發動機進氣系統水分離計算研究

王珺 袁建軍 劉一杰

摘? 要：自然降雨的雨滴粒徑分布可通過Rosin-Rammler方程進行簡化，由此可計算不同工況下發動機進氣口的雨滴粒徑范圍。利用DPM-EWF耦合模型，可以較好的模擬進氣道內的水滴顆粒軌跡和液膜分布，并由此提出提高進氣道水分離效率的思路。

關鍵詞：進氣系統；水分離；液膜分布

中圖分類號：U464? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2023）02-0060-04

Study and Calculation of Water Separation in Engine Intake System

WANG Jun， YUAN Jian-jun， LIU Yi-jie

（ Shanghai Fleetguard Filter Co.，LTD， Shanghai 201208， China）

Abstract： The raindrop size distribution of natural rainfall can be simplified by the rosin Rammler equation， so the raindrop size range of engine intake sysytem under different working conditions can be calculated. Using DPM-EWF coupling model， the trajectory of water droplets and the distribution of liquid film in the intake system can be well simulated， and the idea of improving the efficiency of water separation in the intake system can put forward.

Key? Words： Intake System; Water Separate; Liquid Film Distribution

王? ?珺

畢業于華中科技大學，動力機械工程專業，碩士學歷。現就職于上海弗列加濾清器有限公司，任CAE工程師，主要研究方向：CAE分析。

前? ? 言

雨天行駛汽車時，雨滴可能隨空氣一起進入發動機進氣系統，一方面會增大濾清器的阻力，從而影響濾清器的品質和可靠性；另一方面，進入到濾清器清潔側的水，可能對發動機及其控制系統造成損壞[1]，故發動機進氣系統需設計雨水分離結構，以保護濾芯，保護發動機。目前，發動機進氣系統水分離設計主要依靠經驗和試驗決定；對雨滴粒徑分布、進氣道水分離計算方法、擋水隔柵設計參數等進行理論研究，有利于改進進氣系統的水分離結構設計，提高分離效率。

1? ? 雨滴粒徑分布

1.1? ?自然界雨滴分布譜

降雨強度是自然界降雨的重要特征，其按照每小時降雨量作為降雨等級劃分標準，如表1所示[2]。

天然降雨的雨滴粒徑一般保持在0.1-6.0mm范圍內[3]。根據大量觀測，服從馬歇爾-帕爾默譜分布（簡稱M-P譜），表達式：

式中，（d）為直徑d的雨滴數量；N0=8×103（個/m3/mm）；?=4.1I -0.21；I為降雨強度。

依據式（1），通過控制雨滴粒徑及范圍，可積分計算直徑為（d+Δd）的雨滴在空氣中的體積分數，從而繪制每種降雨量等級下的M-P譜。

利用Rosin-Rammler粒徑分布函數，M-P譜可進一步簡化，表達式為：

式中，F（d）是累積分布函數，d為粒徑尺寸，dref為參考粒徑（也稱中位粒徑，累積分布百分數達到50%時對應的粒徑值，以下簡稱D50），n為指數。

以暴雨工況為例，由式（1）、（2），雨滴M-P分布和Rosin-Rammler函數擬合如圖1。

1.2? ?進氣系統雨滴粒徑分布

由于發動機進氣面通常與地面垂直，在風力的作用下，實際進入發動機進氣道的雨滴不會與觀測的降雨相同。為了解進入發動機進氣系統內的實際雨滴分布特點，建立簡化模型，如圖2，利用商用流體計算軟件Fluent模擬大氣降雨進入發動機進氣的過程，并考慮垂直于進氣口的橫向風力影響。

計算時，連續相選用Realizable k-ε模型，對流體介質做以下假設：①介質為不可壓縮氣體；②忽略雨滴顆粒相對流場的改變；③不考慮能量交換過程。邊界條件為：入口半圓面為速度進口，大小即風速；發動機進氣面為質量流量出口（1900m?/h），出口半圓面為自由出流。

