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迷宫式油气分离器分离效率数值模拟
陶丽芳 刘荣 徐亚飞 杨文乐
（奇瑞发动机工程研究院，安徽 芜湖 241009）
摘  要：本文应用商用CFD 软件A VL-FIRE 对某三缸柴油机迷宫式油气分离器进行CFD 分析，模拟迷宫内的流速与压力分布。采用离散模型模拟油滴粒子喷射，假定油滴粒子与壁面碰撞后即被捕捉，进而得出不同直径的油滴分离效率。文中最后对比了两种方案迷宫结构的进出口压降以及油气分离效率，说明采用CFD 技术对油气分离器进行模拟，是油气分离器优化设计的一种有效方法。
关键词：迷宫；油气分离器；CFD ；油气分离效率
主要软件：A VL FIRE
1. 前言长安汽车俱乐部
对于车用发动机，活塞漏气中的油雾如果流入进气系统参与燃烧，将加剧排放[1]。而油气分离器的使用，不仅可以减轻排放，而且可以减少机油消耗，增加进气量。因此，在排放法规要求越来越严格的今天，高性能的油气分离器的开发越发重要。迷宫式油气分离器布置空间小，结构相对简单，一般集成在
发动机罩盖上，在小型紧凑的发动机上应用越来越广泛。传统的迷宫开发方法是将不同结构的迷宫样件进行油气分离试验，试验成本高，开发周期长。而应用CFD （Computational Fluid Dynamic ，即计算流体力学）仿真技术，结合商业流体软件，在计算机虚拟环境中模拟油气分离器的流动、压损与分离效率，可以更直观的对油气分离器内的气体流动进行评价，并能迅速进行方案优化。
本文介绍了一种模拟油气分离器分离效率的方法，以某款迷宫式油气分离器为例，对比了不同结构的迷宫流动、压损与分离效率的差别，并做出相应评价。
2. 计算模型
活塞漏气中包括气体和液体成份，数值计算中需要求解气相与液相的守恒方程。文中选取湍流模型来模拟油气分离器中气体的连续相流动[2]；而液体的运动则选取离散液滴模型（Discrete Droplet Model ），用拉格朗日方法计算液滴在计算流域内的轨迹与捕捉运动。由于油雾粒子占总活塞漏气量的体积分数与质量分数均较低，计算中忽略离散相对连续相的影响，即先模拟气体流动再模拟液滴轨迹[3]。
2.1连续相流动控制方程[4]
控制方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程，湍动能方程和湍动能耗散率方程。这些控制方程的通用格式为：
…
…………………………………（1-1）
式1-1中，φ为通用变量，可以代表三个速度分量u 、v 、w ，温度T ，湍动能k 或湍流耗散率ε等求解变量，Γ为广义扩散系数，S 为广义源项。
标准k ε−模型只适用于湍流充分发展的高雷诺数湍流流动，对于低雷诺数的近壁区()()()()S z z y y x x z w y v x u t +⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂Γ∂∂+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂Γ∂∂+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂Γ∂∂=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂φφφφρφρφρρφ
域，必须采用特殊的处理方式。文中采用了标准壁面函数法来求解近壁区内流动问题。
2.2 离散相运动轨迹方程
离散相颗粒运动通过积分拉格朗日坐标系下的颗粒作用力微分方程进行求解。颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下的形式（i 方向）为：
…………………………………（1-2）
右边第一项为颗粒的单位质量曳力；第二项为重力；第三项F i 为其他作用力。文中只考虑曳力与重力，忽略了其他力的影响。
………………………………………………………（1-3）
式中，u 为流体相速度，u p 为颗粒速度，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，ρpw 为颗粒密度，d p 为颗粒直径，Re 为颗粒雷诺数。
3. 模拟方法
3.1 计算流程
油气分离器计算流程[1]一般如图1所示，首先求解连续相的气体流动，将此结果基础上，引入离散相油滴粒子模型，一定质量的油滴粒子按照一定的直径分布规律以某种分布形式被喷射入油气分离器计算流域，一部分粒子随着流动惯性，直接流出油气分离器，另一部分粒子与壁面发生碰撞后产生两种运动形式，一类粒子碰壁后即在壁面上发生扩散，并慢慢在壁面上形成油膜，通过发动机回油孔流回到油底壳；另一类粒子碰壁后发生反弹并伴有动量衰减，然后再次碰壁反弹和动量衰减，直至最后在壁面扩散或者流出油气分离器。扩散粒子的总和与喷入粒子之比即为油气分离效率。为了简化计算，文中假定粒子碰壁后即扩散，没有考虑反弹。
