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1、 内内燃机燃机学学报报 TRANSACTIONS OF CSICE 1999年 第17卷 第2期 vol.17 No2. 1999 二级空气滤清器中旋风分离器流场的数值模拟二级空气滤清器中旋风分离器流场的数值模拟 黄虹宾 刘淑艳 郑世琴 闫为革 摘要摘要 针对特种车辆内燃机上广泛使用的由旋风分离器和油浴过滤器 组成的二级空气滤清器工作环境含尘量或含砂量大、使用寿命短的问 题,提出利用气体动力学和计算流体力学的理论来选择旋风分离器的 结构参数,提高旋风分离器的分离效率。文中用N-S方程和两方程模型 来预测旋风分离器的流场。计算中采用零方程模型确定初始的涡粘系 数的分布,用低雷诺数模型计算近壁区的
2、流场,用高雷诺数模型计算 紊流旺盛区的流场,得到了与实测值相吻合的计算结果。 关键词关键词 二级空气滤清器;旋风分离器流场;N-S方程;k-模型;数值 模拟 Calculation for the Cyclone Flow Field in Two-Stage Filter Huang Hongbin Liu Shuyan Zheng Shiqin Yan Weige (School of Vehicular Engineering,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081) Abstract The large dust content
3、in the environmental of the two-stage filter used on special vehicle which consists of cyclones and oil bath air cleaner results in the short service life of the filter,so the select method was put forward by use of aerodynamics and computational fluid mechanics for increasing the separating efficie
4、ncy of the filter in this paperThe N-S Equations and k- model were raised for calculating the cyclone flow field In the process,mean velocity field model was used to compute the initial values of turbulent viscosity coefficient,k- low Reynolds number model was for calculating the region near the wal
5、l,and high Reynolds number model was used for calculating the high turbulent regionThe computational results are almost same with the experimental data Key words Two-stage filter;Flow field of cyclone;N-S equations;k- model;Calculation 符号说明符号说明 cV气体的等容比热容; h,k x轴向,r轴向步长; E单位容积气体的总能量; k紊流动能; p,T气体压强,
6、温度; 引言引言 在某些特殊用途的车辆如矿山车辆、沙漠车辆和军用装甲车辆的 内燃机上,广泛使用由旋风分离器和油浴过滤器组成的二级空气滤清 器1。由于工作环境含尘量或含砂量大,这类空气滤清器的使用寿 命很短,一般在(50100) h。要提高其使用寿命,有效的方法之一 是提高旋风分离的分离效率。目前直接计算旋风分离器(简称旋风筒) 的滤清效率比较困难。因此主要从流场的情况来判断设计方案的好 坏,例如,短路流和较强的二次流会严重影响分离效率,较强的切向 速度意味着高的分离效率和能耗,而较大的轴向速度则意味着低的分 离效率和能耗等。 旋风筒的结构参数如进气口尺寸、排气管尺寸、筒体直径、锥体 长度及灰斗
