柴油機迷宮式油氣分離器分離效率數(shù)值模擬

結構原理

頁面更新時間：2016-02-28 09:01

1.系統(tǒng)介紹

　　在排放法規(guī)要求越來越嚴格的今天，高性能的油氣分離器對降低排放、減少機油消耗至關重要。迷宮式油氣分離器因其布置空間小，結構簡單，在小型緊湊的發(fā)動機上應用日益廣泛。傳統(tǒng)的迷宮式油氣分離器開發(fā)方法是將不同結構的迷宮樣件進行油氣分離試驗，試驗成本高，開發(fā)周期長。而應用CFD(ComputationalFluidDynamic)而己仿真技術，結合商業(yè)流體軟件，在計算機虛擬環(huán)境中模擬油氣分離器的流動、壓損與分離效率，可以更直觀地對油氣分離器內的氣體流動進行評價，并能快速進行方案優(yōu)化。
　　
　　國外從2000年左右開始對汽車油氣分離器分離效率數(shù)值模擬方法進行探索和研究，計算方法主要為在空氣連續(xù)流動結果基礎上進行離散油滴粒子軌跡捕捉，日本nissan汽車公司針對油滴粒子反彈規(guī)律也做過專門研究四"閉。國內目前在車用油氣分離器的數(shù)值模擬計算方法與應用方面都鮮有報
　　
　　本文介紹了一種模擬油氣分離器分離效率的方法，以某柴油機迷宮式油氣分離器為例，對比了不同結構的迷宮流動、壓損與分離效率的差別，并形象、直觀地顯示了不同直徑油滴在迷宮內的分布情況，能快速有效地進行方案評價與結構優(yōu)化。
　　
　　2.計算模型
　　
　　活塞漏氣中包括氣體和液體成分，數(shù)值計算中需要求解氣相與液相的守恒方程。文中選取湍流模型來模擬油氣分離器中氣體的連續(xù)相流動引;而液體的運動則選取離散液滴模型(DiscreteDropletModel)，用拉格朗日方法計算液滴在計算流域內的軌跡與捕捉運動。由于油霧粒子占總活塞漏氣量的體積分數(shù)與質量分數(shù)均較低，計算中忽略離散相對連續(xù)相的影響，即，先模擬氣體流動再模擬液滴軌跡1。本次模擬計算需要求解連續(xù)相流動控制方程與離散相運動軌跡方程。
　　
　　連續(xù)相控制方程的通用格式如式(1)所示:

　　式中，◎為通用變量，可以代表三個速度分量u、u、ω、溫度乙湍動能k或湍流耗散率ε等求解變量;Γ為廣義擴散系數(shù);S為廣義源項。
　　
　　離散相運動軌跡方程如式(2)所示:

　　
　　右邊第一項為顆粒的單位質量曳力;第二項為重力;第三項Fi為其他作用力。文中只考慮曳力與重力，忽略了其他力的影響。
　　
　　3.模擬方法
　　
　　3.1計算流程
　　
　　油氣分離器計算流程川一般如圖1所示。首先求解連續(xù)相的氣體流動，在此結果基礎上，引人離散相油滴粒子模型，一定質量的油滴粒子按照一定的直徑分布規(guī)律，以某種分布形式被噴射大油氣分離器計算流域，一部分粒子隨著流動慣性，直接流出油氣分離器;另一部分粒子與壁面發(fā)生碰撞后產生兩種運動形式。一類粒子碰壁后即在壁面上發(fā)生擴散，并慢慢在壁面上形成油膜，通過發(fā)動機回油孔流回到油底殼;另一類粒子碰壁后發(fā)生反彈并伴有動量衰減，然后再次碰壁反彈和動量衰減，直至最后在壁面擴散或者流出油氣分離器。擴散粒子的總和與噴入粒子之比即為油氣分離效率。為了簡化計算，文中假定粒子碰壁后即擴散，沒有考慮反彈。

　　
　　3.2網(wǎng)格模型
　　
　　圖2為某柴油機迷宮式油氣分離器CAD模型，該迷宮進口處設置了傾斜擋板，整個流域內設置了一塊穿孔擋板與四塊一般擋板。圖3為該迷宮的流體網(wǎng)格模型，85%的網(wǎng)格為六面體，網(wǎng)格數(shù)520000。

　　
　　3.3邊界條件
　　
　　計算流體為不可壓空氣，進口為實測的活塞漏氣量:34.9L/min，出口為實測壓力:95765Pa。分離前油滴總質量測量值為2g/h，計算中考慮重力作用。油滴粒子尺寸分布由于沒有實測數(shù)據(jù)，假定為典型的乘用車粒子分布規(guī)律，如圖4所示。

　　
　　4.模擬結果對比與評價
　　
　　油氣分離器要求油氣分離效率高，進出口壓損小。通過氣體連續(xù)相計算，得到整體的流速、壓力分布以及進出口壓損;通過粒子離散相計算，得到粒子在油氣分離器內的捕捉分布，并計算油氣分離效率。根據(jù)初始計算結果，對油氣分離器進行優(yōu)化設計。
　　
　　4.1油氣分離器氣體連續(xù)相結果分析
　　
　　圖5為油氣分離器整體與切片的流速分布，圖6為總壓分布。在擋板的阻隔作用下，氣體主要沿著壁面與擋板之間的縫隙流動，擋板之間形成了游渦區(qū)域。壓損最大區(qū)域發(fā)生在穿孔板處，其他擋板處也有一定的壓損，但相對較小。進出口總壓損為154Pa。