飛機環控系統引氣除塵器仿真研究

黃正石　陳維建

摘 要：針對可以處理高溫高壓環境下可壓縮空氣的無濾網式引氣除塵器，利用數值模擬的方法，比較了Realizable湍流模型和RSM湍流模型下引氣除塵器內部的切向速度分布特性。通過分析內部氣體流場和顆粒相流場的特征，研究了飛機環控系統無濾網式過濾器的除塵機理。同時，研究了葉片參數，比如葉片數量、葉片回轉角和葉片通道距離對飛機環境控制系統引氣除塵器性能的影響，還研究了進口流量對引氣除塵器性能的影響。

關鍵詞：飛機環境控制系統；引氣除塵器；氣固分離；數值模擬

中圖分類號：V245 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.082

大型飛機的環境控制系統引氣量較大，傳統濾網式過濾器雖然具有比較好的過濾除塵效果，但是，由于引氣流量大，并且是高溫高壓氣體，濾網的流阻很大，濾網易被堵塞，所以，濾網的使用周期短，要經常更換。本文研究的無濾網式除塵器是用于飛機環境控制系統的固定葉片式旋流過濾器。而直流式可以較為方便地介入環控系統的管道中，它不僅可以很好地適用于飛行器環控系統，還能夠減少后續過濾裝置的損耗，延長過濾裝置的使用期限。引氣除塵器的主要作用是去除直徑為30～50 μm及以上的顆粒，防止其對制冷系統的渦輪轉子造成損害，且除塵效率要保證在95%左右。

1 引氣除塵器的數值計算分析

1.1 幾何模型和網格劃分

為了滿足飛行器引氣的流量和系統管路的要求，根據無濾網旋流過濾器的除塵機機理，對其進行了初步設計，確定其主筒體直徑為132 mm，入口直徑取106 mm，氣流出口直徑取58 mm，

筒長取330 mm；導流葉片形式為分瓣式葉片，數量為6個，單個葉片軸向投影形成的角度，即葉片回轉角取65°，葉片通道長取60 mm，如圖1所示。

除塵器內部的流動形式比較復雜，在數值模擬計算時，先要進行網格劃分。由于其結構比較復雜，流動狀態也很復雜，所以，在進口前部加入一段進口段，出口處加入一段出口段，采用分區塊結構化網格，總網格數為2 597 474，如圖1所示。

1.2 邊界條件設置

質量流量進口、出口選用壓力出口，流體介質采用理想氣體，進口質量流量為3 600 kg/h，進口壓力為450 000 Pa，溫度為200 ℃。顆粒相是由多重密度的顆粒混合而成的，本文選定的顆粒密度為2 500 kg/m3，進口粉塵的顆粒濃度為4 kg/m3，顆粒直徑取50 μm。

1.3 湍流模型選擇

與切向式旋流器相同，飛機環境控制系統引氣除塵器的流動也屬于強旋流，具有各項異性的特征。Yang和Grady分別使用Realizable k-ε模型和RSM模型計算了旋流器的相關內容，并取得了較好的結果，所以，本文也使用這2個模型計算。切向速度作為考察分離效果最重要的參數，對2個模型取同一位置的切向速度分布，RSM模型與Realizable湍流模型相比，它能捕捉到更多的細節，但是，RSM模型對網格數的要求較高。

比較其計算結果，即除塵效率和壓降，除塵效率會隨著網格數量的增大而略有降低，但是，流動阻力變化不明顯。200萬網格數在RSM模型中并不適用，考慮到除塵性能和計算資源條件，本文選取了250萬網格數RSM模型作研究。

1.4 氣相流場分析

氣流通過導流葉片通道會形成旋流流動，其后的流動也非常復雜，但是，總體上能夠產生一種甩向筒壁的趨勢。如果氣流中含有粉塵，就會被帶入具有流向的筒壁，使得筒壁附近的附面層里粉塵濃度增加，從而在收集筒中收集粉塵。由于葉片通道后的直通道和收集腔處有氣流的摻混發生，可能會使得一部分粉塵無法進入收集筒而被氣流帶走，流出過濾器。