3.2 网格模型 2418F 2e D p p D R C d ρμ=i i p )()(du F g u u F dt p p p D +−+−=ρρρ
图1 油气分离器CFD 计算流程
图2某油气分离器CAD 模型
Inlet 图3某油气分离器CFD 网格模型
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图4典型乘用车油滴粒子尺寸分布
图5迷宫内空气流速分布 总压差154Pa
图6 迷宫内空气总压分布
图2为某柴油机迷宫式油气分离器CAD 模型，该迷宫进口处设置了倾斜挡板，整个流域内设置了一块穿孔挡板与四块一般挡板。图3为该迷宫的流体网格模型，85%的网格为六面体，网格数520000。
3.3 边界条件
计算流体为不可压空气，进口为实测的活塞漏气量34.9 l/min ，出口为实测压力95765Pa 。分离前油滴总质量测量值为2g/h ，计算中考虑重力作用。油滴粒子尺寸分布由于没有实测数据，假定为典型的乘用车粒子分布规律，如图4所示。
4. 模拟结果对比与评价
油气分离器要求油气分离效率高，进出口压损小， 通过气体连续相计算，得到整体的流速、压力分布以及进出口压损。通过粒子离散相计算，得到粒子在油气分离器内的捕捉分布，并计算油气分离效率。并根据初始计算结果，对油气分离器进行优化设计。
4.1 油气分离器气体连续相结果分析
图5为油气分离器整体与切片的流速分布，图6为总压分布。在挡板的阻隔作用下，气体主要沿着壁面与挡板之间的缝隙流动，挡板之间形成了漩涡区域。压损最大区域发生在穿孔板处，其他挡板处也有一定得压损，但相对较小。进出口总压损为154Pa 。
图7
油气分离器内碰壁粒子分布
总压差167Pa
图8改进方案一总压分布 图9改进方案一碰壁油滴分布
斯巴鲁总压差236Pa
图10改进方案二总压分布
图11改进方案二碰壁粒子分布 4.2 离散相粒子轨迹计算结果
以气体流动结果为初始条件，在入口处将图4中的不同尺寸的粒子均匀喷入油气分离器计算流域内，粒子总质量35g/h ，总粒子数10000。计算步长0.01s ，计算时间10s 。1.46s 时计算收敛，此时粒子捕捉数为7500，因此对于该油气分离器，油气分离效率为75%。
图7为计算收敛后粒子在流域内的分布。进口挡板处以及穿孔板处的粒子捕捉率相对较高，大直径粒子绝大部分均在穿孔板之前被捕捉。其他挡板上以及壁面内凹弯角处也有部分7μm 以下的粒子分布。靠近出口的较大片区域粒子捕捉率较低。有优化潜力。
4.3 油气分离器方案优化
根据油气分离器计算结果，为了提高靠近出口区域的粒子捕捉率，在此处新增加一细长挡板，简称改进方案一（如图9中矩形框内所示）。图8为改进方案一的总压分布，进出口压损由原方案的154Pa 增加到167Pa ，新增挡板区域有明显压损。
图9为改进方案一内碰壁粒子分布，新增挡板处以及挡板附近壁面上均有粒子被捕捉，整体油气分离效率由原方案的75%增加到75.52%。由于原油气分离器主分离区域集中在进口挡板以及穿孔板处，在出口附近新增挡板虽增加了出口附近区域的分离效率，但所起的分离作用相对于整体来说不明显。
以改进方案一为基础，在穿孔挡板与进口挡板之间的区域再增加一普通细挡板，简称改进方案二（如图11中矩形框内所示）。改进方案二总压损增加为236Pa ，分离效率提高为80.99%，说明在分离集中区域增加挡板对提高整体分离效率作用更加显著。
5. 结语
本文应用CFD计算手段，采用离散粒子模拟油滴喷射的方法，实现了对某迷宫式油气分离器的流动、压力以及分离效率的模拟计算。由于没有考虑油滴粒子的反弹运动，计算得到的分离效率还不能与实际的油气分离效率吻合，但可以在设计阶段应用于方案优化。通过对比不同设计方案的压损与分离效率，择优选取最佳方案，同时CFD计算结果，特别是碰壁粒子的分布规律可以帮助设计人员大致评估油气分离集中区域。在此区域进行合适的方案修改，对于提高整体分离效率比在其他区域布置修改方案作用更明显。
参考文献
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[1] Kazunari Satoh, Takeshi Kawai,Manabu Ishikawa, Toshimitsu Matsuoka.Development of Method for
Predicting Efficiency of Oil Mist Separators. SAE Paper 2001-01-1234, 2000.
[2] Sydney Tekam, Marc Demoulin, Virginie Daru. Prediction of the Efficiency of an Automotive Oil Separator:
Comparison of Numerical Simulations with Experiments. 2004-01-3019, 2004.
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[3] AVL_FIRE软件帮助，FIRE_V85_Spray