張富毅,顧辰辰,2,曹競(jìng)飛,2,奚競(jìng)杰,王衡,馬寧,2,劉陳

(1.上海船用柴油機(jī)研究所,上海 200090;2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室,上海 200090;3.迪諾拉電極(蘇州)有限公司,江蘇 蘇州 215000)

圖1 油霧探測(cè)器測(cè)量室

在實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn),油霧進(jìn)入測(cè)量室后,具有一定數(shù)量的油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源的壁面上,影響光信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度,降低油霧濃度的測(cè)量精度,最終可能導(dǎo)致油霧探測(cè)器預(yù)警作用失效。為此,采用CFD-DPM方法對(duì)測(cè)量室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型設(shè)計(jì),通過改變油霧顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡來減少附著在發(fā)生源和接收源壁面上的油霧顆粒數(shù)量,提高油霧探測(cè)器測(cè)量精度,采用試驗(yàn)方法驗(yàn)證改型設(shè)計(jì)方案的有效性。

1 數(shù)值計(jì)算模型

油霧探測(cè)器測(cè)量室流動(dòng)包括連續(xù)空氣和離散油霧顆粒,是一種典型的2相流問題,本文采用歐拉-拉格朗日框架下的CFD-DPM方法求解計(jì)算。

1.1 計(jì)算模型

原型測(cè)量室和兩種改進(jìn)型測(cè)量室的計(jì)算模型見圖2,除測(cè)量室外,考慮到計(jì)算的收斂性,還包括進(jìn)口管路和出口管路。方案一是在原型基礎(chǔ)上切除了發(fā)生源和接收源下方的區(qū)域,方案二是在方案一的基礎(chǔ)上在發(fā)生源和接收源兩側(cè)布置了兩塊隔板,并切除了兩塊隔板之間、發(fā)生源和接收源上方區(qū)域。

圖2 計(jì)算模型

采用多面體網(wǎng)格劃分計(jì)算域網(wǎng)格,最小網(wǎng)格尺寸為0.02 mm,最大網(wǎng)格尺寸為0.1 mm,3種計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)均保持在約100萬,網(wǎng)格質(zhì)量均在0.4以上。方案二計(jì)算域網(wǎng)格,見圖3。

圖3 方案二測(cè)量室網(wǎng)格

1.2 求解設(shè)置

如圖2a)所示,進(jìn)口相對(duì)總壓為10 Pa,出口相對(duì)靜壓分別為0、-300、-600、-900和-1 200 Pa,其余為無滑移壁面,參考?jí)毫?01 325 Pa。油霧顆粒以0.4 m/s的速度在彎管入口釋放,假設(shè)顆粒為球形,并且不考慮油霧顆粒破碎現(xiàn)象,粒徑分布符合Rosin-Rammler規(guī)律[8-9],分布函數(shù)為

(9)

采用穩(wěn)態(tài)雙向耦合計(jì)算,同時(shí)考慮連續(xù)相對(duì)離散相以及離散相對(duì)連續(xù)相的影響,壓力-速度耦合采用Coupled算法,離散格式采用二階迎風(fēng)格式,收斂精度為10-5。

2 數(shù)值結(jié)果分析

進(jìn)氣口空氣質(zhì)量流量隨出口相對(duì)壓力的變化規(guī)律見圖4。

對(duì)兩組患者在臨床治療過程中的血糖情況進(jìn)行檢測(cè)和比較，同時(shí)對(duì)患者的神經(jīng)疼痛度通過VAS評(píng)分[5]進(jìn)行評(píng)價(jià)，最高為10級(jí)，等級(jí)越高表示疼痛度越高[6]。同時(shí)對(duì)患者的血糖指標(biāo)情況進(jìn)行對(duì)比，從護(hù)理前后的餐后2小時(shí)進(jìn)行比較。對(duì)患者的用藥依從性進(jìn)行對(duì)比，其中用藥依從性采用本院自制依從性評(píng)定量表進(jìn)行評(píng)定，總分100分，依從性等級(jí)分為3級(jí)，分為完全依從（70～100分）、部分依從（40～70）和不依從（0～40分）三個(gè)等級(jí)，分?jǐn)?shù)越高表示患者的依從性越高，在臨床上能夠更好的按照醫(yī)生的要求來進(jìn)行相關(guān)的活動(dòng)。

