二级空气滤清器中旋风分离器流场的数值模拟

内燃机学报990219 内燃机学报 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 黄虹宾　刘淑艳　郑世琴　闫为革 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　二级空气滤清器；旋风分离器流场；N-S方程；k-ξ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 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 efficiency of the filter in this paper．The N-S Equations and k-ξ 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-ε low Reynolds number model was for calculating the region near the wall，and high Reynolds number model was used for calculating the high turbulent region．The computational results are almost same with the experimental data． Key words　Two-stage filter；Flow field of cyclone；N-S equations；k-ξ model； Calculation 符号说明 file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 1／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 cV ——气体的等容比热容； h，k‧——x轴向，r轴向步长； 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； κ——层流气体的热传导系数； μ——层流气体的动力粘度； υ——气体的运动粘度； τ——时间步长；　　 E——单位容积气体的总能量； k——紊流动能； p，T——气体压强，温度； u，v——流场中x轴向，r轴向的速度； x——空间x轴向； ρ——气体密度； κt——紊流气体的热传导系数； μt——紊流气体的动力粘度； ξ——能量耗散率。 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（50～100） 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 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-ξ方程是由Launder［2］等人对高雷 诺数的k-ξ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，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，Hoffman［3］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。Patel［4］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。 1　旋风筒流场的测定 　　试验用模型为Φ100 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。这种型式的旋风筒滤清效率比带导流叶片的轴向 file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 2／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 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　旋风筒试验装置示意图 file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 3／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 2　数学模型［5］ 2．1　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：μθ＝μ＋μt； file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 4／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 C μ＝0．09。 2．2　低雷诺数模型 　　考虑到2阶导数项中粘性主要表现在法向的 ／ 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： file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 5／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 式中：μθ＝μ＋μt； A μ＝0．016 5。 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V 0，特征密度为进口密度ρ0，特 征粘性系数为进口的粘性系数μ0，υ＝μ0／ρ，Re＝V0L／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 　　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 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 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方程的MacCormack 格式的稳定条件是 和二维扩散方程的 file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 6／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 稳定条件是 方程的稳定条件可半经验取为 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u＝0，v＝0，k＝ 0，ξ＝0；沿旋风筒轴向壁面曲率为0，即p／ n＝0；假设壁面为绝热壁，有T ／ n＝0；由于空间上游边界上的pn＋10和下游边界上的ρn＋1j、un＋1j和vn＋1j无法求 解，需要给出补充边界条件即pn＋10、ρn＋1j、un＋1j和vn＋1j的值。为获得合理的涡粘 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0．1～0．2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 　　根据上述方法，编制了旋风筒内流场的计算程序。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。 file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 7／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 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 　　(1)　本文从描述紊流流动的基本方程出发，利用k-ε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所带来的问题。 　　(3)　两方程模型对k和ξ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μt初始分布。计算过 程中发现，用该方法确定μt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 file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 8／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 内燃机学报990219 ［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 B．Methods Appl．Mech Eng，1974，3：269～289 ［3］ Hoffmann G H．Improved Form of the Low-Reynolds Number k-ξ Model．Phys Fluids，1975，18：309～312 ［4］ Patel V C，et al．Turbulence Models for Near-Wall and Low-Reynolds Number Flows：A Review．AIAA 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 file:///E|/qk/nrjxb/nrjx99/nrjx9902/990219.htm（第 9／9 页）2010-3-23 4:41:17 万方数据 二级空气滤清器中旋风分离器流场的数值模拟 作者： 黄虹宾， 刘淑艳， 郑世琴， 闫为革， Huang Hongbin， Liu Shuyan， Zheng Shiqin， Yan Weige 作者单位： 北京理工大学车辆工程学院,北京,100081 刊名： 内燃机学报 英文刊名： TRANSACTIONS OF CSICE 年，卷(期)： 1999，17(2) 被引用次数： 2次 参考文献(6条) 1.12150L柴油机编写组 12150L柴油机 1976 2.Launder B E.Spalding D B 查看详情 1974 3.Hoffmann G H Improved Form of the Low-Reynolds Number k-ξ Model 1975 4.Patel V C Turbulence Models for Near-Wall and Low-Reynolds Number Flows:A Review 1984 5.陶文铨 数值传热学 1988 6.马铁犹 计算流体力学 1989 引证文献(2条) 1.晁忠喜 催化裂化沉降器内油气流动规律的研究[学位论文]博士 2004 2.赵兵涛 轴对称旋转流气固分离理论与技术[学位论文]博士 2004 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_nrjxb199902019.aspx 授权使用：南昌大学图书馆(wfncdxtsg)，授权号：ceff9231-76ba-4882-b558-9e9900c1c5e9 下载时间：2011年3月1日 本地磁盘 内燃机学报990219