基于CFD-DPM方法的油霧探測器測量室改型設計

張富毅,顧辰辰,2,曹競飛,2,奚競杰,王衡,馬寧,2,劉陳

(1.上海船用柴油機研究所,上海 200090;2.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實驗室,上海 200090;3.迪諾拉電極(蘇州)有限公司,江蘇 蘇州 215000)

圖1 油霧探測器測量室

在實際應用后發(fā)現(xiàn),油霧進入測量室后,具有一定數(shù)量的油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源的壁面上,影響光信號向電信號轉換的準確度,降低油霧濃度的測量精度,最終可能導致油霧探測器預警作用失效。為此,采用CFD-DPM方法對測量室結構進行改型設計,通過改變油霧顆粒運動軌跡來減少附著在發(fā)生源和接收源壁面上的油霧顆粒數(shù)量,提高油霧探測器測量精度,采用試驗方法驗證改型設計方案的有效性。

1 數(shù)值計算模型

油霧探測器測量室流動包括連續(xù)空氣和離散油霧顆粒,是一種典型的2相流問題,本文采用歐拉-拉格朗日框架下的CFD-DPM方法求解計算。

1.1 計算模型

原型測量室和兩種改進型測量室的計算模型見圖2,除測量室外,考慮到計算的收斂性,還包括進口管路和出口管路。方案一是在原型基礎上切除了發(fā)生源和接收源下方的區(qū)域,方案二是在方案一的基礎上在發(fā)生源和接收源兩側布置了兩塊隔板,并切除了兩塊隔板之間、發(fā)生源和接收源上方區(qū)域。

圖2 計算模型

采用多面體網格劃分計算域網格,最小網格尺寸為0.02 mm,最大網格尺寸為0.1 mm,3種計算模型的網格數(shù)均保持在約100萬,網格質量均在0.4以上。方案二計算域網格,見圖3。

圖3 方案二測量室網格

1.2 求解設置

如圖2a)所示,進口相對總壓為10 Pa,出口相對靜壓分別為0、-300、-600、-900和-1 200 Pa,其余為無滑移壁面,參考壓力為101 325 Pa。油霧顆粒以0.4 m/s的速度在彎管入口釋放,假設顆粒為球形,并且不考慮油霧顆粒破碎現(xiàn)象,粒徑分布符合Rosin-Rammler規(guī)律[8-9],分布函數(shù)為

(9)

采用穩(wěn)態(tài)雙向耦合計算,同時考慮連續(xù)相對離散相以及離散相對連續(xù)相的影響,壓力-速度耦合采用Coupled算法,離散格式采用二階迎風格式,收斂精度為10-5。

2 數(shù)值結果分析

進氣口空氣質量流量隨出口相對壓力的變化規(guī)律見圖4。

對兩組患者在臨床治療過程中的血糖情況進行檢測和比較，同時對患者的神經疼痛度通過VAS評分[5]進行評價，最高為10級，等級越高表示疼痛度越高[6]。同時對患者的血糖指標情況進行對比，從護理前后的餐后2小時進行比較。對患者的用藥依從性進行對比，其中用藥依從性采用本院自制依從性評定量表進行評定，總分100分，依從性等級分為3級，分為完全依從（70～100分）、部分依從（40～70）和不依從（0～40分）三個等級，分數(shù)越高表示患者的依從性越高，在臨床上能夠更好的按照醫(yī)生的要求來進行相關的活動。

圖4 進氣口流量隨出口壓力變化趨勢

由圖4可知,進氣口的質量流量隨著壓力的增大逐漸減小,并且各工況下,3種測量室進氣口質量流量基本一致。

兩個吹氣口空氣質量流量的平均值隨出口相對壓力的變化規(guī)律見圖5。

圖5 吹氣口平均流量隨出口壓力變化趨勢

由圖5可知,吹氣口的質量流量隨著壓力的增大而減小;對比3種測量室可以發(fā)現(xiàn),各工況下,原型測量室吹氣口質量流量均高于兩種改進型測量室,而方案一和方案二測量室吹氣口質量流量基本一致,說明吹起口質量流量主要受發(fā)生源和接收源下方區(qū)域的影響。

3種測量室在出口相對壓力為0、-600和-1 200 Pa工況下軸面速度分布見圖6。

圖6 軸面速度分布

由圖6可知,3種測量室在各工況下的速度分布基本一致,由于出口的負壓作用和吹氣口的吹掃作用,測量室中間位置及吹氣口上方區(qū)域速度較高,其余位置速度較低,隨著出口壓力下降,速度場均增大。

3種測量室在出口相對壓力為0、-600和-1 200 Pa工況下軸面油霧顆粒分布見圖7。

圖7 軸面油霧顆粒分布

由圖7可知,各工況下,原型測量室和方案一測量室的發(fā)生源和接收源附近均有油霧顆粒聚集,而方案二測量室的油霧顆粒主要集中在中間位置,發(fā)生源和接收源附近基本無油霧顆粒存在;此外,吹氣口可以防止油霧顆粒在發(fā)生源和接收源附近聚集,一定程度上降低了油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面的可能性。

