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生較大變化的特點，設計一種可變通道截面的機構。當竄氣量較小時，截面積較小；竄氣量變大時，截面積增大。利用CFD仿真軟件分別對可變與不可變兩種結構的不同工況下進行計算，結果發現：截面積可變時，有效改善了竄氣量較小時分離效率小、竄氣量較大時壓力損失大的問題，能整體上改善油氣分離的壓力損失和分離效率。

關鍵詞：發動機；油氣分離器；CFD；可變截面；迷宮式

中圖分類號：TK412.4 文獻標志碼：B 文章編號：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

隨著排放法規的日益嚴格，對柴油機排氣管后處理加強之外，對于曲軸箱竄氣污染物的排放也提出了更高的要求。自國五排放標準頒布以來，對發動機PM和PN提出了嚴格的排放要求。曲軸箱作為發動機PM和PN排放的一個重要來源，減少發動機曲軸箱的排放成為達到國六標準設計的重要手段，對曲軸呼吸器系統的優化設計研究成為重要課題。

迷宮式油氣分離器結構簡單，應用廣泛，但是壓力損失和分離效率隨著竄氣量的變化會發生較大的變化[1，2]。本文設計了一種可變截面式油氣分離器，根據發動機的竄氣量大小改變進氣流通面積，在低負荷竄氣量較小時，采用小的流通面積，增加其分離效率；在發動機大負荷竄氣量較大時，采用大的流通面積，減小其竄氣壓力損失，解決發動機多工況油氣分離器的匹配問題。

1 可變截面結構設計

通過在原有的迷宮式油氣分離器的結構基礎上，分別在入口垂直進氣方向、內部通道垂直方向的避免上安裝一個由彈簧跟薄板組成的可變機構，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。

當竄氣量不同時，產生的氣體壓力不同，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。結構如圖1所示。

2 油氣分離器CFD模擬

2.1 計算分析模型

油氣分離器的CFD模擬分為兩步：（1）穩態計算：應用歐拉方法計算氣相流場獲得穩定的速度、壓力等信息；（2）瞬態計算：在穩態計算獲得氣相流場的基礎上加入液態油滴進行計算。

因為油滴的尺寸相對于整個氣相流場非常小（微米級）[3]，體積分數不足10%，認為其對氣相流場不產生作用[4]，因此計算時認為空氣是連續相，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），能夠準確的描述粒子的運動軌跡。油滴的形狀假設為規則的球形，油滴碰壁即被吸附，不產生反彈、合并、破碎及蒸發。

2.2 控制方程

CFD模擬的控制方程是對物理守恒定律的數學描述。在本次計算模型中，忽略流體與外界的能量交換，假設該過程為等溫不可壓縮過程，因此需要滿足質量守恒、動量守恒和湍流控制方程[5]。

1）質量守恒方程

3）湍流控制方程

2.3 模型離散化

分別對油氣分離器的原始結構和可變截面結構模型進行離散化，其中可變截面模型結構又分為擋板距離2mm、4mm、6mm、8mm的情況，一共五種結構作為研究對象。采用六面體網格，網格大小為2mm，并且對通道處流通面積較小的區域進行細化。如圖3所示：

2.4 邊界條件

氣體假設為不可壓縮流，環境壓力為大氣壓，根據發動機不同運轉工況得到竄氣量和竄氣溫度。

2.4.1 進出口邊界

速度進口邊界——根據竄氣量和入口截面積計算進口速度；在進氣口設置面噴射源，均勻噴射，顆粒的初始速度與該處的氣體速度相等，方向為法線方向；入口邊界設為逃逸邊界，即油滴顆粒由于回流到達這個平面時，就認為顆粒脫離，這個面而不再返回計算域。

出口設置為逃逸邊界，通過計算逃逸油滴的顆粒數與進入流場的總顆粒數就可以計算分離效率：

分離效率=（油滴顆粒總數-逃逸油滴顆粒數）/油滴顆粒總數。

2.4.2 壁面條件

壁面條件采用捕捉邊界條件，也就是說，當油滴一旦接觸到壁面后，就會被吸附在壁面上不再運動下去，油滴的軌跡就此終止。

2.4.3 油滴設置

柴油機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n=2，De=5.3；油滴密度910kg/m?。

2.4.4 計算工況

通過對一臺排氣量3L的小型柴油機的參數進行仿真試算，最大負荷下的竄氣量大約為72L/min。發動機的竄氣量與負荷呈正相關關系，隨著負荷增大而增加[8]。分別取竄氣量為24 L/min、36 L/min、48 L/min、60 L/min、72 L/min對應發動機的不同工況作為邊界條件進行研究。

3 仿真結果分析

油氣分離器的設計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分離系統的第一級分離，所以壓力損失往往是控制在1kpa以內，而且越低越好；而分離效率則越高越好。

所以仿真結果主要對壓損和分離效率進行評價。

不同竄氣量隨擋板距離不同時，其壓力損失和分離效率的變化規律如圖4所示：

通過圖4和表1數據對比，可以看出同一竄氣量時，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圖5來看，在通道口安裝彈簧擋板之后，氣流通過時，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，這種效果越明顯；在擋板后面形成漩渦區域，液滴進入漩渦區域后不易逃逸，會慢慢發生沉降，達到分離效果。同時由于安裝擋板之后，流通面積減小，壓力損失也會增大，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，但是當竄氣量較大時，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，對應的壓力損失增加也較小。

在竄氣量較小時，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；當竄氣量較大時，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，小流量時，以很小的壓力損失惡化來換取較大的分離效率優化；大流量時，以很小的分離效率惡化來換取較大的壓力損失優化。

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域，為竄氣量與截面積的匹配作為參考。

采用上述計算結果，當流量24L/min時，減少流通截面積壓力損失增加28Pa，分離效率可以提高17.3%；當流量72L/min時，增加流通面積，壓力損失減少145Pa，分離效率僅損失1%。因此在小流量時使用小截面，大流量時使用大截面，對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，結果如表2所示：

將優化后的效果表2數據與表1、圖4的數據進行比對，油氣分離器的壓力損失和分離效率與發動機不同的運行工況匹配的更加合理。

4 結論

從計算結果可以看出，當控制流通截面積的變化時：

（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

[1] 王駿.曲軸箱強制通風系統構成和發展趨勢.柴油機設計與制造， 2012，18（2）：1-8.

[2] 陸永卷.氣體機迷宮式油氣分離器數值模擬研究[D].廣西大學， 2016.

[3] Md. Shamin Akhter， Md. Nurun Nabi.Design， Construction and Performance Testing of a Cyclonic Separator to Control Particula -te Pollution from Diesel Engine Exhaust[J].SAE，2005-01-3695.

[4] D.Zhang，N.G.Deen，J.A.M.Kuipers.Numerical simulation of the dynamic flow behavior in a bubble column：A study of closure for turbulence and interface forces[J]. Chemical Engineering Science， 2006，61：7593-7608.

[5] 張也影.流體力學[M].2版.北京：高等教育出版社，1998： 128.

[6] QIAN Fuping，ZHANG Jiguang，HUANG Zhijia. Effects of the Operating Conditions and Geometry Parameter on the Filtration Performance of the Fibrous Filter [J].Chemical Engineering & Tech -nology，2009，32（5）：789–797.

[7] 周華，夏南.油氣分離器內氣液兩相流的數值模擬[J].計算力學學報，2006，23（6）：766-771.

[8] 崔凱程.復式油氣分離器優化匹配研究[D].吉林大學，2016.