邵長浩，徐讓書

(沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院 )，沈陽 110136)

離心通風(fēng)器是航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)的重要部件，其功用是回收滑油。離心通風(fēng)器內(nèi)的兩相流動(dòng)是復(fù)雜的，必要的簡化更有利于數(shù)值模擬計(jì)算與分析，數(shù)值計(jì)算可以忽略連續(xù)相和分散相所受的重力影響[2]。離心通風(fēng)器實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)切向速度的分布與旋風(fēng)分離器極為相似，切向速度的大小在徑向上呈駝峰分布[3]。對(duì)油氣分離的數(shù)值研究應(yīng)該考慮湍流彌散，使數(shù)值模擬更符合物理實(shí)際[4]，連續(xù)相湍流流動(dòng)的漩渦邊界有聚集顆粒的現(xiàn)象[5]。兩相流動(dòng)中，顆粒相的流動(dòng)狀態(tài)受顆粒直徑大小的影響[6]。DPM模型可以模擬油氣分離過程中的顆粒軌跡[7]?；谏鲜隹紤]，本文以離心通風(fēng)器內(nèi)空氣與滑油顆粒組成的兩相流為研究對(duì)象，計(jì)算不同工況下滑油油珠的穿透率，分析了轉(zhuǎn)速與通風(fēng)流量對(duì)其滑油回收效率的影響。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 離心通風(fēng)器的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

如圖1所示，離心通風(fēng)器主要依靠空心轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)輻板在實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對(duì)滑油進(jìn)行分離回收。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)包括：前端頂板、旋轉(zhuǎn)輻板、后端頂板、通風(fēng)孔和旋轉(zhuǎn)空心軸。工作時(shí)，來自軸承腔的滑油油珠與空氣一起流入通風(fēng)器實(shí)驗(yàn)腔，旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)輻板高速旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下，由于滑油油珠的密度大，受到的離心力大于空氣，從而滑油油珠被分離到壁面上形成油膜，再由回油孔回收，空氣夾雜未被分離的油珠從通風(fēng)孔流經(jīng)空心旋轉(zhuǎn)軸，最后被排入大氣。

圖1 離心通風(fēng)器轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

1.2 控制方程與物理模型

通風(fēng)器內(nèi)油珠顆粒質(zhì)量含量率最大約為10-4，體積分?jǐn)?shù)最大不超過10-7。分散相體積分?jǐn)?shù)小于10-6時(shí)，分散相油珠與連續(xù)相氣體的作用是單相耦合的，即顆粒對(duì)湍流的動(dòng)量貢獻(xiàn)可以忽略。上述特征符合將歐拉和拉格朗日方法相結(jié)合的雷諾輸運(yùn)定理。

(1)連續(xù)相控制方程

連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒方程為：

(1)

式中：ρ為空氣密度；u為速度矢量。

動(dòng)量方程可表示為:

(2)

(3)

式中：μ為粘性系數(shù)；I為單位張量。

(2)離散相控制方程

由顆粒的慣性與受力平衡，給出顆粒運(yùn)動(dòng)方程為：

(4)

式中：up為顆粒速度；ρp為顆粒密度；fx為附加加速度項(xiàng)；fD(u-up)為單位顆粒質(zhì)量受到的阻力。在拉格朗日參考系下，通過積分顆粒的運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算其運(yùn)動(dòng)軌跡。這里忽略了質(zhì)量力、壓力梯度力、熱泳力等作用。

(3)顆粒的穿透率

穿透率是評(píng)價(jià)通風(fēng)器油氣分離性能的重要指標(biāo)，它表征滑油油珠通過通風(fēng)器的能力。未被通風(fēng)器回收的顆粒量占進(jìn)入通風(fēng)器的顆粒總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)稱為分離器的穿透率，以P表示。

(5)

