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

在實際應用后發現,油霧進入測量室后,具有一定數量的油霧顆粒附著在發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生源和接收源壁面上的油霧顆粒數量,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 數值計算模型

油霧探測器測量室流動包括連續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生源和接收源下方的區域,方案二是在方案一的基礎上在發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、發生源和接收源上方區域。

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象,粒徑分布符合Rosin-Rammler規律[8-9],分布函數為

(9)

采用穩態雙向耦合計算,同時考慮連續相對離散相以及離散相對連續相的影響,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，分數越高表示患者的依從性越高，在臨床上能夠更好的按照醫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種測量室可以發現,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生源和接收源下方區域的影響。

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生源和接收源壁面的可能性。

表1～3為不同運動狀態的油霧顆粒數量分布情況,“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(由進口網格數量決定),隨著出口壓力降低,逃逸的顆粒數量逐漸增多,捕捉和游離的顆粒數量逐漸減少。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,導致更多的油霧顆粒可以跟隨空氣流出計算域。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油霧顆粒數量

表2 方案一測量室不同運動狀態油霧顆粒數量

表3 方案二測量室不同運動狀態油霧顆粒數量

對比各工況下3種測量室不同運動狀態的油霧顆粒數量,發現原型測量室均存在較多數量的油霧顆粒被捕捉,各工況下被捕捉的數量均大于15;方案一測量室被捕捉的油霧顆粒數量大幅下降,各工況下被捕捉的數量均小于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,原型測量室的發生源和接收源附近為空曠的區域,油霧顆粒進入測量室后可通過四周方向向發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進行校零。分析數值結果可知,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量的油霧質量濃度,此時測量室存在油霧顆粒時間較短,發生源和接收源壁面尚未有油霧顆粒附著,讀數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,說明發生源或接收源壁面附著一定數量的油霧顆粒,導致讀數無法回零;而方案二測量室此時的讀數均回零,表明發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無法回零,而方案二測量室的油霧質量濃度讀數均回零,證明原型測量室的發生源或接收源壁面有油霧顆粒附著,而方案二測量室的發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。