可变截面式油气分离器的仿真研究

张亚鲁 胡玉平 秦顺顺

摘 要：针对迷宫式油气分离器的分离效率和压力损失随着窜气量变化而发生较大变化的特点，设计一种可变通道截面的机构。当窜气量较小时，截面积较小；窜气量变大时，截面积增大。利用CFD仿真软件分别对可变与不可变两种结构的不同工况下进行计算，结果发现：截面积可变时，有效改善了窜气量较小时分离效率小、窜气量较大时压力损失大的问题，能整体上改善油气分离的压力损失和分离效率。

关键词：发动机；油气分离器；CFD；可变截面；迷宫式

中图分类号：TK412.4 文献标志码：B 文章编号：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

随着排放法规的日益严格，对柴油机排气管后处理加强之外，对于曲轴箱窜气污染物的排放也提出了更高的要求。自国五排放标准颁布以来，对发动机PM和PN提出了严格的排放要求。曲轴箱作为发动机PM和PN排放的一个重要来源，减少发动机曲轴箱的排放成为达到国六标准设计的重要手段，对曲轴呼吸器系统的优化设计研究成为重要课题。

迷宫式油气分离器结构简单，应用广泛，但是压力损失和分离效率随着窜气量的变化会发生较大的变化[1，2]。本文设计了一种可变截面式油气分离器，根据发动机的窜气量大小改变进气流通面积，在低负荷窜气量较小时，采用小的流通面积，增加其分离效率；在发动机大负荷窜气量较大时，采用大的流通面积，减小其窜气压力损失，解决发动机多工况油气分离器的匹配问题。

1 可变截面结构设计

通过在原有的迷宫式油气分离器的结构基础上，分别在入口垂直进气方向、内部通道垂直方向的避免上安装一个由弹簧跟薄板组成的可变机构，弹簧跟薄板通过焊接或胶接连接在一起，弹簧另一端通过同样的方式固定在壁面上。

当窜气量不同时，产生的气体压力不同，可以克服不同的弹簧阻力，改变挡板距离通道口的距离，从而改变截面积。结构如图1所示。

2 油气分离器CFD模拟

2.1 计算分析模型

油气分离器的CFD模拟分为两步：（1）稳态计算：应用欧拉方法计算气相流场获得稳定的速度、压力等信息；（2）瞬态计算：在稳态计算获得气相流场的基础上加入液态油滴进行计算。

因为油滴的尺寸相对于整个气相流场非常小（微米级）[3]，体积分数不足10%，认为其对气相流场不产生作用[4]，因此计算时认为空气是连续相，油滴是分布于空气中的离散相。采用欧拉-拉格朗日算法（DPM模型），能够准确的描述粒子的运动轨迹。油滴的形状假设为规则的球形，油滴碰壁即被吸附，不产生反弹、合并、破碎及蒸发。

2.2 控制方程

CFD模拟的控制方程是对物理守恒定律的数学描述。在本次计算模型中，忽略流体与外界的能量交换，假设该过程为等温不可压缩过程，因此需要满足质量守恒、动量守恒和湍流控制方程[5]。

1）质量守恒方程

3）湍流控制方程

2.3 模型离散化

分别对油气分离器的原始结构和可变截面结构模型进行离散化，其中可变截面模型结构又分为挡板距离2mm、4mm、6mm、8mm的情况，一共五种结构作为研究对象。采用六面体网格，网格大小为2mm，并且对通道处流通面積较小的区域进行细化。如图3所示：

2.4 边界条件

气体假设为不可压缩流，环境压力为大气压，根据发动机不同运转工况得到窜气量和窜气温度。

2.4.1 进出口边界

速度进口边界——根据窜气量和入口截面积计算进口速度；在进气口设置面喷射源，均匀喷射，颗粒的初始速度与该处的气体速度相等，方向为法线方向；入口边界设为逃逸边界，即油滴颗粒由于回流到达这个平面时，就认为颗粒脱离，这个面而不再返回计算域。