式中：Gin為進(jìn)入通風(fēng)器的顆粒量；Gout為從通風(fēng)器排出的顆粒量；Gcatch為通風(fēng)器所捕集的顆粒量。

(4)顆粒的碰壁與運(yùn)動(dòng)軌跡的隨機(jī)追蹤

顆粒在氣流中的運(yùn)動(dòng)與Stokes數(shù)有關(guān),St遠(yuǎn)小于1的顆粒將隨氣流運(yùn)動(dòng)[5-6]。如果忽略液滴的變形和破碎,則可以認(rèn)為St數(shù)對(duì)油珠運(yùn)動(dòng)有類似的影響。離心通風(fēng)器腔內(nèi)滑油油珠的平均直徑約數(shù)十微米，典型情況下St數(shù)約0.01。采用壁面液膜模型作為油滴碰壁的壁面邊界條件，壁面液膜模型能夠模擬油滴與壁面碰撞的相互作用，即油珠的反彈、黏附、散布或飛濺4種結(jié)果。隨機(jī)追蹤模型使用沿積分路徑的瞬時(shí)流體速度對(duì)單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分計(jì)算軌跡。以這種方式計(jì)算大量代表性顆粒，可以體現(xiàn)湍流對(duì)顆粒彌散的隨機(jī)影響[4]。DRW模型用于模擬脈動(dòng)速度分量對(duì)顆粒軌跡的影響,在離散的分時(shí)間段內(nèi)取隨機(jī)常數(shù)值，且在渦特征壽命時(shí)間內(nèi)保持不變，其值均采用在其所假定遵從的高斯概率分布中采樣獲取。

1.3 離散相噴射源與物性參數(shù)

DPM模型采用實(shí)心錐形噴射模擬來自上游進(jìn)入通風(fēng)器的油珠顆粒群。初始條件定義了顆粒類型和顆粒群進(jìn)入計(jì)算域時(shí)的初始位置、速度、尺寸、流量和溫度等。計(jì)算中所使用的空氣和滑油的物性如表1所示。

表1 空氣和潤滑油的物性參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 不同尺寸顆粒在通風(fēng)器內(nèi)的分布情況

數(shù)值計(jì)算模擬了離心通風(fēng)器轉(zhuǎn)子在實(shí)驗(yàn)腔中工作時(shí)的油氣分離過程，實(shí)驗(yàn)腔為外徑為290 mm，內(nèi)徑為40 mm，長度為216 mm的環(huán)形腔，入口為寬30 mm的環(huán)面。由于輻板與通風(fēng)孔個(gè)數(shù)均為6的倍數(shù)，所以整個(gè)計(jì)算域具有以60°為周期的旋轉(zhuǎn)周期性。數(shù)值模擬了整個(gè)計(jì)算域軸向六分之一圓柱區(qū)的兩相流流動(dòng)，油珠顆粒直徑在通風(fēng)器流道及實(shí)驗(yàn)腔中的分布如圖2所示。

圖2 不同直徑的顆粒分布圖

從圖2可以看出，油珠的顆粒直徑主要分布在10-6至10-11(m)范圍內(nèi)，分離的主要區(qū)域?yàn)閷?shí)驗(yàn)腔。隨氣流進(jìn)入通風(fēng)器試驗(yàn)器的各種尺寸滑油油珠首先沖向旋轉(zhuǎn)輻板區(qū)，其中較大直徑的顆粒主要靠離心力被分離，而較小的顆粒隨空氣運(yùn)動(dòng)彌漫于試驗(yàn)器內(nèi)。與旋轉(zhuǎn)輻板毗鄰的上游存在較多的較大尺寸油珠顆粒，這是因?yàn)檩棸甯咚傩D(zhuǎn)，使輻板壁上油膜被甩離出去，所以該區(qū)域的較大顆粒濃度偏高。旋轉(zhuǎn)輻板下游的較大直徑油珠顆粒主要是由輻板壁面油膜被高速氣流吹離壁面產(chǎn)生的。由于通風(fēng)管內(nèi)的螺旋氣流使油滴顆粒受到一定的離心力，所以在通風(fēng)管中也存在分離效果。

2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)穿透率的影響分析

入口通風(fēng)流量為40 g/s時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的油珠顆粒的穿透率在表2中給出，可以看出離心通風(fēng)器內(nèi)油珠顆粒的穿透率隨轉(zhuǎn)速的增加而減小。

表2 不同轉(zhuǎn)速下穿透率的計(jì)算值

理論上若d為油珠顆粒直徑；ρ為滑油密度；ρa(bǔ)為空氣密度；R為油珠顆粒所在旋轉(zhuǎn)半徑。進(jìn)入轉(zhuǎn)子的空氣具有徑向速度V1和切向速度ωR?？紤]阻力情況下油珠離心力計(jì)算公式為：