1.5 顆粒相軌跡分析

粉塵顆粒經過導流葉片通道后進入了收集筒，由于出口截面比較小，氣流經過直通段后有一個收縮過程，再加上收集筒的影響，直筒段的流動比較復雜，會有一部分粉塵顆粒被氣流裹挾進入主流，從過濾器出口排出。因此，顆粒的收集主要受兩方面因素的影響：①在離心力的作用下，在靠近外壁邊界層范圍內收集顆粒；②主流部分的二次分離，分離主要發生在導流葉片軸以下的分離空間。

2 葉片參數對除塵性能的影響

旋風除塵器屬于機械除塵，一般可以歸結為切向式旋風除塵器和軸向式旋風除塵器。對導葉式引氣除塵器來說，選擇產生切向速度的導流葉片，并研究葉片的各個參數。

2.1 葉片數量對除塵性能的影響

在單個葉片形式相同的前提下，分別取葉片數為4，5，6計算，葉片個數增加，除塵效率會隨之提高，但是，流動阻力也會隨之增大。

分離效率的增大主要是因為葉片數的增加增大了旋流器內部葉片的扭轉面積，也就是增加了流場的最大切向速度，切向速度隨著葉片數的增多而增大。在保證葉片沿軸向扭轉的面積能夠涵蓋通道面積的前提下，6葉片形式能夠滿足除塵效果。

2.2 葉片回轉角對除塵性能的影響

每個葉片在軸向橫截面上投影形成的角度即為葉片回轉角，考慮到應該讓粉塵顆粒盡可能地獲得離心速度，導流葉片回轉角決定著葉片沿軸向扭轉的面積。如果導流葉片扭轉面積不能涵蓋整個通道，就會對除塵器分離效果造成很大的影響。

從分離效率上來說，葉片回轉角越大，效率越高。但是，隨著葉片回轉角的增大，分離效率的增大趨勢在減緩。從流動阻力上來看，回轉角的增大勢必會增大壓力損失，因為葉片回轉角的增大會增加除塵器內部阻力面積。為了研究方便，將回轉角為65°、67.5°、70°的模型分別命名為模型A、模型B、模型C。

2.3 葉片通道對除塵性能的影響

除了葉片回轉角會對除塵器的分離效率造成很大的影響外，葉片通道的距離也會對除塵器的性能造成很大的影響。在額定工況下，計算模型A和模型C，分別取葉片通道長為40 mm、60 mm、80 mm，葉片通道的變化實際上決定了葉片出口角的變化——葉片通道越短，葉片出口角越小，相應的除塵效率越高，流動阻力也會增大。

3 流動參數對除塵性能的影響

對于一般的工業用旋風分離器，粉塵濃度對除塵效率的影響較大。而相關試驗的條件是常溫常壓，對于文中高溫高壓的可壓縮空氣，引氣除塵器的結果可能有別于一般的旋風分離器。模型A的除塵效率會隨著流量的增加而增加，但是，當達到一定流量時，分離效率會隨著流量的增加而降低。這說明，對于一定幾何尺寸的引氣除塵器，其處理氣體的流量是有范圍的，引氣流量不同，需要重新確定除塵器的主筒徑。從流阻的角度看，引氣流量的增加會導致流動阻力的急劇增加，基本成倍數上漲。這說明，引氣的流量不同，引氣除塵器的筒徑也不同。

4 結論

本文采用了數值模擬的方法，選擇RSM模型計算飛機環控系統引氣除塵器的相關數值，并結合氣相流場和顆粒相軌跡簡單分析了其除塵機理，還研究了導流葉片和流動參數對引氣除塵器性能的影響。導流葉片的參數，比如葉片數量、葉片回轉角和葉片通道的距離會對引氣除塵器的除塵效率和流動阻力造成很大的影響。在滿足了飛機環控系統引氣除塵的要求下，6葉片形式的結構比較合理。對于一定幾何尺寸的除塵器，其處理流量大小存在一個范圍，針對不同流量的引氣，需要重新確定引氣除塵器的幾何尺寸。

參考文獻

[1]毛羽，時銘顯.導葉式旋風子葉片的設計與計算[J].華東石油學院學報，1983（03）.

[2]劉金紅.旋風除塵器的發展與理論研究現狀[J].化工裝備技術，1998，19（5）.

[3]張歆偉.粉塵濃度對旋風除塵器除塵效率的影響[J].冶金安全，1983（03）.

〔編輯：白潔〕