出口设置为逃逸边界，通过计算逃逸油滴的颗粒数与进入流场的总颗粒数就可以计算分离效率：

分离效率=（油滴颗粒总数-逃逸油滴颗粒数）/油滴颗粒总数。

2.4.2 壁面条件

壁面条件采用捕捉边界条件，也就是说，当油滴一旦接触到壁面后，就会被吸附在壁面上不再运动下去，油滴的轨迹就此终止。

2.4.3 油滴设置

柴油机曲轴箱窜气中的油滴直径主要分布在0.1—10μm之间[6]，服从Rosin-Rammler分布[7]。通过各种直径的油滴所占比例确定Rosin-Rammler公式的参数n=2，De=5.3；油滴密度910kg/m?。

2.4.4 计算工况

通过对一台排气量3L的小型柴油机的参数进行仿真试算，最大负荷下的窜气量大约为72L/min。发动机的窜气量与负荷呈正相关关系，随着负荷增大而增加[8]。分别取窜气量为24 L/min、36 L/min、48 L/min、60 L/min、72 L/min对应发动机的不同工况作为边界条件进行研究。

3 仿真结果分析

油气分离器的设计效果主要是压力损失和分离效率，而二者之间往往是矛盾的，一般压力损失越大，分俩效率越高；压力损失越小，分离效率越低。由于迷宫式油气分离器往往作为整个分离系统的第一级分离，所以压力损失往往是控制在1kpa以内，而且越低越好；而分离效率则越高越好。

所以仿真结果主要对压损和分离效率进行评价。

不同窜气量随挡板距离不同时，其压力损失和分离效率的变化规律如图4所示：

通过图4和表1数据对比，可以看出同一窜气量时，安装弹簧后的分离效率增大，压力损失也有所增加；随着挡板距离的减小，流通截面积减小，不同流量下的压力损失和分离效率均有所增加。

从安装弹簧前后的气相流场图5来看，在通道口安装弹簧挡板之后，气流通过时，由于油滴的惯性作用比较大，在距离更短的情况下更容易碰撞到挡板上，挡板距离越小时，这种效果越明显；在挡板后面形成漩涡区域，液滴进入漩涡区域后不易逃逸，会慢慢发生沉降，达到分离效果。同时由于安装挡板之后，流通面积减小，压力损失也会增大，挡板距离越小，局部压损越大，整体压损越大。

从图4可以看出，如果采用较小的流通截面积，虽然分离效率较高，但是当窜气量较大时，其压力损失大大增加；采用较大流通面积，则分离效率增加幅度较小，对应的压力损失增加也较小。

在窜气量较小时，挡板距离减小，即截面积减小，其压力损失增加不大，但是分离效率增加幅度较大；当窜气量较大时，挡板距离增大，即截面积增大，其分离效率减小很少，但是压力损失可以大大减小。也就是说，小流量时，以很小的压力损失恶化来换取较大的分离效率优化；大流量时，以很小的分离效率恶化来换取较大的压力损失优化。

从图4还可以找出一定窜气量下，分离效率和压力损失随挡板距离变化较大的区域，为窜气量与截面积的匹配作为参考。

采用上述计算结果，当流量24L/min时，减少流通截面积压力损失增加28Pa，分离效率可以提高17.3%；当流量72L/min时，增加流通面积，压力损失减少145Pa，分离效率仅损失1%。因此在小流量时使用小截面，大流量时使用大截面，对于油气分离器的压力损失和分离效率性能改善效果显著。

为不同的窜气量匹配不同的截面积，结果如表2所示：

将优化后的效果表2数据与表1、图4的数据进行比对，油气分离器的压力损失和分离效率与发动机不同的运行工况匹配的更加合理。

4 结论

从计算结果可以看出，当控制流通截面积的变化时：

（1）在小流量下采用小流通面积，增加较小的压力损失后，分离效率能有效提高。

（2）大流量下采用大流通面积，分离效率降低很小，压力损失大大降低。

（3）采用可变截面的油气分离器能使压损、分离效率与不同工况得到很好的匹配。

参考文献

[1] 王骏.曲轴箱强制通风系统构成和发展趋势.柴油机设计与制造， 2012，18（2）：1-8.

[2] 陆永卷.气体机迷宫式油气分离器数值模拟研究[D].广西大学， 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] 张也影.流体力学[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.油气分离器内气液两相流的数值模拟[J].计算力学学报，2006，23（6）：766-771.

[8] 崔凯程.复式油气分离器优化匹配研究[D].吉林大学，2016.