(6)

由理論公式6可以看出油珠所受的離心力與ω的平方成正比，所以隨轉(zhuǎn)速的增加滑油油珠獲得了更大的離心力。離心力的增加使油珠與實(shí)驗(yàn)腔壁面油膜的碰壁幾率加大，所以降低了油珠的穿透率。除離心力外，實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)的湍流情況也影響油珠的分離。由于離心通風(fēng)器腔內(nèi)滑油油珠的平均直徑約數(shù)十微米，典型情況下St數(shù)約0.01。這種亞微尺寸顆粒受湍流脈動(dòng)速度的影響很大，并且連續(xù)相湍流流動(dòng)的漩渦邊界有聚集顆粒的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速增加加大了輻板對(duì)實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)部氣流的攪動(dòng)，流動(dòng)的湍動(dòng)能增強(qiáng)。流體內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，準(zhǔn)自由渦與準(zhǔn)強(qiáng)制渦的渦動(dòng)區(qū)域加大，使得油珠隨渦的切向速度向壁面遷移的幾率增加[8]。壁面捕獲油珠顆粒的幾率增加，穿透率自然就減小了。增加旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速減小滑油油珠的穿透率，提高了離心通風(fēng)器的分離性能。

2.3 通風(fēng)流量對(duì)穿透率的影響分析

旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為27136 r/min時(shí)，表3為不同通風(fēng)流量下滑油油珠的穿透率，可以看出穿透率隨通風(fēng)流量的增加而增大。

表3 不同通風(fēng)流量下穿透率的計(jì)算值

(7)

由公式7可知通風(fēng)流量m加大，必然提高氣流的徑向速度，從而加大了油珠顆粒所受的阻力，油珠相對(duì)于氣流向壁面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能減小，碰壁幾率降低，從而增大了滑油油珠的穿透率。此外，通風(fēng)流量m加大后，由于小尺寸油滴顆粒對(duì)氣流的跟隨性，油珠顆粒隨氣流向下游遷移的趨勢(shì)增強(qiáng)，未被分離的小尺寸油珠顆粒數(shù)增多，也是穿透率增大的原因之一。

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了不同工況下離心通風(fēng)器的滑油油珠穿透率，所得結(jié)論如下：

(1)離心通風(fēng)器內(nèi)油珠的穿透率受到油珠尺寸的影響。大尺寸油珠受離心力(自身慣性力)影響，對(duì)氣流的跟隨性較差。較大尺寸油珠顆粒主要集中在與旋轉(zhuǎn)輻板毗鄰的上游區(qū)域。較小尺寸油珠顆粒大部分彌散于實(shí)驗(yàn)腔的后端區(qū)域。

(2)提高旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速可以減小滑油油珠的穿透率，改善離心通風(fēng)器的分離性能，提高滑油回收率。

(3)入口通風(fēng)流量的增加會(huì)增大滑油油珠的穿透率，降低離心通風(fēng)器的分離性能。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)編;林基恕分冊(cè)主編.航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第12冊(cè)：傳動(dòng)及潤滑系統(tǒng))[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2] 馮健美，暢云峰，張勇，等.噴油壓縮機(jī)臥式油氣分離器特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(5)：561-577.

[3] 柳吉祥.旋風(fēng)分離器旋轉(zhuǎn)氣流特性分析[J].山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1988，7(3)：26-33.

[4] 徐讓書，宗慶賀，劉立博,等.湍流彌散對(duì)軸心通風(fēng)器油氣分離過程的影響[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2011，37(4)：75-79.

[5] 王兵，張會(huì)強(qiáng)，王希麟.顆粒在大渦結(jié)構(gòu)中的彌散[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(1)：105-109.

[6] 周華，夏南.油氣分離器內(nèi)氣液兩相流的數(shù)值模擬[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23(6)：766-771.

[7] 孫秀君，孫海鷗，姜任秋.油氣分離器內(nèi)油滴軌跡的數(shù)值模擬[J].應(yīng)用科技,2006，33(10)：69-72.

[8] 徐繼潤，羅茜.強(qiáng)制渦與水力旋流器[J].礦冶工程,1989，9(2)：29-33.