王珺 袁建軍 劉一杰

摘? 要：自然降雨的雨滴粒徑分布可通過Rosin-Rammler方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，由此可計(jì)算不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的雨滴粒徑范圍。利用DPM-EWF耦合模型，可以較好的模擬進(jìn)氣道內(nèi)的水滴顆粒軌跡和液膜分布，并由此提出提高進(jìn)氣道水分離效率的思路。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng)；水分離；液膜分布

中圖分類號(hào)：U464? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：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

畢業(yè)于華中科技大學(xué)，動(dòng)力機(jī)械工程專業(yè)，碩士學(xué)歷?，F(xiàn)就職于上海弗列加濾清器有限公司，任CAE工程師，主要研究方向：CAE分析。

前? ? 言

雨天行駛汽車時(shí)，雨滴可能隨空氣一起進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，一方面會(huì)增大濾清器的阻力，從而影響濾清器的品質(zhì)和可靠性；另一方面，進(jìn)入到濾清器清潔側(cè)的水，可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)造成損壞[1]，故發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)需設(shè)計(jì)雨水分離結(jié)構(gòu)，以保護(hù)濾芯，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)水分離設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)決定；對(duì)雨滴粒徑分布、進(jìn)氣道水分離計(jì)算方法、擋水隔柵設(shè)計(jì)參數(shù)等進(jìn)行理論研究，有利于改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)的水分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高分離效率。

1? ? 雨滴粒徑分布

1.1? ?自然界雨滴分布譜

降雨強(qiáng)度是自然界降雨的重要特征，其按照每小時(shí)降雨量作為降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示[2]。

天然降雨的雨滴粒徑一般保持在0.1-6.0mm范圍內(nèi)[3]。根據(jù)大量觀測(cè)，服從馬歇爾-帕爾默譜分布（簡(jiǎn)稱M-P譜），表達(dá)式：

式中，（d）為直徑d的雨滴數(shù)量；N0=8×103（個(gè)/m3/mm）；?=4.1I -0.21；I為降雨強(qiáng)度。

依據(jù)式（1），通過控制雨滴粒徑及范圍，可積分計(jì)算直徑為（d+Δd）的雨滴在空氣中的體積分?jǐn)?shù)，從而繪制每種降雨量等級(jí)下的M-P譜。

利用Rosin-Rammler粒徑分布函數(shù)，M-P譜可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)（d）是累積分布函數(shù)，d為粒徑尺寸，dref為參考粒徑（也稱中位粒徑，累積分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑值，以下簡(jiǎn)稱D50），n為指數(shù)。

以暴雨工況為例，由式（1）、（2），雨滴M-P分布和Rosin-Rammler函數(shù)擬合如圖1。

1.2? ?進(jìn)氣系統(tǒng)雨滴粒徑分布

由于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣面通常與地面垂直，在風(fēng)力的作用下，實(shí)際進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的雨滴不會(huì)與觀測(cè)的降雨相同。為了解進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的實(shí)際雨滴分布特點(diǎn)，建立簡(jiǎn)化模型，如圖2，利用商用流體計(jì)算軟件Fluent模擬大氣降雨進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的過程，并考慮垂直于進(jìn)氣口的橫向風(fēng)力影響。

計(jì)算時(shí)，連續(xù)相選用Realizable k-ε模型，對(duì)流體介質(zhì)做以下假設(shè)：①介質(zhì)為不可壓縮氣體；②忽略雨滴顆粒相對(duì)流場(chǎng)的改變；③不考慮能量交換過程。邊界條件為：入口半圓面為速度進(jìn)口，大小即風(fēng)速；發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣面為質(zhì)量流量出口（1900m?/h），出口半圓面為自由出流。

雨滴顆粒視為離散相，求解采用DPM（Discrete Phase Model）離散相模型，即在拉格朗日坐標(biāo)系下，通過對(duì)顆粒作用力的微分方程進(jìn)行積分得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，適用于離散相總體積分?jǐn)?shù)很小的情況下（小于10%）[4]。離散相的顆粒運(yùn)動(dòng)方程[5]表達(dá)式為：

其中，mP是顆粒的質(zhì)量，VP是顆粒速度，F(xiàn)D是流場(chǎng)對(duì)顆粒的曳力，F(xiàn)C是顆粒與壁面間的作用力，F(xiàn)M是體積力，由重力產(chǎn)生。

