工况因素对离心通风器穿透率影响的数值研究

邵长浩，徐让书

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院 )，沈阳 110136)

离心通风器是航空发动机滑油系统的重要部件，其功用是回收滑油。离心通风器内的两相流动是复杂的，必要的简化更有利于数值模拟计算与分析，数值计算可以忽略连续相和分散相所受的重力影响[2]。离心通风器实验腔内切向速度的分布与旋风分离器极为相似，切向速度的大小在径向上呈驼峰分布[3]。对油气分离的数值研究应该考虑湍流弥散，使数值模拟更符合物理实际[4]，连续相湍流流动的漩涡边界有聚集颗粒的现象[5]。两相流动中，颗粒相的流动状态受颗粒直径大小的影响[6]。DPM模型可以模拟油气分离过程中的颗粒轨迹[7]。基于上述考虑，本文以离心通风器内空气与滑油颗粒组成的两相流为研究对象，计算不同工况下滑油油珠的穿透率，分析了转速与通风流量对其滑油回收效率的影响。

1 数值计算

1.1 离心通风器的转子结构

如图1所示，离心通风器主要依靠空心转轴带动旋转辐板在实验腔内高速旋转产生的离心力对滑油进行分离回收。转子的结构包括：前端顶板、旋转辐板、后端顶板、通风孔和旋转空心轴。工作时，来自轴承腔的滑油油珠与空气一起流入通风器实验腔，旋转轴带动辐板高速旋转。在离心力的作用下，由于滑油油珠的密度大，受到的离心力大于空气，从而滑油油珠被分离到壁面上形成油膜，再由回油孔回收，空气夹杂未被分离的油珠从通风孔流经空心旋转轴，最后被排入大气。

图1 离心通风器转子结构

1.2 控制方程与物理模型

通风器内油珠颗粒质量含量率最大约为10-4，体积分数最大不超过10-7。分散相体积分数小于10-6时，分散相油珠与连续相气体的作用是单相耦合的，即颗粒对湍流的动量贡献可以忽略。上述特征符合将欧拉和拉格朗日方法相结合的雷诺输运定理。

(1)连续相控制方程

连续性方程即质量守恒方程为：

(1)

式中：ρ为空气密度；u为速度矢量。

动量方程可表示为:

(2)

(3)

式中：μ为粘性系数；I为单位张量。

(2)离散相控制方程

由颗粒的惯性与受力平衡，给出颗粒运动方程为：

(4)

式中：up为颗粒速度；ρp为颗粒密度；fx为附加加速度项；fD(u-up)为单位颗粒质量受到的阻力。在拉格朗日参考系下，通过积分颗粒的运动方程计算其运动轨迹。这里忽略了质量力、压力梯度力、热泳力等作用。

(3)颗粒的穿透率

穿透率是评价通风器油气分离性能的重要指标，它表征滑油油珠通过通风器的能力。未被通风器回收的颗粒量占进入通风器的颗粒总质量的百分数称为分离器的穿透率，以P表示。

(5)

式中：Gin为进入通风器的颗粒量；Gout为从通风器排出的颗粒量；Gcatch为通风器所捕集的颗粒量。

(4)颗粒的碰壁与运动轨迹的随机追踪

颗粒在气流中的运动与Stokes数有关,St远小于1的颗粒将随气流运动[5-6]。如果忽略液滴的变形和破碎,则可以认为St数对油珠运动有类似的影响。离心通风器腔内滑油油珠的平均直径约数十微米，典型情况下St数约0.01。采用壁面液膜模型作为油滴碰壁的壁面边界条件，壁面液膜模型能够模拟油滴与壁面碰撞的相互作用，即油珠的反弹、黏附、散布或飞溅4种结果。随机追踪模型使用沿积分路径的瞬时流体速度对单个颗粒运动方程进行积分计算轨迹。以这种方式计算大量代表性颗粒，可以体现湍流对颗粒弥散的随机影响[4]。DRW模型用于模拟脉动速度分量对颗粒轨迹的影响,在离散的分时间段内取随机常数值，且在涡特征寿命时间内保持不变，其值均采用在其所假定遵从的高斯概率分布中采样获取。

1.3 离散相喷射源与物性参数

DPM模型采用实心锥形喷射模拟来自上游进入通风器的油珠颗粒群。初始条件定义了颗粒类型和颗粒群进入计算域时的初始位置、速度、尺寸、流量和温度等。计算中所使用的空气和滑油的物性如表1所示。

表1 空气和润滑油的物性参数

2 结果分析

2.1 不同尺寸颗粒在通风器内的分布情况

数值计算模拟了离心通风器转子在实验腔中工作时的油气分离过程，实验腔为外径为290 mm，内径为40 mm，长度为216 mm的环形腔，入口为宽30 mm的环面。由于辐板与通风孔个数均为6的倍数，所以整个计算域具有以60°为周期的旋转周期性。数值模拟了整个计算域轴向六分之一圆柱区的两相流流动，油珠颗粒直径在通风器流道及实验腔中的分布如图2所示。

