王 超， 于光臨， 甘新海， 閆周易， 趙磊霆

(新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司， 河南新鄉(xiāng) 453049)

引言

直流式旋風(fēng)分離器安裝在飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)入口，用于過濾發(fā)動(dòng)機(jī)引氣中的固體顆粒，向環(huán)控系統(tǒng)提供潔凈空氣，改善環(huán)控系統(tǒng)的工作條件。旋風(fēng)分離器主要包括進(jìn)風(fēng)口、旋流葉片、集塵裝置、出風(fēng)口等，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、可靠性高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在20 μm及以上除塵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

流阻和分離效率是旋風(fēng)分離器核心性能指標(biāo)[3-4]，旋風(fēng)分離器內(nèi)部流動(dòng)屬于三維多相紊流流動(dòng)，理論計(jì)算研究難度大[5]，隨著數(shù)值仿真技術(shù)發(fā)展，阮飛等[6-9]采用數(shù)值模擬的方法研究傳統(tǒng)直立式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)、安裝方式、入口流速等對(duì)分離器性能的影響。王彤等[10-11]采用數(shù)值模擬的方法研究慣性粒子分離器流動(dòng)特性，并利用粒子成像測(cè)速技術(shù)(PIV)對(duì)慣性粒子分離器內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行研究。欒一剛等[12-13]采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式對(duì)軸流旋風(fēng)分離器性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證軸流旋風(fēng)分離器仿真與試驗(yàn)阻力特性曲線吻合良好，數(shù)值方法可行、可靠。滿曉偉等[14-15]對(duì)新型直流式旋風(fēng)分離器葉片偏轉(zhuǎn)角、分離段長(zhǎng)度、入口內(nèi)徑、出口角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響進(jìn)行研究，但研究方法均為多方案對(duì)比，未引入多參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。直流式旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，分離效率影響參數(shù)眾多，基于優(yōu)化技術(shù)開展參數(shù)間耦合分析非常必要，目前該領(lǐng)域的優(yōu)化仿真及試驗(yàn)研究均在進(jìn)一步深入。

本研究利用Fluent軟件對(duì)我單位某型號(hào)直流式旋風(fēng)分離器性能進(jìn)行仿真計(jì)算，基于產(chǎn)品需求采用Optislang優(yōu)化軟件對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配使得產(chǎn)品順利通過試驗(yàn)，為該領(lǐng)域的研究及我單位后續(xù)生產(chǎn)提供參考。

1 旋風(fēng)分離器設(shè)計(jì)

旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)葉片厚度2 mm，螺旋面螺距24 mm?；煊蟹蹓m顆粒的氣體軸向進(jìn)入產(chǎn)品，經(jīng)旋流葉片誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下由于介質(zhì)存在密度差使得灰塵從出塵口排出，潔凈空氣從出氣口流入環(huán)控系統(tǒng)。

圖1 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of cyclone separator

旋風(fēng)分離器采用4導(dǎo)流葉片純機(jī)械設(shè)計(jì)，外廓尺寸為129 mm×70 mm×61 mm，進(jìn)、出口采用快卸卡箍連接，產(chǎn)品性能參數(shù)見表1。

2 旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬

2.1 粉塵粒徑分布研究

試驗(yàn)用粉選用粗粒型亞利桑那試驗(yàn)粉，其粉塵粒徑分布滿足ISO 12103-A4(見表2)，采用羅辛-拉姆特分布函數(shù)對(duì)其粒徑分布進(jìn)行擬合。

表1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of cyclone separtor

表2 粉塵粒徑與質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布表Tab.2 Dust particle size and mass fraction distribution

羅辛拉姆特分布函數(shù)：

Y=1-e-(d/dm)n

(1)

式中，Y—— 質(zhì)量負(fù)累積率

n—— 分布指數(shù)

dm—— 平均粒徑

粉塵粒徑擬合曲線如圖2所示，得到A4粉最小粒徑1 μm，最大粒徑200 μm，平均粒徑42.27 μm，分粒徑分布布指數(shù)為1.126。

2.2 仿真模型

選用RNGk-e湍流模型對(duì)旋風(fēng)分離器湍流流動(dòng)進(jìn)行模擬，采用離散相模型(Discrete Phase Model,DPM)對(duì)粉塵運(yùn)動(dòng)軌跡及受力進(jìn)行模擬，粉塵受力平衡方程為：