雨滴顆粒相作以下假設(shè)：①雨滴視為球形顆粒，具有恒密度；②不考慮雨滴的蒸發(fā)、冷凝等相變，與空氣間不存在熱量交換。雨滴由降雨面釋放，其粒徑分布采用對(duì)數(shù)Rosin-Rammler函數(shù)描述。此處認(rèn)為雨滴遇到進(jìn)氣口壁面即黏附在壁面上，暫不考慮雨滴的飛濺、分離、成膜等流動(dòng)狀態(tài)。

如圖3（a），等值線為暴雨工況時(shí)雨滴D50值（D50=2.23mm），由Rosin-Rammler方程擬合得到，與風(fēng)速無(wú)關(guān)。曲線為暴雨工況、不同風(fēng)速時(shí)，計(jì)算到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的雨滴D50；其中最小風(fēng)速為6m/s，此時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的面速度；最大風(fēng)速為25m/s，為10級(jí)大風(fēng)，可視為極值。可以看出，進(jìn)氣口處收集到的雨滴顆粒D50隨橫向風(fēng)速增大而增大；越來越接近此工況的D50。

如圖3（b），為橫向風(fēng)速為6m/s時(shí)的雨滴顆粒軌跡?？梢钥闯?，粒徑越小的雨滴受流體曳力影響大，大部分都會(huì)隨氣流一起到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口；而大雨滴，在重力的作用下，很難到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口。

按以上簡(jiǎn)化模型計(jì)算方法，可推廣計(jì)算文中其他降雨和風(fēng)速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的雨滴粒徑分布范圍，限于篇幅不再贅述。計(jì)算可得到，所有工況下，90%以上的雨滴粒徑分布在0.1-4mm范圍內(nèi)；若去掉10級(jí)大風(fēng)的極端工況，95%以上的雨滴粒徑分布在0.1-3mm范圍內(nèi)，故此范圍內(nèi)的雨滴分離效率是進(jìn)氣道水分離設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2? ? 進(jìn)氣道水分離計(jì)算及影響因素

2.1? ?計(jì)算方法

前文為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為雨滴與進(jìn)氣道壁面接觸時(shí)，即黏附在壁面；但實(shí)際情況并非如此，當(dāng)液滴與壁面碰撞后，可能黏附于壁面，保持相對(duì)的球形；可能反彈，相對(duì)完整的離開壁面，只速度發(fā)生變化；也可能形成液膜，并繼續(xù)發(fā)生飛濺、鋪展、剝離、液膜破裂等一系列復(fù)雜行為。

為了描述進(jìn)氣道擋水結(jié)構(gòu)對(duì)雨滴的分離作用，研究進(jìn)氣道水分離效率，引入EWF（Euler Wall Film）壁面液膜模型[6]。并采用EWF-DPM耦合計(jì)算，其計(jì)算原理為：一是判斷液滴撞壁后，是否發(fā)生黏附或鋪展，如是則加入到液膜模型的源項(xiàng)，否則仍保留在DPM模型中；二是判斷液膜能否生成二次液滴，當(dāng)液膜在較高的剪切力作用，或滿足突變壁面的分離條件時(shí)，則產(chǎn)生飛濺液滴，返回DPM 模型。

不考慮能量傳遞，如下式（4） 、式（5）分別為液膜流動(dòng)的質(zhì)量方程和動(dòng)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是壁面單位面積上的質(zhì)量源項(xiàng)。

動(dòng)量方程右側(cè)第一項(xiàng)中PL=Pgas+Ph+P，反映了包括氣相壓力Pgas，沿液膜法向方向的重力Ph、液相表面張力P的影響。第二項(xiàng)反映了與液膜平行方向的重力作用，第三項(xiàng)反映了氣液交界面粘性剪切力的影響，第四項(xiàng)反映了粘性力對(duì)液膜的影響，第五項(xiàng)為液膜動(dòng)量源項(xiàng)。

2.2? ?進(jìn)氣道水分離計(jì)算

如圖4（a），為某發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)氣道一部分；利用利用商用流體計(jì)算軟件Fluent中的DPM-EWF耦合方法，計(jì)算其顆粒軌跡如圖4（b）。

分析參考了試驗(yàn)時(shí)的水滴粒徑分布，并擬合為Rosin-Rammler函數(shù)，D50=0.369mm，n=1.61。由水滴顆粒軌跡和液膜分布圖來看，分析較真實(shí)的反映了進(jìn)氣道內(nèi)的水分離情況。

由圖4（b）顆粒軌跡圖，粒徑在0.5mm以上的水滴顆粒很少進(jìn)入進(jìn)氣道，被隔柵擋住；較小粒徑水滴隨流體運(yùn)動(dòng)到出口，故對(duì)除隔柵外其他進(jìn)氣道水分離的設(shè)計(jì)，捕集粒徑0.1-0.5mm的雨滴應(yīng)為重點(diǎn)。

