可變截面式油氣分離器的仿真研究

張亞魯 胡玉平 秦順順

摘 要：針對(duì)迷宮式油氣分離器的分離效率和壓力損失隨著竄氣量變化而發(fā)生較大變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可變通道截面的機(jī)構(gòu)。當(dāng)竄氣量較小時(shí)，截面積較小；竄氣量變大時(shí)，截面積增大。利用CFD仿真軟件分別對(duì)可變與不可變兩種結(jié)構(gòu)的不同工況下進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：截面積可變時(shí)，有效改善了竄氣量較小時(shí)分離效率小、竄氣量較大時(shí)壓力損失大的問題，能整體上改善油氣分離的壓力損失和分離效率。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；油氣分離器；CFD；可變截面；迷宮式

中圖分類號(hào)：TK412.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1671-7988（2018）12-09-04

Abstract： The separation efficiency and pressure loss of the labyrinthine oil-gas separator change greatly with the variation of the blow-by gas， so we design a mechanism with variable cross-section to solve it. When the amount of blow-by gas is small， we decrease the area of the cross-section； when the amount of blow-by gas increases， the cross-sectional area increases too. CFD simulation software was used to calculate the different conditions of variable and non-variable structures respectively. The results show that when the cross-sectional area is variable， the separation efficiency is effectively improved when the blow-by gas is small， and the pressure loss increases when the blow-by gas increases.The problem of pressure-loss and separation efficiency can be improved as a whole.

Keywords： Engine； Oil and gas separator； CFD； Variable section； Labyrint

CLC NO.： TK412.4 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-09-04

前言

隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對(duì)柴油機(jī)排氣管后處理加強(qiáng)之外，對(duì)于曲軸箱竄氣污染物的排放也提出了更高的要求。自國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)頒布以來(lái)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)PM和PN提出了嚴(yán)格的排放要求。曲軸箱作為發(fā)動(dòng)機(jī)PM和PN排放的一個(gè)重要來(lái)源，減少發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的排放成為達(dá)到國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的重要手段，對(duì)曲軸呼吸器系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究成為重要課題。

迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，但是壓力損失和分離效率隨著竄氣量的變化會(huì)發(fā)生較大的變化[1，2]。本文設(shè)計(jì)了一種可變截面式油氣分離器，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的竄氣量大小改變進(jìn)氣流通面積，在低負(fù)荷竄氣量較小時(shí)，采用小的流通面積，增加其分離效率；在發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷竄氣量較大時(shí)，采用大的流通面積，減小其竄氣壓力損失，解決發(fā)動(dòng)機(jī)多工況油氣分離器的匹配問題。

1 可變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過在原有的迷宮式油氣分離器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分別在入口垂直進(jìn)氣方向、內(nèi)部通道垂直方向的避免上安裝一個(gè)由彈簧跟薄板組成的可變機(jī)構(gòu)，彈簧跟薄板通過焊接或膠接連接在一起，彈簧另一端通過同樣的方式固定在壁面上。

當(dāng)竄氣量不同時(shí)，產(chǎn)生的氣體壓力不同，可以克服不同的彈簧阻力，改變擋板距離通道口的距離，從而改變截面積。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 油氣分離器CFD模擬

2.1 計(jì)算分析模型

油氣分離器的CFD模擬分為兩步：（1）穩(wěn)態(tài)計(jì)算：應(yīng)用歐拉方法計(jì)算氣相流場(chǎng)獲得穩(wěn)定的速度、壓力等信息；（2）瞬態(tài)計(jì)算：在穩(wěn)態(tài)計(jì)算獲得氣相流場(chǎng)的基礎(chǔ)上加入液態(tài)油滴進(jìn)行計(jì)算。

因?yàn)橛偷蔚某叽缦鄬?duì)于整個(gè)氣相流場(chǎng)非常小（微米級(jí)）[3]，體積分?jǐn)?shù)不足10%，認(rèn)為其對(duì)氣相流場(chǎng)不產(chǎn)生作用[4]，因此計(jì)算時(shí)認(rèn)為空氣是連續(xù)相，油滴是分布于空氣中的離散相。采用歐拉-拉格朗日算法（DPM模型），能夠準(zhǔn)確的描述粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。油滴的形狀假設(shè)為規(guī)則的球形，油滴碰壁即被吸附，不產(chǎn)生反彈、合并、破碎及蒸發(fā)。

2.2 控制方程

CFD模擬的控制方程是對(duì)物理守恒定律的數(shù)學(xué)描述。在本次計(jì)算模型中，忽略流體與外界的能量交換，假設(shè)該過程為等溫不可壓縮過程，因此需要滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和湍流控制方程[5]。

1）質(zhì)量守恒方程

3）湍流控制方程

2.3 模型離散化

分別對(duì)油氣分離器的原始結(jié)構(gòu)和可變截面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行離散化，其中可變截面模型結(jié)構(gòu)又分為擋板距離2mm、4mm、6mm、8mm的情況，一共五種結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象。采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為2mm，并且對(duì)通道處流通面積較小的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化。如圖3所示：

2.4 邊界條件

氣體假設(shè)為不可壓縮流，環(huán)境壓力為大氣壓，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)轉(zhuǎn)工況得到竄氣量和竄氣溫度。

2.4.1 進(jìn)出口邊界

速度進(jìn)口邊界——根據(jù)竄氣量和入口截面積計(jì)算進(jìn)口速度；在進(jìn)氣口設(shè)置面噴射源，均勻噴射，顆粒的初始速度與該處的氣體速度相等，方向?yàn)榉ň€方向；入口邊界設(shè)為逃逸邊界，即油滴顆粒由于回流到達(dá)這個(gè)平面時(shí)，就認(rèn)為顆粒脫離，這個(gè)面而不再返回計(jì)算域。

