雷志良 余林輝 李濟(jì)哲

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，民機(jī)火災(zāi)科學(xué)與安全工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 廣漢 618307）

隨著民航事業(yè)迅猛發(fā)展，航空燃油質(zhì)量控制也成為民航事業(yè)的重點(diǎn)。在噴氣燃料的使用過(guò)程中，因燃料浸水導(dǎo)致的飛行事故約占油料事故的30%。噴氣燃料中的水分和顆粒污染嚴(yán)重威脅了飛機(jī)的飛行安全，迫切需要通過(guò)提高噴氣燃料過(guò)濾分離器的性能來(lái)保證噴氣燃料質(zhì)量。

目前，在設(shè)計(jì)過(guò)濾器的過(guò)程中，基本上還是根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，不注重研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)中的流場(chǎng)特性。計(jì)算流體力學(xué)不僅可以取代各種常規(guī)試驗(yàn)，提供各項(xiàng)流體流動(dòng)特性的參數(shù)值，還可以揭示產(chǎn)品內(nèi)部流體流場(chǎng)的詳細(xì)分布情況。在數(shù)值仿真方面，Rebai 等[1]提出一種氣體過(guò)濾中空濾器堵塞的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法預(yù)測(cè)由堵塞導(dǎo)致的壓降變化。彭松偉等[2]利用Fluent 軟件研究了濾芯形狀、濾芯褶數(shù)和濾芯內(nèi)外直徑對(duì)空氣濾清器流通阻力損失和流場(chǎng)的影響規(guī)律。由現(xiàn)有研究結(jié)果可知，通過(guò)模擬方法研究噴氣燃料過(guò)濾分離器內(nèi)部流場(chǎng)的分布可以為濾芯的材料選擇和過(guò)濾分離器的優(yōu)化提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 建立和模擬過(guò)濾分離器模型

1.1 建立幾何模型

該文利用SolidWorks 對(duì)過(guò)濾分離器進(jìn)行建模，研究的模型為5 支聚結(jié)濾芯和2 支分離濾芯邊對(duì)邊布置的立式聚結(jié)過(guò)濾器，總流量為90 m3/h。具體幾何尺寸見(jiàn)表1，模型如圖1 所示。

1.2 設(shè)置理論公式和邊界條件

流體模擬需要遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律以及能量守恒定律[3]。由于該文不涉及過(guò)濾分離器內(nèi)部溫度和能量的變化，因此不考慮能量守恒定律。此外，該研究中噴氣燃料含有水分和雜質(zhì)的比例很低，因此將其看作單相層流流動(dòng)。

質(zhì)量守恒定律如公式（1）所示。

式中：u、v以及w分別為x、y以及z方向上的速度分量。

x方向、y方向以及z方向的動(dòng)量守恒定律分別如公式（2）～公式（4）所示。

式中：p為流體微元上的壓力；f為作用在單位質(zhì)量流體微團(tuán)上的體積力；ρ為液體的密度。

在Fluent 軟件中設(shè)置的邊界條件見(jiàn)表2。

表2 邊界條件的設(shè)置

1.3 多孔介質(zhì)及算法的選擇

多孔介質(zhì)模型通過(guò)在動(dòng)量方程中增加源相來(lái)模擬計(jì)算域中多孔性材料對(duì)流體的流動(dòng)阻力，該動(dòng)量源項(xiàng)由黏性阻力項(xiàng)和慣性阻力項(xiàng)組成，當(dāng)多孔介質(zhì)簡(jiǎn)單且均勻時(shí)，如公式（5）所示。

式中：SI為i方向（x、y、z）的動(dòng)量源項(xiàng)；k為滲透率；C2為內(nèi)部阻力因子；μ為動(dòng)力黏度；vj為3 個(gè)方向的分速度。

通過(guò)文獻(xiàn)[4]可以得到聚結(jié)濾芯和分離濾芯的滲透率分別為1.7×10-11m2和1.82×10-8m2。采用SIMPLE 算法計(jì)算壓力流速耦合方程，采用二階迎風(fēng)格式離散對(duì)流插值項(xiàng)[5]。

2 模型驗(yàn)證

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)值研究前，先對(duì)網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證，以確保當(dāng)前網(wǎng)格的準(zhǔn)確性，將出口的平均速度作為評(píng)價(jià)網(wǎng)格粗細(xì)的研究變量，結(jié)果如圖2 所示。由圖2可知，在網(wǎng)格數(shù)量由3 465 個(gè)增至1 520 532 個(gè)的過(guò)程中，出口速度呈現(xiàn)先遞增后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為1 063 656 時(shí)，出口速度基本不再變化。因此，該文采用1 063 656 個(gè)網(wǎng)格對(duì)噴氣燃料過(guò)濾分離器內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究。

圖2 出口速度與網(wǎng)格數(shù)目的關(guān)系

2.2 模擬方法驗(yàn)證

該文采用API/IP1582[6]提出的SFM 簡(jiǎn)化模型計(jì)算各部分的流動(dòng)速度，以檢驗(yàn)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，SFM 模型中濾芯位置分布如圖3 所示。

圖3 濾芯位置分布圖

利用Fluent 模擬計(jì)算C2-C3 的線(xiàn)速度為0.061 m/s，與由SFM 模型計(jì)算的參照速度（0.058 m/s）相比，其誤差為5%，其余各線(xiàn)上速度都是相似的，因此，該文采用的模擬方法是可靠的，可以對(duì)噴氣燃料過(guò)濾分離器內(nèi)部流場(chǎng)速度進(jìn)行仿真。