雨滴顆粒視為離散相，求解采用DPM（Discrete Phase Model）離散相模型，即在拉格朗日坐標系下，通過對顆粒作用力的微分方程進行積分得到顆粒的運動軌跡，適用于離散相總體積分數很小的情況下（小于10%）[4]。離散相的顆粒運動方程[5]表達式為：

其中，mP是顆粒的質量，VP是顆粒速度，FD是流場對顆粒的曳力，FC是顆粒與壁面間的作用力，FM是體積力，由重力產生。

雨滴顆粒相作以下假設：①雨滴視為球形顆粒，具有恒密度；②不考慮雨滴的蒸發、冷凝等相變，與空氣間不存在熱量交換。雨滴由降雨面釋放，其粒徑分布采用對數Rosin-Rammler函數描述。此處認為雨滴遇到進氣口壁面即黏附在壁面上，暫不考慮雨滴的飛濺、分離、成膜等流動狀態。

如圖3（a），等值線為暴雨工況時雨滴D50值（D50=2.23mm），由Rosin-Rammler方程擬合得到，與風速無關。曲線為暴雨工況、不同風速時，計算到達發動機進氣口的雨滴D50；其中最小風速為6m/s，此時為發動機進氣流量的面速度；最大風速為25m/s，為10級大風，可視為極值。可以看出，進氣口處收集到的雨滴顆粒D50隨橫向風速增大而增大；越來越接近此工況的D50。

如圖3（b），為橫向風速為6m/s時的雨滴顆粒軌跡。可以看出，粒徑越小的雨滴受流體曳力影響大，大部分都會隨氣流一起到達發動機進氣口；而大雨滴，在重力的作用下，很難到達發動機進氣口。

按以上簡化模型計算方法，可推廣計算文中其他降雨和風速工況下，發動機進氣口的雨滴粒徑分布范圍，限于篇幅不再贅述。計算可得到，所有工況下，90%以上的雨滴粒徑分布在0.1-4mm范圍內；若去掉10級大風的極端工況，95%以上的雨滴粒徑分布在0.1-3mm范圍內，故此范圍內的雨滴分離效率是進氣道水分離設計的關鍵。

2? ? 進氣道水分離計算及影響因素

2.1? ?計算方法

前文為簡化計算，認為雨滴與進氣道壁面接觸時，即黏附在壁面；但實際情況并非如此，當液滴與壁面碰撞后，可能黏附于壁面，保持相對的球形；可能反彈，相對完整的離開壁面，只速度發生變化；也可能形成液膜，并繼續發生飛濺、鋪展、剝離、液膜破裂等一系列復雜行為。

為了描述進氣道擋水結構對雨滴的分離作用，研究進氣道水分離效率，引入EWF（Euler Wall Film）壁面液膜模型[6]。并采用EWF-DPM耦合計算，其計算原理為：一是判斷液滴撞壁后，是否發生黏附或鋪展，如是則加入到液膜模型的源項，否則仍保留在DPM模型中；二是判斷液膜能否生成二次液滴，當液膜在較高的剪切力作用，或滿足突變壁面的分離條件時，則產生飛濺液滴，返回DPM 模型。

不考慮能量傳遞，如下式（4） 、式（5）分別為液膜流動的質量方程和動量方程：

其中，ρl是液相密度（kg/m?），h是液膜厚度（m），?s是表面梯度算子，Vl是平均液膜速度矢量，ms是壁面單位面積上的質量源項。

動量方程右側第一項中PL=Pgas+Ph+P，反映了包括氣相壓力Pgas，沿液膜法向方向的重力Ph、液相表面張力P的影響。第二項反映了與液膜平行方向的重力作用，第三項反映了氣液交界面粘性剪切力的影響，第四項反映了粘性力對液膜的影響，第五項為液膜動量源項。