表1～3為不同運動狀態(tài)的油霧顆粒數(shù)量分布情況,“逃逸”表示油霧顆粒通過出口離開計算域,“捕捉”表示油霧顆粒被發(fā)生源或接收源壁面捕獲并附著在上面,游離表示油霧顆粒彌散在計算域內部。由表1～3可知,進入計算域的油霧顆粒共計7 530個(由進口網格數(shù)量決定),隨著出口壓力降低,逃逸的顆粒數(shù)量逐漸增多,捕捉和游離的顆粒數(shù)量逐漸減少。這是因為出口壓力越低,出口空氣的質量流量越大,測量室內部速度場越大,導致更多的油霧顆?？梢愿S空氣流出計算域。由此可知,出口壓力越低,測量室的性能越好。

表1 原型測量室不同運動狀態(tài)油霧顆粒數(shù)量

表2 方案一測量室不同運動狀態(tài)油霧顆粒數(shù)量

表3 方案二測量室不同運動狀態(tài)油霧顆粒數(shù)量

對比各工況下3種測量室不同運動狀態(tài)的油霧顆粒數(shù)量,發(fā)現(xiàn)原型測量室均存在較多數(shù)量的油霧顆粒被捕捉,各工況下被捕捉的數(shù)量均大于15;方案一測量室被捕捉的油霧顆粒數(shù)量大幅下降,各工況下被捕捉的數(shù)量均小于5,測量室性能得到一定程度的提升;方案二測量室被捕捉的油霧顆粒數(shù)量進一步減少,僅在出口相對壓力為0時被捕捉1個顆粒,其余工況均無油霧顆粒被捕捉,說明測量室具有良好的性能,無油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面上。

結合圖6、7進一步分析可知,原型測量室的發(fā)生源和接收源附近為空曠的區(qū)域,油霧顆粒進入測量室后可通過四周方向向發(fā)生源和接收源上附著;方案一測量室阻斷了油霧顆粒從下方向向發(fā)生源和接收源附著,但是上方和前后方并未阻斷,因此具有一定的效果;方案二測量室則在發(fā)生源和接收源四周均阻斷,有良好的效果。

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

分析數(shù)值結果可知,方案二測量室在各工況下均可有效防止油霧顆粒的附著,為此,展開油霧探測器測量室防污試驗,驗證方案二測量室的性能,并與原型測量室進行對比。原型測量室的外輪廓不改變,使用3D打印技術得到方案二測量室的內部結構,見圖8。

圖8 方案二測量室內部結構

試驗在上海船用柴油機研究所油霧探測器試驗臺進行,試驗臺見圖9,包括油霧發(fā)生裝置[7]、風機、風扇、油霧保持容器、油霧探測器、控制面板等。

圖9 油霧探測器試驗臺

試驗主要過程如下:將油霧發(fā)生裝置升溫至500～600 ℃,注入10～20 mL柴油,產生粒徑小于0.005 mm的油霧顆粒,通過風機進入油霧保持容器,開啟風扇使油霧均勻分布;待油霧通入完畢后,關閉風機,在玻璃箱右側壁面上安裝6個油霧探測器(原型測量室和方案二測量室各3個),在控制面板上讀取此時的油霧濃度;容器內的油霧通過測量室持續(xù)向外界排放,待容器內油霧抽光所有油霧(約3 h),讀取此時的油霧濃度。重復5次試驗,每次試驗前對控制面板的讀數(shù)進行校零。分析數(shù)值結果可知,出口相對壓力為0時,測量室性能最差,因此試驗只針對該工況展開分析。

3.2 試驗結果

試驗結果見表4。

表4 油霧濃度試驗結果 mg/L

由表4可知,每次通入油霧之后,兩種類型測量室均具有一定數(shù)量的油霧質量濃度,此時測量室存在油霧顆粒時間較短,發(fā)生源和接收源壁面尚未有油霧顆粒附著,讀數(shù)為測量室內真實的油霧質量濃度,由于6個油霧探測器安放位置及每次通入柴油體積的不同,導致油霧質量濃度存在差異。經3 h左右的抽氣后,油霧保持容器及測量室內部已基本無油霧殘留,為確保測量室內部油霧完全抽光,讀數(shù)前使用吹氣裝置對測量室進行吹掃;每次抽光之后,原型測量室依然具有一定的油霧質量濃度,而此時測量室內部無油霧顆粒,說明發(fā)生源或接收源壁面附著一定數(shù)量的油霧顆粒,導致讀數(shù)無法回零;而方案二測量室此時的讀數(shù)均回零,表明發(fā)生源或接收源壁面無油霧顆粒附著,達到了測量室改型設計的目的。

4 結論

原型測量室有較多油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面,方案一測量室附著的油霧顆粒大幅減小但依然存在,方案二測量室基本無油霧顆粒附著在發(fā)生源或接收源壁面;對原型和方案二測量室進行試驗測試,當抽光油霧時,原型測量室油霧質量濃度讀數(shù)無法回零,而方案二測量室的油霧質量濃度讀數(shù)均回零,證明原型測量室的發(fā)生源或接收源壁面有油霧顆粒附著,而方案二測量室的發(fā)生源和接收源壁面無油霧顆粒附著。方案二測量室可有效避免油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面上,有利于提高油霧探測器的測量精度,達到改型設計的目的。