(2)

式中,v—— 粉塵運(yùn)動(dòng)速度

ρ—— 空氣密度

ρp—— 粉塵密度

FD—— 曳力

Fx—— 附加力

圖2 粉塵粒徑擬合曲線Fig.2 Particle diameter fiting curve

仿真計(jì)算僅考慮曳力和重力，空氣密度選用理想氣體模型，黏度計(jì)算選用薩瑟蘭模型，壓力-速度耦合選擇SIMPLE算法，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散格式。

2.3 仿真結(jié)果分析

1) 基礎(chǔ)流場(chǎng)仿真

對(duì)直流式旋風(fēng)分離器基礎(chǔ)流場(chǎng)仿真，獲取產(chǎn)品中心截面總壓分布云圖，如圖3所示，產(chǎn)品進(jìn)出口壓降為31.09 kPa。

圖3 截面壓力分布云圖Fig.3 Pressure distribution of central section

2) 分離效率仿真

在基礎(chǔ)流場(chǎng)仿真的基礎(chǔ)上，以面源的形式向產(chǎn)品內(nèi)部噴射粒徑分布符合ISO12103-A4的粗粒型亞利桑那試驗(yàn)粉，以質(zhì)量流率計(jì)算旋風(fēng)分離器分離效率：

(3)

式中,η—— 分離效率

Qin—— 進(jìn)入產(chǎn)品粉塵質(zhì)量流率

Qout—— 出塵口收集筒捕獲的粉塵質(zhì)量流率

入口粉塵質(zhì)量流率為0.001267 kg/s，仿真結(jié)果顯示出塵口收集筒捕獲粉塵的質(zhì)量流率為0.0019436 kg/s，計(jì)算該產(chǎn)品針對(duì)A4粉分離效率為89.7%。對(duì)入口及收集筒捕獲的不同粒徑粉塵質(zhì)量流率統(tǒng)計(jì)分析，如圖4所示，粉塵粒徑大于23.1 μm時(shí)，入口處的粒徑粉塵質(zhì)量流率與收集筒捕獲的該粒徑粉塵質(zhì)量流率曲線重合，即該粒徑粉塵進(jìn)入產(chǎn)品后全部由出塵口排出；而粒徑小于23.1 μm的粉塵，入口質(zhì)量流率大于收集筒捕獲的該粒徑粉塵的質(zhì)量流率，即該粒徑粉塵進(jìn)入產(chǎn)品后未被全部捕獲，部分粉塵隨氣流一起逃出產(chǎn)品，而且粉塵越小捕獲率越低，最小粉塵粒徑1 μm時(shí)，捕獲率僅18.26%，因此該旋風(fēng)分離器捕獲能力為23.1 μm及以上粉塵。

圖4 不同粒徑粉塵入口及出塵口質(zhì)量流量Fig.4 Mass flow rate at inlet and outlet with different dust diameters

3) 研究不同粉塵濃度的影響

為了探究入口粉塵濃度Cin對(duì)分離效率、流阻的影響，選取旋風(fēng)分離器入口粉塵濃度分別為1%，2%，3%，4%，5%，仿真計(jì)算5種工況下流阻及分離效率的變化，如圖5所示。可以看出粉塵濃度在仿真計(jì)算變化范圍內(nèi)隨著粉塵濃度的增加，分離效率均為(89.6±0.25)%范圍內(nèi)變動(dòng)，入口粉塵濃度增加對(duì)分離效率幾乎無影響；但隨著入口粉塵濃度的增加，旋風(fēng)分離器流阻由31.09 kPa增大至31.45 kPa，流阻有微弱的增加。

3 旋風(fēng)分離器性能優(yōu)化

根據(jù)產(chǎn)品需求，選取旋轉(zhuǎn)葉片螺距、葉片高度作為輸入變量，流阻及分離效率作為輸出變量，以分離效率大于85%，流阻最小為目標(biāo)，利用Optislang優(yōu)化軟件進(jìn)行多參數(shù)多目標(biāo)仿真優(yōu)化分析。

