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车用复式油气分离器数值模拟研究

作　者: 孙利彬
导　师: 李君
学　校: 吉林大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 旋风式油气分离器计算流体动力学分离效率压力损失
分类号: U464.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

油气分离器作为发动机曲轴箱通风系统中的重要组成部分,其对油气的分离能力,直接影响着发动机的经济性、可靠性和排放性等,随着汽车排放法规的日益严格,对分离器分离性能的要求也会越来越严。本文开发设计的主被动串联复式油气分离器,既能够适应发动机曲轴箱窜气量随工况和行驶里程的变化,又具有较高的分离效率,所以更适合用于发动机曲轴箱通风系统中。因此,其中的旋风式油气分离器的优化设计成为了本论文研究的重要内容之一。本文采用试验和数值模拟相结合的手段,对曲轴箱窜气规律和旋风式油气分离器的内部气相场及分离性能进行了深入的研究,目的是为旋风式油气分离器的优化设计提供理论依据,并为复式油气分离器的开发设计奠定基础。论文的主要内容如下：(1)利用CA6SL2型发动机,进行了曲轴箱窜气量随发动机转速和负荷变化规律的试验研究和原始模型样件的分离效率的测试,并对曲轴箱窜气量影响因素进行了详细的研究。(2)利用CATIA软件进行三维立体模型的建立,并结合专业的网格划分软件ANSA对建立的三维模型划分网格,然后利用计算流体动力学软件FLUENT,对旋风式油气分离器内部气相场和分离性能进行了模拟仿真研究,通过对计算结果的后处理,获得了旋风式油气分离器内部速度场、压力场、湍动能及湍流耗散率的分布情况。同时,利用模拟结果获得到的捕捉油滴数与入口处喷入总油滴数的比值,计算求得了数值模拟分离效率,经台架试验验证,数值模拟结果与试验基本吻合,而且模拟和试验的误差在5%以内。(3)旋风式油气分离器结构参数和入口流速作为影响其分离性能的主要因素,有必要对其进行深入研究。因此,本文最后在原始模型基础上,通过逐一改变旋风式油气分离器各部分结构尺寸和入口流速,对其分离性能进行了仿真分析,研究了结构变化和入口处流速变化对压力损失和分离效率的影响,通过综合考虑压力损失和分离效率,最终,确定了优化后的旋风式油气分离器的结构尺寸,为旋风式油气分离器的进一步优化设计提供了理论基础,也为复式油气分离器的开发设计奠定了坚实的基础。而且研究发现,入口流速vj和出气管直径de对分离效率和压力损失的影响最大,因此,建议在旋风式油气分离器的开发设计过程中,尤其要重视这两个参数的选取。同时,本论文所获得的旋风式油气分离器的各部分尺寸与分离器圆柱段直径Do的最佳比值,适用于所有尺寸的旋风式油气分离器设计时作为参考。

全文目录

附件  4-5
摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 前言  12-13
  1.2 强制曲轴箱通风系统结构布置及其控制  13-15
  1.3 油气分离器的分类及工作原理  15-18
  1.4 旋风分离技术的国内外发展概况  18-20
    1.4.1 国外研究状况  18-19
    1.4.2 国内研究状况  19-20
  1.5 本文研究内容及意义  20-22
第2章仿真模型的选择和CFD仿真原理研究  22-32
  2.1 CFD技术在流体仿真计算中的应用  22
  2.2 旋风式油气分离器仿真计算模型的选择  22-26
    2.2.1 湍流模型的选择  23-25
    2.2.2 气液两相流模型的选择  25-26
  2.3 气相湍流控制方程  26-28
    2.3.1 质量守恒方程  27
    2.3.2 动量守恒方程  27
    2.3.3 雷诺应力运输方程  27-28
  2.4 气相场的离散格式及压力插补格式  28-29
    2.4.1 控制方程的离散格式  28-29
    2.4.2 压力插补格式  29
  2.5 气相场离散方程的求解方法  29-30
  2.6 离散相的控制方程  30-31
  2.7 本章小结  31-32
第3章曲轴箱窜气规律的试验研究和模型的建立与验证  32-44
  3.1 发动机曲轴箱窜气规律的试验研究  32-37
    3.1.1 试验所用仪器和台架布置  32-34
    3.1.2 试验目的  34
    3.1.3 试验内容  34
    3.1.4 试验步骤  34
    3.1.5 试验数据处理及分析  34-37
  3.2 旋风式油气分离器几何尺寸的确定及网格划分  37-40
    3.2.1 旋风式油气分离器几何尺寸的确定  37-38
    3.2.2 三维模型的建立和计算区域网格的划分  38-40
  3.3 模型的有效性验证  40-41
  3.4 本章小结  41-44
第4章气相场的数值模拟研究  44-58
  4.1 气相场计算的边界条件和初始条件的确定  44-46
  4.2 旋风式油气分离器内气相流线的研究  46-47
  4.3 气相速度场分布的研究  47-50
  4.4 气相压力场分布的研究  50-54
  4.5 气相湍动能场及湍流耗散率场分布的研究  54-56
  4.6 本章小结  56-58
第5章参数改变对分离性能的影响研究  58-74
  5.1 加入离散相后的边界条件设置  58-59
    5.1.1 加入油滴离散相  58
    5.1.2 离散相的边界条件设置  58-59
  5.2 入口流速和结构尺寸对压力损失的影响研究  59-64
    5.2.1 入口速度v_j对压力损失的影响研究  60-61
    5.2.2 圆锥段锥角α对压力损失的影响研究  61-62
    5.2.3 出气管插入长度h_c对压力损失的影响研究  62
    5.2.4 出气管直径d_e对压力损失的影响研究  62-63
    5.2.5 圆柱段长度h对压力损失的影响研究  63
    5.2.6 圆锥段长度(H-h)对压力损失的影响研究  63-64
  5.3 入口流速和结构尺寸对分离效率的影响研究  64-69
    5.3.1 入口速度v_j对分离效率的影响研究  65
    5.3.2 圆锥段锥角α对分离效率的影响研究  65-66
    5.3.3 出气管插入长度h_c对分离效率的影响研究  66-67
    5.3.4 出气管直径d_e对分离效率的影响研究  67-68
    5.3.5 圆柱段长度h对分离效率的影响研究  68
    5.3.6 圆锥段长度(H-h)对分离效率的影响研究  68-69
  5.4 旋风式油气分离器优化后的尺寸及其分离效率计算  69-72
  5.5 本章小结  72-74
第6章全文总结及工作展望  74-78
  6.1 全文总结  74-76
  6.2 工作展望  76-78
参考文献  78-84
致谢  84

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