粒子分离器砂尘分离效率试验参数影响分析

砂尘试验是评估和验证粒子分离器砂尘分离能力的核心方法,砂尘分离效率试验结果除受试验器测试精度影响,还与 砂尘投放方式直接相关。为了摸清某粒子分离器砂尘分离效率的试验影响因素,结合流动机理分析、CFD仿真和试验方法,分别 针对粒子分离器进口粒子分布均匀性、砂尘浓度和喷砂速度3种因素对砂尘分离效率的影响进行了分析。结果表明：粒子分离器 进口砂尘分布均匀性是影响砂尘试验结果的主要因素,在给定浓度分布模型下,进口砂尘非均匀分布比非均匀分布砂尘分离效率 降低接近7%;进口砂尘浓度在2000 mg/m3范围内变化不会对分离效率试验结果产生显著影响;喷砂速度增大,大粒径粒子受壁面 反弹影响,使粒子分离器总分离效率呈下降低趋势。     

整体式粒子分离器性能的试验研究

为了探索整体式进气粒子分离器(IPS)分离效率的变化规律,针对两种具有不同型面曲率的整体式粒子分离器的三维结构模型开展试验,重点研究了主流路流量、扫气比(SCR)、进口马赫数、进口砂粒浓度和分离器间距对粒子分离器性能的影响规律。实验结果表明:(1)对于不同粒径砂粒,两种模型分离效率均出现随着主流路流量增大而减小的趋势,其中在主流路流量相同的情况下,型面变化平缓的模型分离性能要优于型面变化剧烈的模型;(2)两种整体式粒子分离器模型的分离效率均随扫气比的增大呈现先增大后减小的变化,且这种规律与砂粒粒径无关;(3)随着进口马赫数的增大,两种整体式粒子分离器模型分离效率均仅出现小幅度减小,但在同一进口马赫数下,两种模型分离效率差异显著,最大达到6.54%;(4)采用C级砂时,可以认为粒子浓度对粒子分离器的分离效率没有影响;(5)当分离器轴向间距减小或径向偏离轴线间距减小时,粒子分离器模型的分离效率将出现不同幅度增大。     

整体式粒子分离器数值模拟

 为找出分离效率更高、压力损失更小的最优型面设计，以两种型面差异较大的整体式惯性粒子分离器为研究对象，利用FLUENT计算软件对其内二维两相流动进行了数值模拟，得到了分离器对不同粒径的砂粒的分离效率，以及不同清除比对分离效率的影响，并对计算结果进行了比较分析。在此基础上，分析了型面对分离效率的影响因素。计算采用标准k-ε模型，颗粒相采用拉格朗日轨道模型。结果表明：对C规范砂，型面变化剧烈的模型（IPS01）的分离效率比型面变化平缓的模型（IPS02）的平均低1.60%，进气总压损失平均增大0.53%；对AC粗砂，分离效率前者比后者平均高0.25%，进气总压损失平均增大0.58%。相比较而言，IPS02更具实际应用价值。     

惯性粒子分离器清除流道PIV测量与分析

采用粒子成像测速技术（PIV）对惯性粒子分离器弯曲通道模型进行内部流动测试,分析其清除流道流场的结构特点。试验发现,在清除流道进口的不同高度截面上均有回流涡的存在,在不同清除流比（SCR,14%~20%）、不同流量下回流涡结构不同。回流涡的存在是导致小粒径颗粒分离效率低的原因之一。试验结果表明：固体壁面对该回流涡存在很大影响,即越靠近壁面回流涡尺度越大;当SCR值越大时,回流涡占清除流道面积越小;而当进口流量增大时,回流涡尺度变化很小。内部流场以及回流涡尺度的主要影响因素为SCR。本文结果可以为数值模拟以及分离器结构改进提供依据。     

带扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器仿真

对一种带有扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器进行了仿真研究,获得了该粒子分离器的流动及粒子分离特性.结果表明:原型方案中粒子分离器扫气通道顶部和底部流动不畅,使得扫气蜗壳不能周向均匀进气并且局部出现倒流.当扫气比为19%时,主流道出口截面总压恢复系数为0.982,AC砂和C砂分离效率较差,分别为64.8%和76.6%.而在扫气蜗壳内收集管上游加装隔板后,其进气特性的周向均匀性及蜗壳内旋涡结构得到改善,粒子分离效率也得到显著提高:相同扫气比下,AC砂和C砂的分离效率分别提高了18.1%和20.9%,且主流道出口截面的总压恢复系数基本不下降.      

直升机/粒子分离器一体化流场特性: 第一部分 前进比的影响

针对典型布局条件下直升机/粒子分离器的一体化流动特性进行了仿真研究.利用相关试验数据对仿真方法的有效性进行了检验,将整体式粒子分离器安装至类“阿帕奇”直升机外型上,形成了一种典型直升机/粒子分离器布局方案,并分析了其在不同前进比下的一体化流场特性.结果表明:较高前进比下,在粒子分离器进口上游的齿轮箱外罩上出现了复杂的三维流动分离,使得粒子分离器在较不均匀的进口来流条件下工作.与独立粒子分离器状态相比,一体化条件下粒子分离器主流出口、扫气流出口的总压损失均有所加大,增幅分别为1%和8%.      

