直流式旋風分離器參數優化仿真與試驗

王 超， 于光臨， 甘新海， 閆周易， 趙磊霆

(新鄉航空工業(集團)有限公司， 河南新鄉 453049)

引言

直流式旋風分離器安裝在飛機環控系統入口，用于過濾發動機引氣中的固體顆粒，向環控系統提供潔凈空氣，改善環控系統的工作條件。旋風分離器主要包括進風口、旋流葉片、集塵裝置、出風口等，因其具有結構簡單、壽命長、可靠性高、免維護等優點，在20 μm及以上除塵領域得到廣泛應用[1-2]。

流阻和分離效率是旋風分離器核心性能指標[3-4]，旋風分離器內部流動屬于三維多相紊流流動，理論計算研究難度大[5]，隨著數值仿真技術發展，阮飛等[6-9]采用數值模擬的方法研究傳統直立式旋風分離器結構參數、安裝方式、入口流速等對分離器性能的影響。王彤等[10-11]采用數值模擬的方法研究慣性粒子分離器流動特性，并利用粒子成像測速技術(PIV)對慣性粒子分離器內部流動進行研究。欒一剛等[12-13]采用數值模擬與實驗對比的方式對軸流旋風分離器性能進行研究，驗證軸流旋風分離器仿真與試驗阻力特性曲線吻合良好，數值方法可行、可靠。滿曉偉等[14-15]對新型直流式旋風分離器葉片偏轉角、分離段長度、入口內徑、出口角等結構參數對產品性能的影響進行研究，但研究方法均為多方案對比，未引入多參數優化技術。直流式旋風分離器結構簡單但內部流動復雜，分離效率影響參數眾多，基于優化技術開展參數間耦合分析非常必要，目前該領域的優化仿真及試驗研究均在進一步深入。

本研究利用Fluent軟件對我單位某型號直流式旋風分離器性能進行仿真計算，基于產品需求采用Optislang優化軟件對產品性能進行參數優化分析，通過結構參數匹配使得產品順利通過試驗，為該領域的研究及我單位后續生產提供參考。

1 旋風分離器設計

旋風分離器結構如圖1所示，每個葉片厚度2 mm，螺旋面螺距24 mm。混有粉塵顆粒的氣體軸向進入產品，經旋流葉片誘導旋轉，在離心力作用下由于介質存在密度差使得灰塵從出塵口排出，潔凈空氣從出氣口流入環控系統。

圖1 旋風分離器結構圖Fig.1 Structure of cyclone separator

旋風分離器采用4導流葉片純機械設計，外廓尺寸為129 mm×70 mm×61 mm，進、出口采用快卸卡箍連接，產品性能參數見表1。

2 旋風分離器數值模擬

2.1 粉塵粒徑分布研究

試驗用粉選用粗粒型亞利桑那試驗粉，其粉塵粒徑分布滿足ISO 12103-A4(見表2)，采用羅辛-拉姆特分布函數對其粒徑分布進行擬合。

表1 產品設計參數Tab.1 Design parameters of cyclone separtor

表2 粉塵粒徑與質量分數分布表Tab.2 Dust particle size and mass fraction distribution

羅辛拉姆特分布函數：

Y=1-e-(d/dm)n

(1)

式中，Y—— 質量負累積率

n—— 分布指數

dm—— 平均粒徑

粉塵粒徑擬合曲線如圖2所示，得到A4粉最小粒徑1 μm，最大粒徑200 μm，平均粒徑42.27 μm，分粒徑分布布指數為1.126。

2.2 仿真模型

選用RNGk-e湍流模型對旋風分離器湍流流動進行模擬，采用離散相模型(Discrete Phase Model,DPM)對粉塵運動軌跡及受力進行模擬，粉塵受力平衡方程為：

(2)

式中,v—— 粉塵運動速度

ρ—— 空氣密度

ρp—— 粉塵密度

FD—— 曳力

Fx—— 附加力

圖2 粉塵粒徑擬合曲線Fig.2 Particle diameter fiting curve

仿真計算僅考慮曳力和重力，空氣密度選用理想氣體模型，黏度計算選用薩瑟蘭模型，壓力-速度耦合選擇SIMPLE算法，對流項采用二階迎風離散格式。

2.3 仿真結果分析

1) 基礎流場仿真

對直流式旋風分離器基礎流場仿真，獲取產品中心截面總壓分布云圖，如圖3所示，產品進出口壓降為31.09 kPa。

圖3 截面壓力分布云圖Fig.3 Pressure distribution of central section

2) 分離效率仿真

在基礎流場仿真的基礎上，以面源的形式向產品內部噴射粒徑分布符合ISO12103-A4的粗粒型亞利桑那試驗粉，以質量流率計算旋風分離器分離效率：

(3)

