工况因素对离心通风器穿透率影响的数值研究

作者:邵长浩;徐让书 刊名:沈阳航空航天大学学报 上传者:庞海浪

【摘要】离心通风器是航空发动机润滑系统中回收滑油的主要部件,工作时转速和通风流量对其分离滑油效率有一定的影响。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。采用DPM模型模拟颗粒相喷射源,应用雷诺应力模型计算连续相湍流流动。计算结果表明,提高转速可以减小穿透率,保障滑油的回收。加大通风流量时,离心通风器的穿透率增加。

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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:t+g(u)=0(1)式中:为空气密度;u为速度矢量。动量方程可表示为:t(u)+(vv)=-p+=+g+F(2)式中:p为静压;g为重力;F为外部体积力(例如,与分散相的相互作用力、或为多孔介质模型或其它模型等的源项);=为应力张量:==(v+v)T-23v[I](3)式中: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:dudt=fD(u-up)+gx(p-)p+fx(4)式中:up为颗粒速度;p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。P=Gin-GcatchGin100%=GoutGin100%(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

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