车载燃气轮机进气砂尘分离器设计与验证

对车载燃气轮机进气砂尘分离器的设计方法进行了研究,根据设计要求,提出了一套涡旋管粒子分离器的设计方案和设计流程,并据此设计了隔栅式涡旋管和空气滤清器总成.对涡旋管的三维气固两相流动进行数值模拟.以空气滤清器总成为试验对象,进行了气动试验和砂尘分离试验.数值模拟和试验结果表明:进气砂尘分离器的设计方法能够达到预期的设计效果,设计的分离器满足设计要求,所采用的数值模拟方法可以较准确地模拟涡旋管的三维气固两相流动,计算结果可信.      

粒子撞击树脂涂层/铝/合金钢板的反弹特性试验

为了精准探索直升机进气粒子分离器性能,研究了砂粒撞击不同壁面材料的反弹特性。采用粒径为600～800μm的砂粒撞击树脂涂层/铝/合金钢板开展试验探究。设计的试验系统可实现单颗粒子撞击板面。撞击角度在10°～80°范围内变化,撞击前后的速度矢量由高速摄影仪拍摄获得。结果表明:撞击树脂涂层板时,法向恢复系数要高于撞击铝板及合金钢板的法向恢复系数。切向恢复系数主要受摩擦力的影响。同时由于阴影效应的影响,在接近切向/法向撞击时,切向/法向恢复系数分别出现大于1的现象。不同扫气比（SCR）下,应用砂粒撞击铝板的切向/法向恢复系数对粒子分离器进行数值模拟的分离效率与已有的分离器试验结果最接近。      

非球形粒子反弹分布特性试验探究

砂粒撞击发动机进气粒子分离器壁面会决定粒子的运动轨迹。为了获得不规则形状对反弹特性的影响,进行了600μm钢珠及600~800μm非球形石英颗粒撞击树脂涂层板/合金钢板/铝板的试验,并分析了统计分布规律。试验结果表明,球形颗粒的恢复系数较为集中,而非球形的石英粒子在相同角度下的恢复系数大致符合高斯分布。切向恢复系数分布则随着撞击角度增加变得更加集中,标准差在撞击角为10°时可达0.28。法向恢复系数趋势相反,标准差在70°时为0.38。法向恢复系数小于0的概率为0,且呈正偏态分布。不同材料壁面的恢复系数相对分布范围主要受粗糙度影响,但对于法向恢复系数,还受到法向分量引起的变形的影响。     

基于概率反弹碰撞模型的进气粒子分离器两相流数值模拟

通过5点Gauss-Hermite积分拟合粒子与固壁碰撞后,反弹速度和角度的概率密度分布试验数据,建立粒子与固体碰撞/概率反弹模型.将该模型应用于直升机用整体式预旋与非预旋进气粒子分离器气固两相流场数值模拟,并与另外两种常用的粒子与固壁碰撞反弹模型(平均恢复系数模型、完全弹性碰撞模型)的计算结果进行了对比.结果表明:上述3种碰撞模型都能较好地预测AC粗砂的分离效率；对于C级砂,基于完全弹性碰撞模型的预测结果则过低；基于平均恢复系数模型的预测结果明显偏高,有预旋时尤其明显；而基于概率反弹模型的预测结果处于两者之间,与试验结果吻合更好.      

直升机/粒子分离器一体化流场特性: 第二部分 桨盘载荷的影响

采用等效盘模型与全三维黏性仿真相结合的方法,对旋翼下洗流干扰下直升机/粒子分离器的一体化流场特性进行了仿真研究.验证了ROBIN(rotor body interaction)模型,对类“阿帕奇”直升机/粒子分离器进行了大、小前进比时不同桨盘载荷下的一体化流场特性仿真,并对比了一体化条件、孤立条件下粒子分离器工作特性差异.结果表明:小前进比时下洗流对粒子分离器进口的分离流结构影响较大,且下洗流携带动能的叠加使得一体化条件下扫气流出口的总压损失反而比独立粒子分离器低;较大前进比状态下,下洗流干扰使得齿轮箱外罩鼓包后的分离区位置向两侧偏移,范围相比无桨盘载荷状态有所扩大,不过其对粒子分离器气动性能参数的影响并不明显.      

分流器对进气粒子分离器性能的影响

为了揭示分流器位置及形状对进气粒子分离器(IPS)性能的影响,采用Realizable k-ε湍流模型对IPS进行了数值模拟,得到了分流器沿轴向移动及径向移动对IPS流场、分离效率、总压损失的影响,在此基础之上,研究了分流器唇口处与内壁面最高点轴向距离及径向距离的比值及分流器形状对IPS的影响,结果表明:比值较大时,随着轴向距离的增加,总压损失呈下降趋势,且下降梯度较大.当比值较小时,总压损失呈先减小后增加的趋势;与未改变分流器形状相比,分流器形状改变后总压损失有所降低,分离效率提高,并且分流器唇口处最高马赫数有所降低.      

涡旋管砂尘分离效率计算方法

本文介绍了直升机发动机进气防砂装置核心元件-涡旋管的砂尘分离效率计算方法.在柱坐标系中推导出了砂尘在涡旋管中运动的三维动力学方程,并通过数值计算方法,成功地解决了砂尘在涡旋管中运动轨迹的求解问题,得出了涡旋管砂尘分离效率计算方法和计算结果,试验数据表明,该计算方法是可行的.     

二维粒子分离器的流场及分离效率的数值模拟

数值模拟了某型惯性粒子分离器(简称IPS)的二维有粘轴对称流场分布、及各种不同尺寸砂粒的轨迹及分离效率,采用贴体坐标网格,并将多连通域转换成单连通域,在任意非正交曲线坐标系下求解IPS的分叉流动、粒子运动轨迹和分离效率。计算与实验结果吻合良好,表明:本文所采用的方法和编制的程序能反映粒子分离器的主要特征。