圖5（a）、（b）分別為T=0.1s和T=0.4s時(shí)的液膜分布，液膜最大厚度由0.03mm增長(zhǎng)到0.22mm（在隔柵位置），并可觀察到液膜的形成、增長(zhǎng)和滑落過程，故對(duì)進(jìn)氣道水分離的設(shè)計(jì)，應(yīng)在液膜形成和液膜較厚位置布置集水、排水結(jié)構(gòu)。

2.3? ?影響因素

由圖4（b）中顆粒軌跡圖，隔柵為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道最重要的擋水結(jié)構(gòu)，可將大部分的大雨滴顆粒擋在發(fā)動(dòng)機(jī)外。為研究隔柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)水分離效率的影響，定義隔柵角度為隔柵平面與進(jìn)氣道所在平面的銳角角度、隔柵高度為沿進(jìn)氣道方向隔柵結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。

利用分析軟件計(jì)算粒徑d=0.5mm時(shí)，隔柵高度為10mm，隔柵角度分別為30°、40°、50°、60°時(shí)，結(jié)果如圖6（a）；計(jì)算粒徑d=0.5mm時(shí)，隔柵角度為50°，隔柵高度分別為10mm、20mm、30mm時(shí)，結(jié)果如圖6（b）。

由圖6（a）、（b）可以看出，隨著隔柵角度減小、隔柵高度增大，分離效率會(huì)增大，但同時(shí)進(jìn)氣阻力也會(huì)增加。當(dāng)隔柵角度減小到40°以下時(shí)，阻力明顯增大；當(dāng)隔柵高度增加到20mm以上，分離效率不再提高；故隔柵角度在40-50°、隔柵高度在20mm內(nèi)比較合理。

3? ? 結(jié)論

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)雨水分離效率，對(duì)雨滴粒徑分布、進(jìn)氣道水分離計(jì)算方法和影響因素進(jìn)行理論研究，得到如下結(jié)論：

1）自然降雨的雨滴粒徑分布可通過Rosin-Rammler方程進(jìn)行簡(jiǎn)化；計(jì)算表明，大粒徑雨滴很難進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口，雨滴粒徑范圍隨工況變化而不同，多數(shù)情況下在0.1-3mm范圍內(nèi)；

2）DPM-EWF耦合模型可以較好的模擬進(jìn)氣道內(nèi)的水滴顆粒在重力、壁面剪切力、壓力梯度力、表面張力、液膜鋪展等作用下的顆粒軌跡和液膜分布；

3）對(duì)除隔柵外的進(jìn)氣道水分離設(shè)計(jì)，捕集粒徑0.1-0.5mm的雨滴應(yīng)為重點(diǎn)；并在液膜形成和較厚位置布置集水、排水結(jié)構(gòu)；

4）綜合考慮水分離效率和進(jìn)氣道流阻，隔柵角度在40-50°、隔柵高度在20mm內(nèi)是比較合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣水分離試驗(yàn)方法[S].QCT 1134-2020.

[2]吳小平.低層房屋風(fēng)雨作用效應(yīng)的數(shù)值研究[D].浙江大學(xué)，2008.

[3]楊俊濤，樓文娟. 風(fēng)驅(qū)雨CFD模擬及平均雨荷載計(jì)算方法研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，29（5）：7.

[4]Alex C. Hoffmann，Louis E. Stein著；彭維明，姬忠禮，譯.旋風(fēng)分離器—原理、設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5]王偉等. 基于STAR-CD的內(nèi)燃機(jī)空濾器內(nèi)顆粒軌跡研究[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（24）：29-32.

[6]岳題. 管柱式氣液分離器（GLCC）上部筒體氣液流動(dòng)行為及分離機(jī)理研究[D].中國(guó)石油大學(xué)（北京），2019.

專家推薦語(yǔ)

徐? ?輝

上海弗列加濾清器有限公司

技術(shù)專務(wù)總監(jiān)? 高級(jí)工程師

論文與公司主營(yíng)產(chǎn)品的核心技術(shù)要求緊密結(jié)合，研究方向聚焦，研究?jī)?nèi)容充實(shí)，方法切實(shí)有效，研究成果經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證符合實(shí)際工況。整個(gè)研究報(bào)告所提出來的理論依據(jù)均有相關(guān)公式作為佐證，并詳細(xì)列出四項(xiàng)研究成果。該研究課題符合公司產(chǎn)品需求，具有很大的研究?jī)r(jià)值。