油气分离器CFD仿真计算方法研究

大洪

　　随着国家汽车排放标准的提高，发动机曲轴箱的窜气和窜油对环境的影响越来越受重视，为了满足日益严格的排放要求以及降低曲轴箱排放给环境带来的影响，曲轴箱通风系统已经成为发动机的标准配置，而油气分离器作为曲轴箱通风系统的重要组成部分也变得越来越重要。本文主要以玉柴自主开发的孔板油气分离器作为研究对象，针对油气分离器计算误差的影响因素进行分析，并提出相关改进措施，从而达到提高计算精度的目的。
　　目前，常用的油气分离器主要有旋风式、迷宫式、孔板式和滤网式等，可视不同的排放需求选择单独使用或组合使用。其中，旋风式油气分离器是利用离心力及重力作用实现油气分离，效果较好；迷宫式油气分离器采用油气撞击挡板，使油雾遇到挡板时冷凝从而达到分离目的，其特点是寿命长、压损小且成本低；孔板式油气分离器与迷宫式原理相似；而滤网式油气分离器基于滤网过滤来实现油气分离，但分离效果不是很好。
　　油气分离器不仅可以减少进入燃烧室的润滑油颗粒，同时也能够进一步减少HC及颗粒物的排放量。因此，油气分离器的分离能力对发动机的燃油经济性、排放清洁程度以及可靠性等具有重要的影响，因此对油气分离器效率展开研究是非常具有实际意义的。
　　油气分离器计算误差研究
　　如图1和图2所示，文中孔板式油气分离器主要由入口盖板、一级粗滤孔板、二级粗滤孔板及精滤孔板四部分组成。
　　

　　1.计算理论及方法
　　首先，根据欧拉公式对气相流场进行稳态计算，得到油气分离器的压差及进口流速等数据；其后，基于拉格朗日定理油滴的运动方式进行瞬态计算和分析，得到不同直径油滴的残留量和逃逸量；最后，通过对各种不同直径油滴的分离效率进行加权计算，得到油气分离器的综合分离效率。
　　2.计算误差影响因素分析
　　油气分离器计算包括：气相流动分析（稳态计算）和油滴流动分析（瞬态计算）。对比计算结果与试验结果发现，稳态计算得到的压差值与试验值吻合度较好，瞬态计算结果与试验值吻合度很差。为了更准确地预测油气分离器的分离效率，并为设计部门提供更精确的指导，因此非常有必要对瞬态计算误差的影响因素进行分析。同时，为了快速且有效并地找出影响瞬态计算误差的因素，我们制定了一个“鱼骨图”（见图3），同时对某机型进行了“曲轴箱通风油气分离效率测试专项试验”。
　　

　　在根据“鱼骨图”各个因素进行和验证时发现，湍流模型的选择、网格单元大小的选取及油滴直径的选择等都对计算误差有不同程度的影响。其中，网格单元大小的选取和粒径的定义对计算误差影响最大。根据以往经验结合本公司机型特点，初步确定了网格单元尺寸划分原则、油滴直径选取原则及最终计算的加权因数。
　　综合分析后，确定使用经过优化的精确运算方法进行测算。对比发现，利用精确算法得到的CFD仿真结果，与试验值的吻合度有了很大的改善，计算误差显著减小。
　　

　　CFD计算与试验结果误差对比分析
　　1. CFD计算边界设置
　　先进行稳态计算再进行瞬态计算，计算中使用的湍流模型为k-Zeta-f，选用复合壁面函数Hybrid Wall Function，壁面热传导采用Standard Wall Function。
　　稳态计算的边界设置：入口给定流量0.001616kg/s（根据活塞窜气量108L/min，密度0.898kg/m3换算得到），温度120℃，出口给定静压10MPa，壁面平均温度120℃。
　　瞬态计算的边界设置：计算时间设定为5s，步长设定为0.01s；进口油滴数量为500000个/s；喷射时间为1个步长，即0.01s。
　　

　　2 .CFD计算模型网格设置
　　优化前的网格：使用AVL Fire自动网格生成器FAME HYBRID生成的网格，最大网格尺寸3mm，最小网格尺寸0.75mm，总网格数约为51万个，具体网格见图4。
　　优化后的网格：使用AVL Fire自动网格生成器FAME HYBRID生成的网格，最大网格尺寸1.2mm，最小网格尺寸0.6mm，总网格数约为209万个，具体网格见图5。
　　图中红色线框区域为孔板所在位置，在对这三个关键区域进行网格细化后，图5中的网格质量明显提高。
　　

　　3.优化前后计算结果对比
　　拿出两个方案进行具体对比分析，分别从速度场、压力场及油滴运动轨迹三个方面切入。优化前后的两种方案，孔板结构一致，精滤孔板均为16孔，只是进、出口尺寸做了改动，进、出口速度会有一定差异，会对流场流动有一定影响，但是对后续的计算误差对比分析没有影响。
　　试验验证及误差对比分析
　　根据仿真计算需求对油气分离器进行性能验证，被验证装置的测量点布置见图6。
　　优化前后两个方案的压差及分离效率计算结果如表1所示，从数据可以看出，优化前后的压差吻合度都比较好。但是，优化前方案的仿真计算值接近100%，与试验值差别很大，而优化后方案的分离效率计算值与试验值吻合度很高。
　　为了进一步验证优化算法的可行性，后续又对多种其他机型的设计方案进行了计算验证，图7为其中某另一款机型的三种设计方案的验证结果。从图中可以看出，优化后的CFD计算值与试验值的吻合度对比原CFD计算值改善明显。因此，优化后的算法在一定程度上是准确有效的，且具有实际用用价值。
　　结语
　　通过对计算方法的优化并在多种机型上进行了试验验证，得到以下结论：
　　（1）油气分离器气体流动瞬态计算对网格尺寸敏感度较高，因此需要严谨地选择网格尺寸，关键的部位还需要加强密封；
　　（2）油气分离效率计算准确与否很大程度上取决于油滴直径及加权因子的选用；
　　（3）本文中，优化后的计算方法对油气分离CFD计算误差的改善有效的。