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某汽油機油氣分離器模擬分析及試驗驗證
2018-02-25 14:53:37· 作者：安徽江淮汽車股份有限公司 馮瑋瑋 張 超 劉芯娟 候文娟 常耀紅
本文利用三維流體軟件對某汽油機的油氣分離器進行CFD分析，分別進行穩(wěn)態(tài)計算和瞬態(tài)分析，并進行油氣分離器試驗。由此得出結(jié)論，油滴的粒子直徑越大，分離效率越高；在油氣分離器內(nèi)部設(shè)置擋板和圓孔板可以對油氣進行有效的分離；模擬技術(shù)與試驗相結(jié)合可以快速準(zhǔn)確地為一款發(fā)動機選擇合適的油氣分離器結(jié)構(gòu)。
在汽油機運轉(zhuǎn)過程中，活塞竄氣進入到曲軸箱內(nèi)。竄氣中帶有機油顆粒，如果沒有及時清理，會導(dǎo)致機油變差、零部件受腐蝕，汽油機長時間工作將會導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)壓力過大，使得各結(jié)合部件之間產(chǎn)生漏氣、漏油等問題。為了解決上述問題，越來越多的廠家利用油氣分離器結(jié)構(gòu)來進行呼吸系統(tǒng)中的油氣分離。油氣分離器將油氣混合氣中的油滴分離并回流到油底殼，剩下的氣體通過進氣系統(tǒng)進入燃燒室燃燒。
傳統(tǒng)的油氣分離器開發(fā)方法是基于一些工程經(jīng)驗，經(jīng)過反復(fù)的設(shè)計、試驗和設(shè)計過程，增加了試驗成本和開發(fā)周期。本文通過對某汽油機油氣分離器進行CFD(計算流體力學(xué))分析，在計算機中建立油氣分離器模型，對油氣分離器內(nèi)部的氣液兩相流進行數(shù)值模擬，可以得出壓力分布、速度分布及分離效率等，從而對油氣分離器性能進行判斷，在油氣分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計之初對其方案進行優(yōu)化。待方案滿足評價標(biāo)準(zhǔn)之后，在發(fā)動機臺架上進行油氣分離器試驗，進一步驗證其性能。
仿真計算的理論基礎(chǔ)
對于油氣分離器的氣液兩相模擬來說，在其中流動的介質(zhì)是油滴粒子和氣體的混合物。兩相流包括氣相和液相之間的動量、能量和質(zhì)量的交換過程。本文在計算中采用歐拉 -拉格朗日方法，對氣相流場計算采用歐拉方法，對液滴的運動計算采用拉格朗日方法。首先模擬油氣分離器內(nèi)部氣體的穩(wěn)態(tài)流動，然后模擬油氣分離器內(nèi)部油滴粒子在氣體流場中的瞬態(tài)運動。
仿真模型搭建
1.仿真流程
油氣分離器仿真分析采用兩相流模型，CFD仿真流程如圖1所示。在CFD分析中，首先對油氣分離器模型進行三維穩(wěn)態(tài)計算，得到油氣分離器模型內(nèi)部的壓力分布、速度分布等結(jié)果。待穩(wěn)態(tài)計算結(jié)束之后，對油氣分離器模型進行三維瞬態(tài)計算，分別引入幾種不同直徑的油滴粒子，得到不同尺寸油滴粒子在油氣分離器模型內(nèi)的分布區(qū)域及油滴粒子的分離效率等。
2. 網(wǎng)格劃分
本次計算使用AVL流體軟件生成以六面體為主的計算模型網(wǎng)格?？紤]到模型壁面附近的邊界層對流體流動的影響，在油氣分離器模型壁面上生成兩層邊界層網(wǎng)格，劃分好的油氣分離器體網(wǎng)格如圖2所示。本次網(wǎng)格劃分的主網(wǎng)格尺寸大小為1?mm，對需要加密的局部部位采用0.5?mm尺寸網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為130萬。
3. 求解器參數(shù)設(shè)置
在計算中，采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時間項，壓力與速度耦合計算方法選擇SILMPLE算法。假設(shè)油氣分離器模型內(nèi)氣體流動為可壓縮粘性湍流運動，空氣為理想氣體，湍流模型采用k-z-f方程，使用混合壁面函數(shù)描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求貼近壁面網(wǎng)格的y+值在11～200之間。殘差小于0.000?1。
4.邊界條件
本文模擬分析的工況點采用試驗工況，穩(wěn)態(tài)分析的入口和出口邊界條件按照試驗條件。入口面邊界設(shè)置為質(zhì)量流量邊界條件，出口面邊界設(shè)置為靜壓邊界條件。
穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果
1.壓力分布
圖3所示為油氣分離器穩(wěn)態(tài)分析得到的模型壓力分布圖。從中可以看出，兩段圓孔板將油氣分離器模型分成三個區(qū)域，在每個區(qū)域內(nèi)壓力相對穩(wěn)定，壓力損失主要集中在圓孔板和擋板附近。經(jīng)數(shù)值統(tǒng)計，油氣分離器進口和出口之間的壓力損失為0.873?kPa。
2.速度分布
