符合計(jì)算值的趨勢(shì)。

圖9 不同通風(fēng)孔偏心距e 時(shí)k 與η 計(jì)算值的回歸分析

式（6）為k 與e 的擬合函數(shù)，其最大誤差為1.7%；式（7）為不同e 時(shí)的 擬合函數(shù)，其最大誤差為0.2%。式（6）、（7）中，e=0~9mm。

式中：ke為不同e值情況下的湍流動(dòng)能擬合值。

式中：ηe為不同e值情況下的油氣分離效率擬合值。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用DPM模型模擬通風(fēng)器內(nèi)油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，計(jì)算得到不同結(jié)構(gòu)下離心通風(fēng)器的腔內(nèi)湍流強(qiáng)度、通風(fēng)阻力與分離效率。所得主要結(jié)論如下：

（1）離心通風(fēng)器內(nèi)腔的切向速度u 在徑向上呈駝峰分布，與旋風(fēng)分離器的很相似。

（2）分離效率受通風(fēng)器內(nèi)流體湍流影響明顯，并隨湍流強(qiáng)度增加而增大。

（3）在結(jié)構(gòu)上增大輻板頂圓半徑，可以提高分離效率，但增加了流道結(jié)構(gòu)的通風(fēng)阻力。

（4）通風(fēng)孔偏心設(shè)計(jì)可以減小通風(fēng)器的通風(fēng)阻力，并使出口的壓力和速度分布均勻，從而改善了出口流動(dòng)狀態(tài)，但是降低了分離效率。

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