式中,η—— 分離效率

Qin—— 進入產品粉塵質量流率

Qout—— 出塵口收集筒捕獲的粉塵質量流率

入口粉塵質量流率為0.001267 kg/s，仿真結果顯示出塵口收集筒捕獲粉塵的質量流率為0.0019436 kg/s，計算該產品針對A4粉分離效率為89.7%。對入口及收集筒捕獲的不同粒徑粉塵質量流率統計分析，如圖4所示，粉塵粒徑大于23.1 μm時，入口處的粒徑粉塵質量流率與收集筒捕獲的該粒徑粉塵質量流率曲線重合，即該粒徑粉塵進入產品后全部由出塵口排出；而粒徑小于23.1 μm的粉塵，入口質量流率大于收集筒捕獲的該粒徑粉塵的質量流率，即該粒徑粉塵進入產品后未被全部捕獲，部分粉塵隨氣流一起逃出產品，而且粉塵越小捕獲率越低，最小粉塵粒徑1 μm時，捕獲率僅18.26%，因此該旋風分離器捕獲能力為23.1 μm及以上粉塵。

圖4 不同粒徑粉塵入口及出塵口質量流量Fig.4 Mass flow rate at inlet and outlet with different dust diameters

3) 研究不同粉塵濃度的影響

為了探究入口粉塵濃度Cin對分離效率、流阻的影響，選取旋風分離器入口粉塵濃度分別為1%，2%，3%，4%，5%，仿真計算5種工況下流阻及分離效率的變化，如圖5所示。可以看出粉塵濃度在仿真計算變化范圍內隨著粉塵濃度的增加，分離效率均為(89.6±0.25)%范圍內變動，入口粉塵濃度增加對分離效率幾乎無影響；但隨著入口粉塵濃度的增加，旋風分離器流阻由31.09 kPa增大至31.45 kPa，流阻有微弱的增加。

3 旋風分離器性能優化

根據產品需求，選取旋轉葉片螺距、葉片高度作為輸入變量，流阻及分離效率作為輸出變量，以分離效率大于85%，流阻最小為目標，利用Optislang優化軟件進行多參數多目標仿真優化分析。

圖5 不同粉塵濃度流阻、分離效率的變化Fig.5 Change of pressure drop and efficiency for different particle concentrations

表4 優化參數表Tab.4 Optimization parameter

優化參數見表4，對輸入參數利用拉丁超立方的方法在參數變化范圍內進行試驗設計法(Design of Experment，DOE)取樣，對樣本點分析獲取敏感度矩陣如圖6所示，可以看出，螺距對流阻敏感度為99.7%，對分離效率敏感度為94.3%；但旋轉葉片長度僅對分離效率敏感，敏感度為5.8%，對流阻不敏感。

圖6 變量間敏感度矩陣Fig.6 Inter variable sensitivit matrix

每個樣本點計算需要消耗大量的計算成本，為提升優化效率基于樣本點建立最佳預測元模型(Meta-model of Optimal Prognosis，MOP)面，其擬合函數為：

(4)

式中,n—— 設計變量個數

a0—— 常數項系數

ai，aii，aiii，aiiii—— 1～4次項系數

4階響應面如圖7所示，基于MOP面采用進化算法對目標進行尋優，獲取帕累托前沿如圖8所示，綜合各因素選取8553號設計點作為優化方案，該方案旋轉葉片螺距為83 mm，葉片長度為30 mm，分離效率為85.69%，流阻為12.12 kPa，滿足產品需求，流阻由31.09 kPa降到12.12 kPa，分離效率僅降低4.01%。

圖7 輸入變量與輸出變量的響應面Fig.7 Response surface between input and output parameters

4 旋風分離器仿真與試驗對比

按照優化方案打造樣件，樣件如圖9所示，并對樣件進行實物驗證，試驗原理圖如圖10所示，試驗獲取產品實際流阻為12.8 kPa，分離效率為86.1%。試驗與仿真的對比見表5，可以看出仿真與試驗結果吻合度較高。

圖8 帕累托前沿Fig.8 Pareto front

圖9 樣件照片Fig.9 Test sample

1.氣源 2、9、12.調節閥 3、10.流量計 4.加塵系統 5、13.壓力表 6.壓差計 7.樣件 8.過濾器 11.集塵器圖10 試驗原理圖Fig.10 Test schematic diagram

表5 仿真與試驗對比Tab.5 Comparison between simulation and test datas

5 結論

(1) 本研究對粗粒型亞利桑那試驗粉粒徑分布進行擬合，得出該粉塵最小粒徑為1 μm，最大粒徑200 μm，平均粒徑為42.27 μm，粒徑分布指數1.126；

(2) 基于Fluent對直流式旋風分離器性能仿真計算，利用Optislang對旋風分離器旋流葉片螺距及葉片長度進行多參數多目標優化，得出螺距對流阻的敏感度為99.7%，對分離效率的敏感度為94.3%；旋轉葉片長度僅對分離效率敏感，對流阻不敏感，匹配葉片螺距為83 mm，葉片長度為30 mm時，實現保證分離效率的前提下降低流阻的目標；

(3) 通過打造樣件，對比仿真與試驗結果可知，該數值方法在旋風分離器流阻特性及分離效率特性預測方面可行、準確，具有工程實踐意義。