7、的尺寸直接影响分离效率。为研究结构参数的影响,本文 提出了用N-S方程和两方程模型来模拟旋风筒的流场。计算过程中没有 考虑内燃机间歇进气过程对旋风筒流动的影响,这是因为目前模拟旋 风筒脉动流动过程还比较困难。 对有边界的流动,壁面附近比远离边界处气体的雷诺数低很多。 在高雷诺数区域,层流粘性系数与涡粘系数相比可忽略不计;但在与 壁面相邻接的粘性支层内,雷诺数很低,须考虑分子粘性的影响。低 雷诺数的k-方程是由Launder2等人对高雷诺数的k-方程加以修正 得到的。该模型考虑了某些经验系数与紊流雷诺数的关系,而非紊流 旺盛区内这些系数取为常数;在粘性支层内总耗散率的各向异性对流 体作用逐渐增加
8、,各向同性成分则为0。考虑到近壁面区域紊流脉动动 能耗散率不为0的特点,在输运方程中计入壁面附近紊流脉动动能的耗 散因素。此后,Hoffman3等人对上述模型作了修改,删去了两个输 运方程的附加项,对系数表达式作了调整。 现有各种低雷诺数的两方程模型在预测紊流流场特性方面很成 功,但在确定紊流脉动动能的分布上却不理想。Patel4用数种低雷 诺数模型计算管流,在紊流旺盛区,k的计算值都比实测值低25,且 完全N-S方程组包含的项数多,求解费时,尤其是求解壁面附近粘性支 层的流动,由于该区域内速度梯度和温度梯度都很大,需要布置相当 多的节点,需要较多计算时间和计算机内存。为避免用低雷诺数模型 计
9、算流道中心处的缺点,本文将壁面附近和远离壁面的流动分开处 理,采用低雷诺数模型计算近壁面区域,用高雷诺数模型计算离开壁 面一定距离的紊流区域。 r柱坐标中的径向; t时间; u ,v x轴向,r轴向脉动速 度; y空间y轴向; 层流气体的热传导系数; 层流气体的动力粘度; 气体的运动粘度; 时间步长; u,v流场中x轴向,r轴向的速 度; x空间x轴向; 气体密度; t紊流气体的热传导系数; t紊流气体的动力粘度; 能量耗散率。 1 旋风筒流场的测定1 旋风筒流场的测定 试验用模型为100 mm的蜗壳式旋风筒,其结构见图1。旋风筒流 场的试验装置如图2所示。该模型为涡壳进气型式。这种型式的旋风
10、筒 滤清效率比带导流叶片的轴向进气的旋风分离器(被称作旋风子)效率 高。它是对12150型柴油机空气滤清器旋风筒的改进设计。原空气滤旋 风筒数量多,直径小,每个旋风筒直径只有40 mm,造成较大的进气阻 力。本文作者对旋风筒结构做了优化处理,使直径增大到100 mm,而 滤清效率基本不变。有关这方面资料将另文介绍。 图1 试验用旋风筒结构图 图2图2 旋风筒试验装置示意图 2 数学模型2 数学模型5 21 高雷诺数模型 5 21 高雷诺数模型 二维坐标系中控制方程的形式为 由上式得到各控制方程的具体形式: 式中:t; C009。 22 低雷诺数模型22 低雷诺数模型 考虑到2阶导数项中粘性主要
11、表现在法向的 t项中,可略去沿 流向 x的各粘性项。简化的低雷诺数模型如下: 式中:t; A0016 5。 3 无因次化控制方程3 无因次化控制方程 取特征长度L为筒体直径,特征速度为进口速度V0,特征密度为进 口密度0,特征粘性系数为进口的粘性系数0,0,ReV0L v,则得到各无因次量: 代入到式(2)式(15)中,经推导并略去单引号,得到无因次的方程 组(为节省篇幅,文中没有列出无因次方程的形式)。 4 方程组的离散化4 方程组的离散化 非定常可压Euler方程组是时间双曲型,可沿时间推进求解。设想 N-S方程组中粘性作用渐趋微弱,那么它们应具有Euler方程组的主要 性质;式(1)中粘
12、性项具有时间抛物性,故非定常可压N-S方程组为抛 物-双曲型,可沿时间推进求解。方程组的离散可采用隐式差分格式和 显式差分格式。隐式差分格式常用近似因式即AF格式,粘性流AF格式 的稳定性较差。本文拟采用马考马克格式的显式差分格式。由物理意 义知,粘性和传热现象在空间是向四面八方扩散的,故采用空间中心 差分。差分格式中的预估步和校正步都采用空间中心差分;对不易做 到两步都为中心差分的项如uyx等项,预估步采用上游差分而校正步采 用下游差分,使总的效果仍是中心差分。由于在粘性项上也用了中心 差分,那么该差分格式的精度是2级精度。 N-S方程的稳定条件尚不能由解析法作严格推导。考虑到Euler方