圖4所示為油氣兩相流在油氣分離器模型內(nèi)部的流動跡線圖。油氣混合氣在模型內(nèi)部區(qū)域形成漩渦，增加了兩相流與壁面的接觸面積，從而增加油滴粒子與壁面碰撞的概率，增加了油滴的分離效率。
本文分析的油氣分離器模型內(nèi)設(shè)置4個擋板、2個圓孔區(qū)。油氣混合氣從入口進入油氣分離器內(nèi)部后，氣流首先會經(jīng)過圓孔板1，油氣混合氣一部分與壁面發(fā)生碰撞，另一部分經(jīng)過圓孔繼續(xù)向后流動。與壁面碰撞后的液滴會產(chǎn)生兩種結(jié)果，一種是油滴留在壁面上，形成油膜，通過回油孔回到油底殼;另一種是油滴碰壁后發(fā)生反彈，加入向后流動的氣流中。未被圓孔板1捕捉的油滴隨后進入擋板1&2，進一步對油氣混合氣進行分離。剩余的油氣混合氣還要通過圓孔板2以及擋板3&4，原理同上。被圓孔板和擋板收集的油滴通過回油孔進入油底殼，未被收集的油滴從出口進入進氣歧管。
瞬態(tài)計算結(jié)果
1.油氣分離計算方法
在三維軟件中，首先對油氣分離器模型采用歐拉方法分析油氣分離器內(nèi)部的流場穩(wěn)態(tài)流動情況，然后在計算的穩(wěn)態(tài)流場中引入不同直徑的油滴，采用拉格朗日方法即油滴軌跡追蹤方法對油滴粒子計算分析。計算中流場驅(qū)動油滴運動，假設(shè)油滴與油氣分離器的壁面碰撞后，油滴即被壁面捕捉。軟件計算可以得到油滴總量、被分離的油滴量和逃逸的油滴量，并能自動計算出某尺寸油滴的油滴分離效率。油氣分離器的油滴分離效率定義為被分離的油滴量占油滴總量的質(zhì)量百分比。
2.油滴引入過程
瞬態(tài)計算的邊界設(shè)置如下：計算時間設(shè)置為5?s，步長為0.01?s;引入粒子數(shù)量設(shè)置為10?000個/s;噴射時間從0?s開始，噴射時間段為0～0.5?s。
油滴直徑的分布范圍參照乘用車油滴直徑分布規(guī)律及相關(guān)文獻。油滴粒子直徑分布范圍為0.5～20?mm，并且每個尺寸的油滴粒子所占百分比不同。本文選取了五種具有典型代表的顆粒尺寸進行模擬，它們分別是1?mm、2?mm、5?mm、10?mm及20?mm。
3. 油滴分離效率
以油氣分離器模型穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果為基礎(chǔ)，分別計算將5種尺寸的油滴粒子引入到油氣分離器內(nèi)部的工況，得到5種尺寸油滴粒子的分離效率，如表所示。
從表中可以看出，1?mm尺寸的油滴粒子分離效率為83.3%，5?mm尺寸的油滴粒子分離效率為86.9%，隨著油滴直徑的增加，油滴粒子的分離效率逐漸增加。20?mm尺寸的油滴粒子分離效率達到88.9%。這是由于油滴粒子直徑越小，其重量越小，隨氣流運動速度越大，不容易被壁面捕捉。直徑大的油滴粒子重量大，受到重力作用以及運動慣性作用，其更容易碰壁并且被捕捉，通過呼吸系統(tǒng)的回油孔進入到油底殼。
圖5所示為1?mm油滴粒子在油氣分離器內(nèi)部的分布狀態(tài)，藍色粒子代表被油氣分離器壁面捕捉的油滴粒子。從圖中可以看出，油氣分離器入口處附近壁面捕捉了大量的油滴，這是由于油氣混合氣從入口進入油氣分離器后，直接碰到壁面，較多的油滴粒子被吸附在壁面上。在圓孔板1、擋板1&2處均捕捉了較多的油滴粒子，說明此處混合氣中的油滴粒子仍較多，并且設(shè)置圓孔板和擋板起到了分離油滴和氣體的作用。經(jīng)過擋板2后，混合氣中油滴粒子明顯減少，在圓孔板2以及擋板3&4處，均捕捉了較多的油滴粒子，這是因為其對油滴粒子的二次吸附作用。在油氣分離器模型的右側(cè)，油氣混合氣中的油滴粒子含量已經(jīng)明顯降低，被壁面捕捉的油滴粒子回到油底殼，未被捕捉的油滴粒子進入進氣歧管。
4. 油氣分離器試驗及結(jié)果
根據(jù)分析結(jié)果進行了相應(yīng)的試驗，分別在油氣分離器入口和出口布置壓力傳感器，測量進出口壓力差。試驗測得油氣分離器進出口壓力差為0.891?kPa。圖6所示為油氣分離器進出口壓力差的模擬和試驗值對比，兩者相差2%，模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。
在發(fā)動機臺架上進行全速全負(fù)荷試驗，結(jié)果顯示油氣分離器的竄油量為2?g/h，滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，說明該油氣分離器的分離效果很好，達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)語
在油氣分離器的產(chǎn)品設(shè)計過程中，利用模擬分析來進行油氣分離器初期選型，在用試驗手段最終確定油氣分離器方案，不僅提高了產(chǎn)品開發(fā)周期，還降低了成本。
通過對某汽油機油氣分離器進行模擬分析和試驗測試，可以得出以下結(jié)論：油氣混合氣中，油滴粒子直徑越小，分離效率越低，油滴粒子直徑越大，分離效率越高;為了有效地捕捉油滴粒子，可以在油氣分離器內(nèi)部設(shè)置圓孔板和擋板。
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