发动机进气系统水分离计算研究

王珺 袁建军 刘一杰

摘  要：自然降雨的雨滴粒径分布可通过Rosin-Rammler方程进行简化，由此可计算不同工况下发动机进气口的雨滴粒径范围。利用DPM-EWF耦合模型，可以较好的模拟进气道内的水滴颗粒轨迹和液膜分布，并由此提出提高进气道水分离效率的思路。

关键词：进气系统；水分离；液膜分布

中图分类号：U464      文献标识码：A     文章编号：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

毕业于华中科技大学，动力机械工程专业，硕士学历。现就职于上海弗列加滤清器有限公司，任CAE工程师，主要研究方向：CAE分析。

前    言

雨天行驶汽車时，雨滴可能随空气一起进入发动机进气系统，一方面会增大滤清器的阻力，从而影响滤清器的品质和可靠性；另一方面，进入到滤清器清洁侧的水，可能对发动机及其控制系统造成损坏[1]，故发动机进气系统需设计雨水分离结构，以保护滤芯，保护发动机。目前，发动机进气系统水分离设计主要依靠经验和试验决定；对雨滴粒径分布、进气道水分离计算方法、挡水隔栅设计参数等进行理论研究，有利于改进进气系统的水分离结构设计，提高分离效率。

1    雨滴粒径分布

1.1   自然界雨滴分布谱

降雨强度是自然界降雨的重要特征，其按照每小时降雨量作为降雨等级划分标准，如表1所示[2]。

天然降雨的雨滴粒径一般保持在0.1-6.0mm范围内[3]。根据大量观测，服从马歇尔-帕尔默谱分布（简称M-P谱），表达式：

式中，（d）为直径d的雨滴数量；N0=8×103（个/m3/mm）；?=4.1I -0.21；I为降雨强度。

依据式（1），通过控制雨滴粒径及范围，可积分计算直径为（d+Δd）的雨滴在空气中的体积分数，从而绘制每种降雨量等级下的M-P谱。

利用Rosin-Rammler粒径分布函数，M-P谱可进一步简化，表达式为：

式中，F（d）是累积分布函数，d为粒径尺寸，dref为参考粒径（也称中位粒径，累积分布百分数达到50%时对应的粒径值，以下简称D50），n为指数。

以暴雨工况为例，由式（1）、（2），雨滴M-P分布和Rosin-Rammler函数拟合如图1。

1.2   进气系统雨滴粒径分布

由于发动机进气面通常与地面垂直，在风力的作用下，实际进入发动机进气道的雨滴不会与观测的降雨相同。为了解进入发动机进气系统内的实际雨滴分布特点，建立简化模型，如图2，利用商用流体计算软件Fluent模拟大气降雨进入发动机进气的过程，并考虑垂直于进气口的横向风力影响。

计算时，连续相选用Realizable k-ε模型，对流体介质做以下假设：①介质为不可压缩气体；②忽略雨滴颗粒相对流场的改变；③不考虑能量交换过程。边界条件为：入口半圆面为速度进口，大小即风速；发动机进气面为质量流量出口（1900m?/h），出口半圆面为自由出流。

雨滴颗粒视为离散相，求解采用DPM（Discrete Phase Model）离散相模型，即在拉格朗日坐标系下，通过对颗粒作用力的微分方程进行积分得到颗粒的运动轨迹，适用于离散相总体积分数很小的情况下（小于10%）[4]。离散相的颗粒运动方程[5]表达式为：

其中，mP是颗粒的质量，VP是颗粒速度，FD是流场对颗粒的曳力，FC是颗粒与壁面间的作用力，FM是体积力，由重力产生。

雨滴颗粒相作以下假设：①雨滴视为球形颗粒，具有恒密度；②不考虑雨滴的蒸发、冷凝等相变，与空气间不存在热量交换。雨滴由降雨面释放，其粒径分布采用对数Rosin-Rammler函数描述。此处认为雨滴遇到进气口壁面即黏附在壁面上，暂不考虑雨滴的飞溅、分离、成膜等流动状态。

如图3（a），等值线为暴雨工况时雨滴D50值（D50=2.23mm），由Rosin-Rammler方程拟合得到，与风速无关。曲线为暴雨工况、不同风速时，计算到达发动机进气口的雨滴D50；其中最小风速为6m/s，此时为发动机进气流量的面速度；最大风速为25m/s，为10级大风，可视为极值。可以看出，进气口处收集到的雨滴颗粒D50随横向风速增大而增大；越来越接近此工况的D50。

如图3（b），为横向风速为6m/s时的雨滴颗粒轨迹。可以看出，粒径越小的雨滴受流体曳力影响大，大部分都会随气流一起到达发动机进氣口；而大雨滴，在重力的作用下，很难到达发动机进气口。

按以上简化模型计算方法，可推广计算文中其他降雨和风速工况下，发动机进气口的雨滴粒径分布范围，限于篇幅不再赘述。计算可得到，所有工况下，90%以上的雨滴粒径分布在0.1-4mm范围内；若去掉10级大风的极端工况，95%以上的雨滴粒径分布在0.1-3mm范围内，故此范围内的雨滴分离效率是进气道水分离设计的关键。

