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二级空气滤清器中旋风分别器流场的数值模拟p

时间:2019-12-23 09:54 来源: 作者:凯发国际k8 点击:

内燃机学报内燃机学报TRANSACTIONSOFCSICE年第卷第期volNo二级空气滤清器中旋风分别器流场的数值模拟黄虹宾 ___ 郑世琴 闫为革摘要 针对特种车辆内燃机上宽泛使用的由旋风分别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操作气体动力学和计算流体力学的实践来选择旋风分别器的构造参数进步旋风分别器的分别效率。文中用NS方程和两方程模型来预测旋风分别器的流场。计算中接纳零方程模型确定初始的涡粘系数的散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成果。关键词 二级空气滤清器旋风分别器流场NS方程kξ模型数值模拟CalculationfortheCycloneFlowFieldinTwoStageFilterHuangHongbinLiuShuyanZhengShiqinYanWeige(SchoolofVehicularEngineeringBeijingInstituteofTechnologyBeijing)Abstract Thelargedustcontentintheenvironmentalofthetwostagefilterusedonspecialvehiclewhichconsistsofcyclonesandoilbathaircleanerresultsintheshortservicelifeofthefiltersotheselectmethodwasputforwardbyuseofaerodynamicsandcomputationalfluidmechanicsforincreasingtheseparatingefficiencyofthefilterinthis_____.TheNSEquationsandkξmodelwereraisedforcalculatingthecycloneflowfield.IntheprocessmeanvelocityfieldmodelwasusedtocomputetheinitialvaluesofturbulentviscositycoefficientkεlowReynoldsnumbermodelwasforcalculatingtheregionnearthewallandhighReynoldsnumbermodelwasusedforcalculatingthehighturbulentregion.Thecomputationalresultsarealmostsamewiththeexperimentaldata.Keywords TwostagefilterFlowfieldofcycloneNSequationskξmodelCalculation符号说明file:E|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报cV气体的等容比热容hk?x轴向r轴向步长r柱坐标中的径向t工夫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工夫步长  E单位容积气体的总能量k紊活动能pT气体压强温度uv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宽泛使用由旋风分别器和油浴过滤器组成的二级空气滤清器[]。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(~)h。要进步其使用寿命有效的方法之一是进步旋风分此外分别效率。目前间接计算旋风分别器(简称旋风筒)的滤清效率比较艰难。因而主要从流场的状况来判断设想计划的好坏例如短路流和较强的二次流会重大影响分别效率较强的切向速度意味着高的分别效率和能耗而较大的轴向速度则意味着低的分别效率和能耗等。  旋风筒的构造参数如进气口尺寸、排气管尺寸、筒体直径、锥体长度及灰斗的尺寸间接影响分别效率。为钻研构造参数的影响本文提出了用NS方程和两方程模型来模拟旋风筒的流场。计算过程中没有思考内燃机间歇进气过程对旋风筒活动的影响这是因为目前模拟旋风筒脉动活动过程还比较艰难。  对有界限的活动壁面附近比远离界限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比拟可疏忽不计但在与壁面相邻接的粘性支层内雷诺数很低须思考分子粘性的影响。低雷诺数的kξ方程是由Launder[]等人对高雷诺数的kξ方程加以修正得到的。该模型思考了某些经历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多各向同性身分则为。思考到近壁面区域紊流脉动动能耗散率不为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。尔后Hoffman[]等人对上述模型作了批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胜利但在确定紊流脉动动能的散布上却不抱负。Patel[]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%且完全NS方程组包孕的项数多求解费时尤其是求解壁面附近粘性支层的活动由于该区域内速度梯度和温度梯度都很大必要安插相当多的节点必要较多计算工夫和计算机内存。为制止用低雷诺数模型计算流道中心处的弊端本文将壁面附近和远离壁面的活动离开办理接纳低雷诺数模型计算近壁面区域用高雷诺数模型计算分开壁面必然间隔的紊流区域。 旋风筒流场的测定  试验用模型为Φmm的蜗壳式旋风筒其构造见图。旋风筒流场的试验安置如图所示。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|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报进气的旋风分别器(被称作旋风子)效率高。它是对型柴油机空气滤清器旋风筒的改进设想。原空气滤旋风筒数量多直径小每个旋风筒直径只要mm构成较大的进气阻力。本文作者对旋风筒构造做了优化办理使直径增大到mm而滤清效率根本不乱。有关这方面质料将另文介绍。图 试验用旋风筒构造图图 旋风筒试验安置示用意file:E|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报 数学模型[]. 高雷诺数模型  二维坐标系中控制方程的模式为由上式得到各控制方程的详细模式:式中:μθ=μ+μtfile:E|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报Cμ=.。. 