图2 不同直径的颗粒分布图

从图2可以看出，油珠的颗粒直径主要分布在10-6至10-11(m)范围内，分离的主要区域为实验腔。随气流进入通风器试验器的各种尺寸滑油油珠首先冲向旋转辐板区，其中较大直径的颗粒主要靠离心力被分离，而较小的颗粒随空气运动弥漫于试验器内。与旋转辐板毗邻的上游存在较多的较大尺寸油珠颗粒，这是因为辐板高速旋转，使辐板壁上油膜被甩离出去，所以该区域的较大颗粒浓度偏高。旋转辐板下游的较大直径油珠颗粒主要是由辐板壁面油膜被高速气流吹离壁面产生的。由于通风管内的螺旋气流使油滴颗粒受到一定的离心力，所以在通风管中也存在分离效果。

2.2 转速对穿透率的影响分析

入口通风流量为40 g/s时，不同转速下的油珠颗粒的穿透率在表2中给出，可以看出离心通风器内油珠颗粒的穿透率随转速的增加而减小。

表2 不同转速下穿透率的计算值

理论上若d为油珠颗粒直径；ρ为滑油密度；ρa为空气密度；R为油珠颗粒所在旋转半径。进入转子的空气具有径向速度V1和切向速度ωR。考虑阻力情况下油珠离心力计算公式为：

(6)

由理论公式6可以看出油珠所受的离心力与ω的平方成正比，所以随转速的增加滑油油珠获得了更大的离心力。离心力的增加使油珠与实验腔壁面油膜的碰壁几率加大，所以降低了油珠的穿透率。除离心力外，实验腔内的湍流情况也影响油珠的分离。由于离心通风器腔内滑油油珠的平均直径约数十微米，典型情况下St数约0.01。这种亚微尺寸颗粒受湍流脉动速度的影响很大，并且连续相湍流流动的漩涡边界有聚集颗粒的现象。转速增加加大了辐板对实验腔内部气流的搅动，流动的湍动能增强。流体内的涡结构也会发生变化，准自由涡与准强制涡的涡动区域加大，使得油珠随涡的切向速度向壁面迁移的几率增加[8]。壁面捕获油珠颗粒的几率增加，穿透率自然就减小了。增加旋转轴的转速减小滑油油珠的穿透率，提高了离心通风器的分离性能。

2.3 通风流量对穿透率的影响分析

旋转轴转速为27136 r/min时，表3为不同通风流量下滑油油珠的穿透率，可以看出穿透率随通风流量的增加而增大。

表3 不同通风流量下穿透率的计算值

(7)

由公式7可知通风流量m加大，必然提高气流的径向速度，从而加大了油珠颗粒所受的阻力，油珠相对于气流向壁面运动的动能减小，碰壁几率降低，从而增大了滑油油珠的穿透率。此外，通风流量m加大后，由于小尺寸油滴颗粒对气流的跟随性，油珠颗粒随气流向下游迁移的趋势增强，未被分离的小尺寸油珠颗粒数增多，也是穿透率增大的原因之一。

3 结论

本文采用数值模拟的方法计算了不同工况下离心通风器的滑油油珠穿透率，所得结论如下：

(1)离心通风器内油珠的穿透率受到油珠尺寸的影响。大尺寸油珠受离心力(自身惯性力)影响，对气流的跟随性较差。较大尺寸油珠颗粒主要集中在与旋转辐板毗邻的上游区域。较小尺寸油珠颗粒大部分弥散于实验腔的后端区域。

(2)提高旋转轴的转速可以减小滑油油珠的穿透率，改善离心通风器的分离性能，提高滑油回收率。

(3)入口通风流量的增加会增大滑油油珠的穿透率，降低离心通风器的分离性能。

参考文献(References)：

[1] 《航空发动机设计手册》总编委会编;林基恕分册主编.航空发动机设计手册(第12册：传动及润滑系统)[M].北京：航空工业出版社，2002.

[2] 冯健美，畅云峰，张勇，等.喷油压缩机卧式油气分离器特性的数值模拟及实验研究[J].西安交通大学学报，2008，42(5)：561-577.

[3] 柳吉祥.旋风分离器旋转气流特性分析[J].山东矿业学院学报，1988，7(3)：26-33.

[4] 徐让书，宗庆贺，刘立博,等.湍流弥散对轴心通风器油气分离过程的影响[J].航空发动机，2011，37(4)：75-79.

[5] 王兵，张会强，王希麟.颗粒在大涡结构中的弥散[J].力学学报，2003，37(1)：105-109.

[6] 周华，夏南.油气分离器内气液两相流的数值模拟[J].计算力学学报，2006，23(6)：766-771.

[7] 孙秀君，孙海鸥，姜任秋.油气分离器内油滴轨迹的数值模拟[J].应用科技,2006，33(10)：69-72.

[8] 徐继润，罗茜.强制涡与水力旋流器[J].矿冶工程,1989，9(2)：29-33.