15_油气分离CFD计算_长城王福志

迷宫式油气分离器的CFD分析
王福志
（长城汽车股份有限公司动力研究院，河北省保定市）
摘要：本文利用CFD的方法计算了两种迷宫式油气分离器的分离效率，根据计算结果选择最优方案，为油气分离器的开发提供理论依据
关键词：油气分离器，粒子直径，分离效率
主要软件：A VL FIRE
1 前言
油气分离器的分离效率高低直接影响发动的进气含油量，高进气含油量导致燃烧室积碳严重，从而影响发动机的性能。

EB01项目为我公司近期开发的一款单增压缸内直喷汽油机，由于在整机布置中增压器离缸盖罩比较近，为了防止高温损坏，缸盖罩采用铝合金材质，集成的迷宫式油气分离器相对简单，分离效率不高，因此需要增设外置分离器。

本次计算是对缸盖罩内迷宫式分离器进行分离效率分析，两种迷宫式分离器方案，分别计算20L/min，30L/min，40L/min三种活塞漏气量下，不同油粒子直径在两种分离器中的分离效率。

经过计算，得出方案一分离的油粒子在40μm以上时达到设计要求，而方案二分离的油粒子在30μm以上时达到设计要求，因此方案二优于方案一。

2 计算方法与计算参数
2.1 计算方法
气液两相流的数值模拟包括气相场和气液间的相互干扰计算，相互间干扰即气液两相间的动量，能量，质量的交换过程，常见的算法可以分为欧拉-欧拉型算法和欧拉-拉格朗日算法，欧拉-欧拉型算法比较繁琐，并且计算成本很高，因此，本计算采用欧拉-拉格朗日算法，即对气相流场采用欧拉方法进行计算，而对液滴的运动则采用拉格朗日方法进行跟踪计算。

首先对不同方案的油气分离器进行稳态流场计算，之后根据稳态流场结果，将不同直径的油粒子引入流场中，计算不同直径粒子的运动轨迹，待粒子在流场中稳定后，统计计算逃逸的粒子质量，引入流场的粒子质量，这样我们就得出了油气分离器的效率。

2.2 计算参数
根据发动机不同的负荷，选择20L/min，30L/min，40L/min三种活塞漏气量。

油粒子直径的大小对油气分离器的分离效果影响明显，研究文献表明，在重力作用下，当油气混合物的流速不是太快，大的油滴最终都会落到油气分离器的底部，油滴直径越小，其下落的时间就越长。

对于直径很小的润滑油微粒，却可以长时间悬浮在空气中，无法在自身重力的作用下从气体中分离出来，油气分离器的作用，就是尽可能地把这部分油滴分离出来，这部分油滴直径在1~50μm。

本次计算的例子直径分别为10μm，15μm，20μm，25μm，30μm，35μm，40μm，45μm。

3 FIRE的计算方法
3.1 计算模型
图1、图2分别为两种油气分离器方案，在网格划分过程中我们将进气口适当的延长，方案一分离器长度为370mm，方案二的总长度为280mm，方案一第一道挡板相比方案二较
浅，第二道挡板与第三道挡板之间距离相比方案二较大。

图1方案一分离器
图2方案二分离器
3.2 参数设定
进口采用质量流量，油气温度为60℃，密度为1.06kg/m3，流量分别为20L/min，30L/min，40L/min，出口压力1bar。

计算网格采用FAME进行划分，两层边界层，流速较大区域网格适当加密。

压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，湍流模型k_zeta_f，混合壁面处理函数。

3.3 分离效率的评价
油粒的引入采用on section的方法，根据进气歧管对油气分离器分离效果的要求，即进气中最大含油量为1g/h，因此在计算过程中设定油气分离器入口进油量为10g/h时，此时油气分离器的分离效率标准为90%，即分离效率在90%以上所对应的粒子直径才能满足油气
分离器的设计要求。

4 速度场与分离效率统计
4.1 方案一速度场
图3 方案一速度矢量图
图4 方案一局部放大图
布，随着流量的增加流速升高，涡流的强度逐渐增强。

第一道挡板与进气管之间的距离较大，不利于粒子的碰壁分离，第二挡板与第三挡板之间的距离较大，不利于粒子的分离。

4.2方案二速度场
图5 方案二速度矢量图
图6 方案二局部放大图
布，随着流量的增加流速升高，涡流的强度逐渐增强。

第一道挡板与进气管之间的距离明显减小，第二挡板与第三挡板之间的距离同样有所减小，有利于粒子的分离。

4.3 分离效率统计
当稳态速度场计算完毕，分别将直径为10μm ，15μm ，20μm ，25μm ，30μm ，35μm ，40μm ，45μm 的粒子引入两种方案油气分离器稳态流场中，待粒子在流场中稳定后（remaining 斜率等于零），得到图7不同粒子状态质量随时间变化的曲线，然后可以根据：引入油量变化率
逃逸油量变化率分离效率−=1
图7 粒子状态随时间的变化曲线
根据上述计算方法进行统计计算，得到不同粒子直径不同流量下两种方案的分离效率。

图8 方案一分离效率统计
图9 方案二分离效率统计
图8、图9分别说明了在同一粒子直径下，随着流量的增加，分离效率升高。

方案一达到分离效率90%以上所对应的粒子直径在40μm以上，而方案二达到分离效率90%以上所对应的粒子直径在30μm以上，可见方案二在分离30~40μm之间的粒子直径时效果好于方案一。

图10 不同流量下压力损失
图10所示为不同流量下两种方案的压力损失，从分离效率来看方案二要好于方案一，但在压力损方面方案二略大于方案一。

4.4油粒子在流场中的分布
在分离效率统计计算中，得出方案二分离效率高于方案一，为了找出方案二中起主要分离作用的位置，我们选取30μm直径的油粒子在相同流量下不同方案中的运动轨迹，结果发现方案二粒子的逃逸量明显小于方案一，起主要作用的位置在第一道挡板处，由于方案二第一道挡板较深，能有效的增大粒子的碰壁可能，使其分离效率提高。

图11 粒子在流场分布
4.5外置油气分离器
从计算结果可以看出方案二在分离30μm以上粒子直径时效率较高，而在1~30μm的粒子分离不出来，因此需要增加外置分离器，现在设计的外置分离器有两种方案，分别为离心式分离器或滤芯式分离器，见图12。

图12 外置油气分离器
5 结论
（1）从分离粒子的区间来看，方案一分离区间在40μm以上时才达到90%以上的分离效率，而方案二分离区间为30μm以上时就能达到90%以上的分离效率。

（2）随着流量的增加，两种方案都呈现出在相同粒子直径下分离效率升高的趋势。

（3）压力损失方面，随着流量的增加，压力损失成二次方增大，方案二压损略大于方案一。

（4）第一道隔板间隙减小对分离效率起到主要作用。

（5）由于内置分离器达不到理想的分离效果，必须增加外置油气分离器。

（6）随着油气温度的升高，气体密度降低，气体流量降低，分离效率降低，因此高负荷运行时更能体现出外置分离器的作用。

参考文献
[1]《摩托车油气分离器模拟分析及实验验证》，胡景彦，2008年AVL论文集。