2    进气道水分离计算及影响因素

2.1   计算方法

前文为简化计算，认为雨滴与进气道壁面接触时，即黏附在壁面；但实际情况并非如此，当液滴与壁面碰撞后，可能黏附于壁面，保持相对的球形；可能反弹，相对完整的离开壁面，只速度发生变化；也可能形成液膜，并继续发生飞溅、铺展、剥离、液膜破裂等一系列复杂行为。

为了描述进气道挡水结构对雨滴的分离作用，研究进气道水分离效率，引入EWF（Euler Wall Film）壁面液膜模型[6]。并采用EWF-DPM耦合计算，其计算原理为：一是判断液滴撞壁后，是否发生黏附或铺展，如是则加入到液膜模型的源项，否则仍保留在DPM模型中；二是判断液膜能否生成二次液滴，当液膜在较高的剪切力作用，或满足突变壁面的分离条件时，则产生飞溅液滴，返回DPM 模型。

不考虑能量传递，如下式（4） 、式（5）分别为液膜流动的质量方程和动量方程：

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是壁面单位面积上的质量源项。

动量方程右侧第一项中PL=Pgas+Ph+P，反映了包括气相压力Pgas，沿液膜法向方向的重力Ph、液相表面张力P的影响。第二项反映了与液膜平行方向的重力作用，第三项反映了气液交界面粘性剪切力的影响，第四项反映了粘性力对液膜的影响，第五项为液膜动量源项。

2.2   进气道水分离计算

如图4（a），为某发动机上进气道一部分；利用利用商用流体计算软件Fluent中的DPM-EWF耦合方法，计算其颗粒轨迹如图4（b）。

分析参考了试验时的水滴粒径分布，并拟合为Rosin-Rammler函数，D50=0.369mm，n=1.61。由水滴颗粒轨迹和液膜分布图来看，分析较真实的反映了进气道内的水分离情况。

由图4（b）颗粒轨迹图，粒径在0.5mm以上的水滴颗粒很少进入进气道，被隔栅挡住；较小粒径水滴随流体运动到出口，故对除隔栅外其他进气道水分离的设计，捕集粒径0.1-0.5mm的雨滴应为重点。

图5（a）、（b）分别为T=0.1s和T=0.4s时的液膜分布，液膜最大厚度由0.03mm增长到0.22mm（在隔栅位置），并可观察到液膜的形成、增长和滑落过程，故对进气道水分离的设计，应在液膜形成和液膜较厚位置布置集水、排水结构。

2.3   影响因素

由图4（b）中颗粒轨迹图，隔栅为发动机进气道最重要的挡水结构，可将大部分的大雨滴颗粒挡在发动机外。为研究隔栅结构参数对水分离效率的影响，定义隔栅角度为隔栅平面与进气道所在平面的锐角角度、隔栅高度为沿进气道方向隔栅结构的长度。

利用分析软件计算粒径d=0.5mm时，隔栅高度为10mm，隔栅角度分别为30°、40°、50°、60°时，结果如图6（a）；计算粒径d=0.5mm时，隔栅角度为50°，隔栅高度分别为10mm、20mm、30mm时，结果如图6（b）。

由图6（a）、（b）可以看出，随着隔栅角度减小、隔栅高度增大，分离效率会增大，但同时进气阻力也会增加。当隔栅角度减小到40°以下时，阻力明显增大；当隔栅高度增加到20mm以上，分离效率不再提高；故隔栅角度在40-50°、隔栅高度在20mm内比较合理。

3    结论

为提高发动机进气系统雨水分离效率，对雨滴粒径分布、进气道水分离计算方法和影响因素进行理论研究，得到如下结论：

1）自然降雨的雨滴粒径分布可通过Rosin-Rammler方程进行简化；计算表明，大粒径雨滴很难进入发动机进气口，雨滴粒径范围随工况变化而不同，多数情况下在0.1-3mm范围内；

2）DPM-EWF耦合模型可以较好的模拟进气道内的水滴颗粒在重力、壁面剪切力、压力梯度力、表面张力、液膜铺展等作用下的颗粒轨迹和液膜分布；

3）对除隔栅外的进气道水分离设计，捕集粒径0.1-0.5mm的雨滴应为重点；并在液膜形成和较厚位置布置集水、排水结构；

4）综合考虑水分离效率和进气道流阻，隔栅角度在40-50°、隔栅高度在20mm内是比较合理的设计参数。

参考文献：

[1]发动机进气水分离试验方法[S].QCT 1134-2020.

[2]吴小平.低层房屋风雨作用效应的数值研究[D].浙江大学，2008.

[3]杨俊涛，楼文娟. 风驱雨CFD模拟及平均雨荷载计算方法研究[J]. 空气动力学学报，2011，29（5）：7.

[4]Alex C. Hoffmann，Louis E. Stein著；彭维明，姬忠礼，译.旋风分离器—原理、设计和工程应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5]王伟等. 基于STAR-CD的内燃机空滤器内颗粒轨迹研究[J].山东轻工业学院学报，2010（24）：29-32.

[6]岳题. 管柱式气液分离器（GLCC）上部筒体气液流动行为及分离机理研究[D].中国石油大学（北京），2019.

专家推荐语

徐   辉

上海弗列加滤清器有限公司

技术专务总监  高级工程师

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