圖4 進(jìn)氣口流量隨出口壓力變化趨勢(shì)

由圖4可知,進(jìn)氣口的質(zhì)量流量隨著壓力的增大逐漸減小,并且各工況下,3種測(cè)量室進(jìn)氣口質(zhì)量流量基本一致。

兩個(gè)吹氣口空氣質(zhì)量流量的平均值隨出口相對(duì)壓力的變化規(guī)律見圖5。

圖5 吹氣口平均流量隨出口壓力變化趨勢(shì)

由圖5可知,吹氣口的質(zhì)量流量隨著壓力的增大而減小;對(duì)比3種測(cè)量室可以發(fā)現(xiàn),各工況下,原型測(cè)量室吹氣口質(zhì)量流量均高于兩種改進(jìn)型測(cè)量室,而方案一和方案二測(cè)量室吹氣口質(zhì)量流量基本一致,說明吹起口質(zhì)量流量主要受發(fā)生源和接收源下方區(qū)域的影響。

3種測(cè)量室在出口相對(duì)壓力為0、-600和-1 200 Pa工況下軸面速度分布見圖6。

圖6 軸面速度分布

由圖6可知,3種測(cè)量室在各工況下的速度分布基本一致,由于出口的負(fù)壓作用和吹氣口的吹掃作用,測(cè)量室中間位置及吹氣口上方區(qū)域速度較高,其余位置速度較低,隨著出口壓力下降,速度場(chǎng)均增大。

3種測(cè)量室在出口相對(duì)壓力為0、-600和-1 200 Pa工況下軸面油霧顆粒分布見圖7。

圖7 軸面油霧顆粒分布

由圖7可知,各工況下,原型測(cè)量室和方案一測(cè)量室的發(fā)生源和接收源附近均有油霧顆粒聚集,而方案二測(cè)量室的油霧顆粒主要集中在中間位置,發(fā)生源和接收源附近基本無油霧顆粒存在;此外,吹氣口可以防止油霧顆粒在發(fā)生源和接收源附近聚集,一定程度上降低了油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面的可能性。

表1～3為不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的油霧顆粒數(shù)量分布情況,“逃逸”表示油霧顆粒通過出口離開計(jì)算域,“捕捉”表示油霧顆粒被發(fā)生源或接收源壁面捕獲并附著在上面,游離表示油霧顆粒彌散在計(jì)算域內(nèi)部。由表1～3可知,進(jìn)入計(jì)算域的油霧顆粒共計(jì)7 530個(gè)(由進(jìn)口網(wǎng)格數(shù)量決定),隨著出口壓力降低,逃逸的顆粒數(shù)量逐漸增多,捕捉和游離的顆粒數(shù)量逐漸減少。這是因?yàn)槌隹趬毫υ降?出口空氣的質(zhì)量流量越大,測(cè)量室內(nèi)部速度場(chǎng)越大,導(dǎo)致更多的油霧顆?？梢愿S空氣流出計(jì)算域。由此可知,出口壓力越低,測(cè)量室的性能越好。

表1 原型測(cè)量室不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)油霧顆粒數(shù)量

表2 方案一測(cè)量室不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)油霧顆粒數(shù)量

表3 方案二測(cè)量室不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)油霧顆粒數(shù)量

對(duì)比各工況下3種測(cè)量室不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的油霧顆粒數(shù)量,發(fā)現(xiàn)原型測(cè)量室均存在較多數(shù)量的油霧顆粒被捕捉,各工況下被捕捉的數(shù)量均大于15;方案一測(cè)量室被捕捉的油霧顆粒數(shù)量大幅下降,各工況下被捕捉的數(shù)量均小于5,測(cè)量室性能得到一定程度的提升;方案二測(cè)量室被捕捉的油霧顆粒數(shù)量進(jìn)一步減少,僅在出口相對(duì)壓力為0時(shí)被捕捉1個(gè)顆粒,其余工況均無油霧顆粒被捕捉,說明測(cè)量室具有良好的性能,無油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面上。

結(jié)合圖6、7進(jìn)一步分析可知,原型測(cè)量室的發(fā)生源和接收源附近為空曠的區(qū)域,油霧顆粒進(jìn)入測(cè)量室后可通過四周方向向發(fā)生源和接收源上附著;方案一測(cè)量室阻斷了油霧顆粒從下方向向發(fā)生源和接收源附著,但是上方和前后方并未阻斷,因此具有一定的效果;方案二測(cè)量室則在發(fā)生源和接收源四周均阻斷,有良好的效果。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