出口設(shè)置為逃逸邊界，通過計(jì)算逃逸油滴的顆粒數(shù)與進(jìn)入流場(chǎng)的總顆粒數(shù)就可以計(jì)算分離效率：

分離效率=（油滴顆?？倲?shù)-逃逸油滴顆粒數(shù)）/油滴顆?？倲?shù)。

2.4.2 壁面條件

壁面條件采用捕捉邊界條件，也就是說(shuō)，當(dāng)油滴一旦接觸到壁面后，就會(huì)被吸附在壁面上不再運(yùn)動(dòng)下去，油滴的軌跡就此終止。

2.4.3 油滴設(shè)置

柴油機(jī)曲軸箱竄氣中的油滴直徑主要分布在0.1—10μm之間[6]，服從Rosin-Rammler分布[7]。通過各種直徑的油滴所占比例確定Rosin-Rammler公式的參數(shù)n=2，De=5.3；油滴密度910kg/m?。

2.4.4 計(jì)算工況

通過對(duì)一臺(tái)排氣量3L的小型柴油機(jī)的參數(shù)進(jìn)行仿真試算，最大負(fù)荷下的竄氣量大約為72L/min。發(fā)動(dòng)機(jī)的竄氣量與負(fù)荷呈正相關(guān)關(guān)系，隨著負(fù)荷增大而增加[8]。分別取竄氣量為24 L/min、36 L/min、48 L/min、60 L/min、72 L/min對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況作為邊界條件進(jìn)行研究。

3 仿真結(jié)果分析

油氣分離器的設(shè)計(jì)效果主要是壓力損失和分離效率，而二者之間往往是矛盾的，一般壓力損失越大，分倆效率越高；壓力損失越小，分離效率越低。由于迷宮式油氣分離器往往作為整個(gè)分離系統(tǒng)的第一級(jí)分離，所以壓力損失往往是控制在1kpa以內(nèi)，而且越低越好；而分離效率則越高越好。

所以仿真結(jié)果主要對(duì)壓損和分離效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

不同竄氣量隨擋板距離不同時(shí)，其壓力損失和分離效率的變化規(guī)律如圖4所示：

通過圖4和表1數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出同一竄氣量時(shí)，安裝彈簧后的分離效率增大，壓力損失也有所增加；隨著擋板距離的減小，流通截面積減小，不同流量下的壓力損失和分離效率均有所增加。

從安裝彈簧前后的氣相流場(chǎng)圖5來(lái)看，在通道口安裝彈簧擋板之后，氣流通過時(shí)，由于油滴的慣性作用比較大，在距離更短的情況下更容易碰撞到擋板上，擋板距離越小時(shí)，這種效果越明顯；在擋板后面形成漩渦區(qū)域，液滴進(jìn)入漩渦區(qū)域后不易逃逸，會(huì)慢慢發(fā)生沉降，達(dá)到分離效果。同時(shí)由于安裝擋板之后，流通面積減小，壓力損失也會(huì)增大，擋板距離越小，局部壓損越大，整體壓損越大。

從圖4可以看出，如果采用較小的流通截面積，雖然分離效率較高，但是當(dāng)竄氣量較大時(shí)，其壓力損失大大增加；采用較大流通面積，則分離效率增加幅度較小，對(duì)應(yīng)的壓力損失增加也較小。

在竄氣量較小時(shí)，擋板距離減小，即截面積減小，其壓力損失增加不大，但是分離效率增加幅度較大；當(dāng)竄氣量較大時(shí)，擋板距離增大，即截面積增大，其分離效率減小很少，但是壓力損失可以大大減小。也就是說(shuō)，小流量時(shí)，以很小的壓力損失惡化來(lái)?yè)Q取較大的分離效率優(yōu)化；大流量時(shí)，以很小的分離效率惡化來(lái)?yè)Q取較大的壓力損失優(yōu)化。

從圖4還可以找出一定竄氣量下，分離效率和壓力損失隨擋板距離變化較大的區(qū)域，為竄氣量與截面積的匹配作為參考。

采用上述計(jì)算結(jié)果，當(dāng)流量24L/min時(shí)，減少流通截面積壓力損失增加28Pa，分離效率可以提高17.3%；當(dāng)流量72L/min時(shí)，增加流通面積，壓力損失減少145Pa，分離效率僅損失1%。因此在小流量時(shí)使用小截面，大流量時(shí)使用大截面，對(duì)于油氣分離器的壓力損失和分離效率性能改善效果顯著。

為不同的竄氣量匹配不同的截面積，結(jié)果如表2所示：

將優(yōu)化后的效果表2數(shù)據(jù)與表1、圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，油氣分離器的壓力損失和分離效率與發(fā)動(dòng)機(jī)不同的運(yùn)行工況匹配的更加合理。

4 結(jié)論

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)控制流通截面積的變化時(shí)：

（1）在小流量下采用小流通面積，增加較小的壓力損失后，分離效率能有效提高。

（2）大流量下采用大流通面積，分離效率降低很小，壓力損失大大降低。

（3）采用可變截面的油氣分離器能使壓損、分離效率與不同工況得到很好的匹配。

參考文獻(xiàn)

[1] 王駿.曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成和發(fā)展趨勢(shì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造， 2012，18（2）：1-8.

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