低雷诺数模型  思考到阶导数项中粘性主要表如今法向的/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|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报式中:μθ=μ+μtAμ=.。 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特征密度为进口密度ρ特征粘性系数为进口的粘性系数μυ=μ/ρRe=VL/v则得到各无因次量:代入到式()~式()中经推导并略去单引号得到无因次的方程组(为勤俭篇幅文中没有列出无因次方程的模式)。 方程组的离散化  非定常可压Euler方程组是工夫双曲型可沿工夫推进求解。构想NS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()中粘性项具有工夫抛物性故非定常可压NS方程组为抛物双曲型可沿工夫推进求解。方程组的离散可接纳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格式的不变性较差。本文拟接纳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五湖四海扩散的故接纳空间中心差分。差分格式中的预估步和校正步都接纳空间中心差分对不易做到两步都为中心差分的项如uyx等项预估步接纳上游差分而校正步接纳庸俗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级精度。  NS方程的不变条件尚不能由解析法作严格推导。思考到Euler方程的MacCormack格式的不变条件是和二维扩散方程的file:E|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报不变条件是方程的不变条件可半经历取为 定解条件  式()是沿工夫轴t的双曲型方程须给出工夫上游参数的初始条件并沿工夫轴推进求解对空间轴亚音速活动的庸俗反压会影响上游活动因而应给出上游界限条件和庸俗一个参数p的界限条件:气流为粘性流体故物面界限气流u=v=k=ξ=沿旋风筒轴向壁面曲率为即p/n=如果壁面为绝热壁有T/n=由于空间上游界限上的pn+和庸俗界限上的ρn+j、un+j和vn+j无奈求解必要给出增补界限条件即pn+、ρn+j、un+j和vn+j的值。为取得合理的涡粘系数的初始散布接纳零方程模型的计算成果作为流场的初始值。  常用的零方程模型有CebeciSmith均衡模型败坏涡粘模型和Baldwin模型等。本文接纳CebeciSmith模型[]。该模型内层用VanDriest内层涡粘系数公式外层用Calauser涡粘系数公式修正。表里层分界面在距壁面.~.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界限。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。  增补界限条件的方法一般有种即特征线法、差分方程法和外推法。本文接纳外推法[]确定增补界限条件。 算例  依据上述方法体例了旋风筒内流场的计算步伐。如果旋风筒内壁是润滑的。计算成果如图~图所示。由于微粒的分别过程发生在旋风筒的直筒段因而文中只给出了直筒段的成果。图是切向速度的试验成果与计算值的比较。从计算成果可以发现分别空间内切向速度散布根本上呈轴对称其散布可分为表里旋流区分界点即最大切向速度点切向速度沿轴向变革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。图是轴向速度的试验成果与计算值的比较图是差异入口流速下切向速度的散布。差异入口流速下切向速度在外旋流区的散布根本雷同最大速度点的位置不因入口速度而扭转这与实测值也是一致的。图是静压的散布状况。静压的散布具有较好的轴对称性在间隔体外壁必然范围处静压散布比较平缓沿径向变革较小在该范围外沿径向的压力梯度较大整个压力散布沿轴向的变革较小。file:E|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报图 切向速度试验值与计算值的比较图 轴向速度试验值与计算值的比较图 差异入口流速下切向速度的散布图 静压的散布 结论  () 本文从形容紊流活动的根本方程出发操作kε模型求解了旋风筒流场。计算成果与试验值的比较表白接纳非稳态、可压缩活动模式的NS方程来预测旋风筒流场有较高精度。  () 接纳低雷诺数模型来计算近壁面区域的活动高雷诺数模型来计算紊流旺盛区域的活动按捺了用低雷诺数模型计算紊流旺盛区域活动所带来的问题。  () 两方程模型对k和ξ的初始散布要求较严格假如二者初值给定的不适宜就不能迭代出合理的涡粘系数值而使整个迭代过程发散。为处置惩罚惩罚这一问题本文接纳一方程模型来计算流场的涡粘系数将成果作为两方程模型的μt初始散布。计算过程中发现用该方法确定μt的初始散布效果相当好。作者单位:北京理工大学车辆工程学院北京参考文献file:E|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据内燃机学报[]L柴油机编写组.L柴油机.北京:国防工业出版社[]LaunderBESpaldingDB.MethodsAppl.MechEng:~[]HoffmannGH.ImprovedFormoftheLowReynoldsNumberkξModel.PhysFluids:~[]PatelVCetal.TurbulenceModelsforNearWallandLowReynoldsNumberFlows:AReview.AIAAJ:~[]陶文铨.数值传热学.西安:西安交通大学出版社[]马铁犹.计算流体力学.北京:北京航空航天大学出版社file:E|qknrjxbnrjxnrjxhtm(第/页)::万方数据二级空气滤清器中旋风分别器流场的数值模拟作者:黄虹宾___郑世琴闫为革HuangHongbinLiuShuyanZhengShiqinYanWeige作者单位:北京理工大学车辆工程学院,北京,刊名:内燃机学报英文刊名:TRANSACTIONSOFCSICE年卷(期):()被引用次数:次参考文献(条)L柴油机编写组L柴油机LaunderBESpaldingDB检察详情HoffmannGHImprovedFormoftheLowReynoldsNumberkξModelPatelVCTurbulenceModelsforNearWallandLowReynoldsNumberFlows:AReview陶文铨数值传热学马铁犹计算流体力学引证文献(条)晁忠喜催化裂化沉降器内油气活动规律的钻研学位论文博士赵兵涛轴对称旋转流气固分别实践与技术学位论文博士本文链接:http:dgwanfangdatacomcnPeriodicalnrjxbaspx授权使用:南隆重学藏书楼(wfncdxtsg)授权号:ceffbabecce下载工夫:年月日本地磁盘内燃机学报

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