圖5 不同粉塵濃度流阻、分離效率的變化Fig.5 Change of pressure drop and efficiency for different particle concentrations

表4 優(yōu)化參數(shù)表Tab.4 Optimization parameter

優(yōu)化參數(shù)見表4，對(duì)輸入?yún)?shù)利用拉丁超立方的方法在參數(shù)變化范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)法(Design of Experment，DOE)取樣，對(duì)樣本點(diǎn)分析獲取敏感度矩陣如圖6所示，可以看出，螺距對(duì)流阻敏感度為99.7%，對(duì)分離效率敏感度為94.3%；但旋轉(zhuǎn)葉片長(zhǎng)度僅對(duì)分離效率敏感，敏感度為5.8%，對(duì)流阻不敏感。

圖6 變量間敏感度矩陣Fig.6 Inter variable sensitivit matrix

每個(gè)樣本點(diǎn)計(jì)算需要消耗大量的計(jì)算成本，為提升優(yōu)化效率基于樣本點(diǎn)建立最佳預(yù)測(cè)元模型(Meta-model of Optimal Prognosis，MOP)面，其擬合函數(shù)為：

(4)

式中,n—— 設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)

a0—— 常數(shù)項(xiàng)系數(shù)

ai，aii，aiii，aiiii—— 1～4次項(xiàng)系數(shù)

4階響應(yīng)面如圖7所示，基于MOP面采用進(jìn)化算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)，獲取帕累托前沿如圖8所示，綜合各因素選取8553號(hào)設(shè)計(jì)點(diǎn)作為優(yōu)化方案，該方案旋轉(zhuǎn)葉片螺距為83 mm，葉片長(zhǎng)度為30 mm，分離效率為85.69%，流阻為12.12 kPa，滿足產(chǎn)品需求，流阻由31.09 kPa降到12.12 kPa，分離效率僅降低4.01%。

圖7 輸入變量與輸出變量的響應(yīng)面Fig.7 Response surface between input and output parameters

4 旋風(fēng)分離器仿真與試驗(yàn)對(duì)比

按照優(yōu)化方案打造樣件，樣件如圖9所示，并對(duì)樣件進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，試驗(yàn)原理圖如圖10所示，試驗(yàn)獲取產(chǎn)品實(shí)際流阻為12.8 kPa，分離效率為86.1%。試驗(yàn)與仿真的對(duì)比見表5，可以看出仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

圖8 帕累托前沿Fig.8 Pareto front

圖9 樣件照片F(xiàn)ig.9 Test sample

1.氣源 2、9、12.調(diào)節(jié)閥 3、10.流量計(jì) 4.加塵系統(tǒng) 5、13.壓力表 6.壓差計(jì) 7.樣件 8.過濾器 11.集塵器圖10 試驗(yàn)原理圖Fig.10 Test schematic diagram

表5 仿真與試驗(yàn)對(duì)比Tab.5 Comparison between simulation and test datas

5 結(jié)論

(1) 本研究對(duì)粗粒型亞利桑那試驗(yàn)粉粒徑分布進(jìn)行擬合，得出該粉塵最小粒徑為1 μm，最大粒徑200 μm，平均粒徑為42.27 μm，粒徑分布指數(shù)1.126；

(2) 基于Fluent對(duì)直流式旋風(fēng)分離器性能仿真計(jì)算，利用Optislang對(duì)旋風(fēng)分離器旋流葉片螺距及葉片長(zhǎng)度進(jìn)行多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化，得出螺距對(duì)流阻的敏感度為99.7%，對(duì)分離效率的敏感度為94.3%；旋轉(zhuǎn)葉片長(zhǎng)度僅對(duì)分離效率敏感，對(duì)流阻不敏感，匹配葉片螺距為83 mm，葉片長(zhǎng)度為30 mm時(shí)，實(shí)現(xiàn)保證分離效率的前提下降低流阻的目標(biāo)；

(3) 通過打造樣件，對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果可知，該數(shù)值方法在旋風(fēng)分離器流阻特性及分離效率特性預(yù)測(cè)方面可行、準(zhǔn)確，具有工程實(shí)踐意義。