13、程的MacCormack格式的稳定条件是 和二维扩散方程的稳定条件是 方程的稳定条件可半经验取为 5 定解条件5 定解条件 式(1)是沿时间轴t的双曲型方程,须给出时间上游参数的初始条 件,并沿时间轴推进求解;对空间轴,亚音速流动的下游反压会影响 上游流动,因此应给出上游边界条件和下游一个参数p的边界条件:气 流为粘性流体,故物面边界气流u0,v0,k0,0;沿旋风筒轴 向壁面曲率为0,即 p n0;假设壁面为绝热壁,有 T n0; 由于空间上游边界上的pn10和下游边界上的n1j、un1j和vn1j无 法求解,需要给出补充边界条件即pn10、n1j、un1j和vn1j的 值。为获得合理的涡粘
14、系数的初始分布,采用零方程模型的计算结果 作为流场的初始值。 常用的零方程模型有Cebeci-Smith平衡模型,松弛涡粘模型和 Baldwin模型等。本文采用Cebeci-Smith模型6。该模型内层用Van- Driest内层涡粘系数公式,外层用Calauser涡粘系数公式修正。内外 层分界面在距壁面0102倍的附面层厚度处。高、低雷诺数方程 为耦合型方程,分界面互为两方程的边界。通过迭代运算来调整衔接 节点处的值。其计算过程本文不再赘述。 补充边界条件的方法一般有3种,即特征线法、差分方程法和外推 法。本文采用外推法7确定补充边界条件。 6 算例6 算例 根据上述方法,编制了旋风筒内流场
15、的计算程序。假设旋风筒内 壁是光滑的。计算结果如图3图6所示。由于微粒的分离过程发生在 旋风筒的直筒段,因此文中只给出了直筒段的结果。图3是切向速度的 试验结果与计算值的比较。从计算结果可以发现,分离空间内切向速 度分布基本上呈轴对称;其分布可分为内外旋流区,分界点即最大切 向速度点;切向速度沿轴向变化较小;外旋流近似为准自由涡,内旋 流为准强制涡。这与实测值是相吻合的。图4是轴向速度的试验结果与 计算值的比较;图5是不同入口流速下切向速度的分布。不同入口流速 下,切向速度在外旋流区的分布基本相同,最大速度点的位置不因入 口速度而改变,这与实测值也是一致的。图6是静压的分布情况。静压 的分布具
16、有较好的轴对称性;在距离体外壁一定范围处,静压分布比 较平缓,沿径向变化较小;在该范围外,沿径向的压力梯度较大;整 个压力分布沿轴向的变化较小。 图3 切向速度试验值与计算值的比 较 图4 轴向速度试验值与计算值的比 较 图5 不同入口流速下切向速度的分 布 图6 静压的分布 7 结论7 结论 (1) 本文从描述紊流流动的基本方程出发,利用k-模型,求解了 旋风筒流场。计算结果与试验值的比较表明,采用非稳态、可压缩流 动形式的N-S方程来预测旋风筒流场有较高精度。 (2) 采用低雷诺数模型来计算近壁面区域的流动,高雷诺数模型 来计算紊流旺盛区域的流动,克服了用低雷诺数模型计算紊流旺盛区 域流动
17、所带来的问题。 (3) 两方程模型对k和的初始分布要求较严格,如果二者初值给 定的不合适,就不能迭代出合理的涡粘系数值,而使整个迭代过程发 散。为解决这一问题,本文采用一方程模型来计算流场的涡粘系数, 将结果作为两方程模型的t初始分布。计算过程中发现,用该方法确定 t的初始分布,效果相当好。 作者单位:北京理工大学车辆工程学院,北京 100081 参考文献参考文献 1 12150L柴油机编写组12150L柴油机北京:国防工业出版 社,1976 2 Launder B E,Spalding D BMethods ApplMech Eng, 1974,3:269289 3 Hoffmann G HImproved Form of the Low-Reynolds Number k- ModelPhys Fluids,1975,18:309312 4 Patel V C,et alTurbulence Models for Near-Wall and Low-Reynolds Number Flows:A ReviewAIAA J,1984,23:1308 1319 5 陶文铨数值传热学西安:西安交通大学出版社,1988 6 马铁犹计算流体力学北京:北京航空航天大学出版社, 1989
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