2.2? ?進氣道水分離計算

如圖4（a），為某發動機上進氣道一部分；利用利用商用流體計算軟件Fluent中的DPM-EWF耦合方法，計算其顆粒軌跡如圖4（b）。

分析參考了試驗時的水滴粒徑分布，并擬合為Rosin-Rammler函數，D50=0.369mm，n=1.61。由水滴顆粒軌跡和液膜分布圖來看，分析較真實的反映了進氣道內的水分離情況。

由圖4（b）顆粒軌跡圖，粒徑在0.5mm以上的水滴顆粒很少進入進氣道，被隔柵擋住；較小粒徑水滴隨流體運動到出口，故對除隔柵外其他進氣道水分離的設計，捕集粒徑0.1-0.5mm的雨滴應為重點。

圖5（a）、（b）分別為T=0.1s和T=0.4s時的液膜分布，液膜最大厚度由0.03mm增長到0.22mm（在隔柵位置），并可觀察到液膜的形成、增長和滑落過程，故對進氣道水分離的設計，應在液膜形成和液膜較厚位置布置集水、排水結構。

2.3? ?影響因素

由圖4（b）中顆粒軌跡圖，隔柵為發動機進氣道最重要的擋水結構，可將大部分的大雨滴顆粒擋在發動機外。為研究隔柵結構參數對水分離效率的影響，定義隔柵角度為隔柵平面與進氣道所在平面的銳角角度、隔柵高度為沿進氣道方向隔柵結構的長度。

利用分析軟件計算粒徑d=0.5mm時，隔柵高度為10mm，隔柵角度分別為30°、40°、50°、60°時，結果如圖6（a）；計算粒徑d=0.5mm時，隔柵角度為50°，隔柵高度分別為10mm、20mm、30mm時，結果如圖6（b）。

由圖6（a）、（b）可以看出，隨著隔柵角度減小、隔柵高度增大，分離效率會增大，但同時進氣阻力也會增加。當隔柵角度減小到40°以下時，阻力明顯增大；當隔柵高度增加到20mm以上，分離效率不再提高；故隔柵角度在40-50°、隔柵高度在20mm內比較合理。

3? ? 結論

為提高發動機進氣系統雨水分離效率，對雨滴粒徑分布、進氣道水分離計算方法和影響因素進行理論研究，得到如下結論：

1）自然降雨的雨滴粒徑分布可通過Rosin-Rammler方程進行簡化；計算表明，大粒徑雨滴很難進入發動機進氣口，雨滴粒徑范圍隨工況變化而不同，多數情況下在0.1-3mm范圍內；

2）DPM-EWF耦合模型可以較好的模擬進氣道內的水滴顆粒在重力、壁面剪切力、壓力梯度力、表面張力、液膜鋪展等作用下的顆粒軌跡和液膜分布；

3）對除隔柵外的進氣道水分離設計，捕集粒徑0.1-0.5mm的雨滴應為重點；并在液膜形成和較厚位置布置集水、排水結構；

4）綜合考慮水分離效率和進氣道流阻，隔柵角度在40-50°、隔柵高度在20mm內是比較合理的設計參數。

參考文獻：

[1]發動機進氣水分離試驗方法[S].QCT 1134-2020.

[2]吳小平.低層房屋風雨作用效應的數值研究[D].浙江大學，2008.

[3]楊俊濤，樓文娟. 風驅雨CFD模擬及平均雨荷載計算方法研究[J]. 空氣動力學學報，2011，29（5）：7.

[4]Alex C. Hoffmann，Louis E. Stein著；彭維明，姬忠禮，譯.旋風分離器—原理、設計和工程應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

[5]王偉等. 基于STAR-CD的內燃機空濾器內顆粒軌跡研究[J].山東輕工業學院學報，2010（24）：29-32.

[6]岳題. 管柱式氣液分離器（GLCC）上部筒體氣液流動行為及分離機理研究[D].中國石油大學（北京），2019.

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徐? ?輝

上海弗列加濾清器有限公司

技術專務總監? 高級工程師

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