分析數(shù)值結(jié)果可知,方案二測(cè)量室在各工況下均可有效防止油霧顆粒的附著,為此,展開油霧探測(cè)器測(cè)量室防污試驗(yàn),驗(yàn)證方案二測(cè)量室的性能,并與原型測(cè)量室進(jìn)行對(duì)比。原型測(cè)量室的外輪廓不改變,使用3D打印技術(shù)得到方案二測(cè)量室的內(nèi)部結(jié)構(gòu),見圖8。

圖8 方案二測(cè)量室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)在上海船用柴油機(jī)研究所油霧探測(cè)器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行,試驗(yàn)臺(tái)見圖9,包括油霧發(fā)生裝置[7]、風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、油霧保持容器、油霧探測(cè)器、控制面板等。

圖9 油霧探測(cè)器試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)主要過程如下:將油霧發(fā)生裝置升溫至500～600 ℃,注入10～20 mL柴油,產(chǎn)生粒徑小于0.005 mm的油霧顆粒,通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入油霧保持容器,開啟風(fēng)扇使油霧均勻分布;待油霧通入完畢后,關(guān)閉風(fēng)機(jī),在玻璃箱右側(cè)壁面上安裝6個(gè)油霧探測(cè)器(原型測(cè)量室和方案二測(cè)量室各3個(gè)),在控制面板上讀取此時(shí)的油霧濃度;容器內(nèi)的油霧通過測(cè)量室持續(xù)向外界排放,待容器內(nèi)油霧抽光所有油霧(約3 h),讀取此時(shí)的油霧濃度。重復(fù)5次試驗(yàn),每次試驗(yàn)前對(duì)控制面板的讀數(shù)進(jìn)行校零。分析數(shù)值結(jié)果可知,出口相對(duì)壓力為0時(shí),測(cè)量室性能最差,因此試驗(yàn)只針對(duì)該工況展開分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 油霧濃度試驗(yàn)結(jié)果 mg/L

由表4可知,每次通入油霧之后,兩種類型測(cè)量室均具有一定數(shù)量的油霧質(zhì)量濃度,此時(shí)測(cè)量室存在油霧顆粒時(shí)間較短,發(fā)生源和接收源壁面尚未有油霧顆粒附著,讀數(shù)為測(cè)量室內(nèi)真實(shí)的油霧質(zhì)量濃度,由于6個(gè)油霧探測(cè)器安放位置及每次通入柴油體積的不同,導(dǎo)致油霧質(zhì)量濃度存在差異。經(jīng)3 h左右的抽氣后,油霧保持容器及測(cè)量室內(nèi)部已基本無油霧殘留,為確保測(cè)量室內(nèi)部油霧完全抽光,讀數(shù)前使用吹氣裝置對(duì)測(cè)量室進(jìn)行吹掃;每次抽光之后,原型測(cè)量室依然具有一定的油霧質(zhì)量濃度,而此時(shí)測(cè)量室內(nèi)部無油霧顆粒,說明發(fā)生源或接收源壁面附著一定數(shù)量的油霧顆粒,導(dǎo)致讀數(shù)無法回零;而方案二測(cè)量室此時(shí)的讀數(shù)均回零,表明發(fā)生源或接收源壁面無油霧顆粒附著,達(dá)到了測(cè)量室改型設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)論

原型測(cè)量室有較多油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面,方案一測(cè)量室附著的油霧顆粒大幅減小但依然存在,方案二測(cè)量室基本無油霧顆粒附著在發(fā)生源或接收源壁面;對(duì)原型和方案二測(cè)量室進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,當(dāng)抽光油霧時(shí),原型測(cè)量室油霧質(zhì)量濃度讀數(shù)無法回零,而方案二測(cè)量室的油霧質(zhì)量濃度讀數(shù)均回零,證明原型測(cè)量室的發(fā)生源或接收源壁面有油霧顆粒附著,而方案二測(cè)量室的發(fā)生源和接收源壁面無油霧顆粒附著。方案二測(cè)量室可有效避免油霧顆粒附著在發(fā)生源和接收源壁面上,有利于提高油霧探測(cè)器的測(cè)量精度,達(dá)到改型設(shè)計(jì)的目的。