3 結(jié)果與討論

3.1 高度對(duì)過(guò)濾分離器流場(chǎng)影響的分析

3 個(gè)不同高度（y=250 mm、y=500 mm 以及y=700 mm）橫截面內(nèi)流體的速度云圖如圖4 所示。由圖4 可知，聚結(jié)濾芯與分離濾芯之間的速度比較大，噴氣燃料流速分布不均勻，分別在3 個(gè)橫截面（y=250 mm、y=500 mm 以及y=700 mm）內(nèi)相同位置建立線(xiàn)段C1～C2 表示聚結(jié)濾芯與聚結(jié)濾芯之間的距離，線(xiàn)段 C1-S1 表示聚結(jié)濾芯與分離濾芯之間的距離，線(xiàn)段 C1-W 表示聚結(jié)濾芯與筒壁之間的距離，線(xiàn)段S1-S2 表示2 個(gè)分離濾芯之間的距離，這些線(xiàn)段上的速度分布如圖5 所示。

圖4 y=250 mm、y=500 mm 以及y=700 mm 截面內(nèi)流體的速度云圖

圖5 不同高度處沿線(xiàn)速度分布

由圖5 可知，對(duì)聚結(jié)濾芯與聚結(jié)濾芯之間的線(xiàn)段（C1-C2）來(lái)說(shuō)，隨著高度增加，兩者之間相同位置上的流場(chǎng)流速變小，聚結(jié)濾芯與筒壁之間線(xiàn)段（C1-W）的流場(chǎng)流速也變小。對(duì)聚結(jié)濾芯與分離濾芯之間的線(xiàn)段（C1-S1）來(lái)說(shuō)，越靠近分離濾芯位置的流場(chǎng)流速隨著高度增加而變小，在2 個(gè)分離濾芯之間的線(xiàn)段（S1-S2）中部位置的流場(chǎng)流速也隨著高度增加而變小。

3.2 入口流量對(duì)過(guò)濾分離器流場(chǎng)的影響

取y=250mm 截面內(nèi)線(xiàn)段C4-C5 作為研究對(duì)象，通過(guò)改變噴氣燃料過(guò)濾分離器的入口流量來(lái)研究入口流量對(duì)過(guò)濾分離器流場(chǎng)的影響，不同工況下入口流量的設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 不同工況下入口流量的設(shè)置（單位：m3/h）

不同工況下y=250 mm 截面內(nèi)線(xiàn)段C4-C5 上的速度云圖如圖6 所示。將編號(hào)1 的流量作為參照對(duì)象，編號(hào)4 線(xiàn)段C4-C5 上的流速較低，流速較低會(huì)使過(guò)濾分離器對(duì)油水的聚結(jié)分離作用更高效。因此，過(guò)濾分離器中5 支聚結(jié)濾芯最佳的入口流量分別為12 m3/h、29 m3/h、29 m3/h、12 m3/h以及8 m3/h。

3.3 分離濾芯對(duì)過(guò)濾分離器流場(chǎng)的影響

對(duì)過(guò)濾分離器來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部流場(chǎng)分布越均勻，分離的效果就越好。當(dāng)分離濾芯滲透率不同時(shí)，y=250 mm 截面內(nèi)2個(gè)聚結(jié)濾芯之間線(xiàn)段C4-C5 上的速度分布如圖7 所示。由圖7 可知，隨著滲透率增加，線(xiàn)段C4-C5 上的速度逐漸增加。滲透率較低的曲線(xiàn)更平滑，速度分布更均勻，流速也更低。對(duì)分離濾芯來(lái)說(shuō)，較低的流速會(huì)延長(zhǎng)噴氣燃料通過(guò)過(guò)濾層的時(shí)間，更均勻的流速會(huì)使分離濾芯的過(guò)濾分離效果更好。

圖7 當(dāng)分離濾芯滲透率不同時(shí)y=250 mm 截面內(nèi)線(xiàn)段C4-C5的速度分布圖

3.4 聚結(jié)濾芯對(duì)過(guò)濾分離器流場(chǎng)的影響

當(dāng)聚結(jié)濾芯滲透率不同時(shí)，y=250 mm 截面內(nèi)2 個(gè)聚結(jié)濾芯之間線(xiàn)段C4-C5 上的速度分布圖如圖8 所示。由圖8 可知，當(dāng)聚結(jié)濾芯滲透率較低時(shí)，線(xiàn)段C4-C5 上的速度比較低。對(duì)聚結(jié)濾芯來(lái)說(shuō)，玻璃纖維越細(xì)，孔隙越小，滲透率就越低，較低的流速會(huì)延長(zhǎng)噴氣燃料通過(guò)聚結(jié)濾芯的時(shí)間，最終提高過(guò)濾分離器的分離效率。因此，聚結(jié)濾芯的滲透率越低，其聚結(jié)分離效果越好。

圖8 當(dāng)聚結(jié)濾芯滲透率不同時(shí)y=250 mm 截面內(nèi)線(xiàn)段C4-C5 的速度分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

該文采用單相層流和多孔介質(zhì)模型，通過(guò)數(shù)值仿真技術(shù)研究立式過(guò)濾分離器的不同高度、入口流量以及濾芯滲透率對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)流速的影響，得到的結(jié)論如下：1） 在聚結(jié)濾芯與聚結(jié)濾芯之間、聚結(jié)濾芯與筒壁之間、2 個(gè)分離濾芯之間以及聚結(jié)濾芯與分離濾芯之間相同的位置上，流體流速隨高度增加而變小。2） 聚結(jié)濾芯的入口流量會(huì)影響過(guò)濾分離器內(nèi)部流場(chǎng)的分布，存在最佳的入口流量使過(guò)濾分離器內(nèi)部的流場(chǎng)更均勻。3） 分離濾芯和聚結(jié)濾芯滲透率越低，過(guò)濾分離器內(nèi)部的流場(chǎng)流速越低，流場(chǎng)流速分布越均勻，聚結(jié)分離效果就越好。