姜樂，陳以彪，李炎軍，*，李貴林，劉濤

1.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500

2.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710129

航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)為軸承和齒輪等部件的安全可靠運(yùn)行提供了重要保障。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，軸承腔中由軸承甩出的滑油和密封空氣在高速旋轉(zhuǎn)部件帶動(dòng)下形成復(fù)雜的油氣兩相流動(dòng)狀態(tài)［1-3］，其中大部分滑油沉積到軸承腔壁形成油膜并從回油口流出，部分滑油以油滴的形式隨空氣由通風(fēng)口排出。為減少滑油的消耗并降低對(duì)環(huán)境的污染，通風(fēng)子系統(tǒng)往往在末端采用通風(fēng)器對(duì)油氣混合物中的滑油進(jìn)行分離。傳統(tǒng)通風(fēng)器在提高分離效率的同時(shí)會(huì)帶來更大的通風(fēng)阻力，而阻力增加會(huì)導(dǎo)致軸承腔壓力升高、密封壓差降低，進(jìn)而可能造成密封裝置處的滑油泄漏量也隨之增加，同時(shí)增大碳化結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)［4-5］。因此，通風(fēng)器應(yīng)在保證油氣分離效率的同時(shí)能夠保持穩(wěn)定的軸承腔壓力，防止軸承腔壓力過高［6］。

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)通風(fēng)器的工作原理大多是利用離心作用對(duì)密度差異較大的滑油和空氣進(jìn)行分離，根據(jù)結(jié)構(gòu)和安裝位置的不同分為離心式通風(fēng)器、葉輪式通風(fēng)器和軸心通風(fēng)器等，不同類型通風(fēng)器在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)均形成復(fù)雜的油氣兩相流場(chǎng)，其流動(dòng)狀態(tài)直接影響油氣分離效果和流動(dòng)阻力。因此，高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的良好工作也依賴于通風(fēng)器的正確設(shè)計(jì)。

目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對(duì)各類通風(fēng)器開展了一定的研究工作。Glahn 等［7］研究表明，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dy?namics， CFD）方法預(yù)測(cè)滑油系統(tǒng)油氣兩相流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)是軸承腔優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要途徑，而通風(fēng)器內(nèi)部存在相似的流動(dòng)特征，同樣應(yīng)用CFD 方法預(yù)測(cè)通風(fēng)器內(nèi)部流場(chǎng)和性能也是行之有效的。Eastwick 等［6］采用CFD 方法對(duì)不同安裝位置的通風(fēng)器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)開展了數(shù)值仿真計(jì)算，結(jié)果表明分離效率隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，但通風(fēng)阻力也隨轉(zhuǎn)速的增加急劇上升。Sheri?dan 等［8］提出了一種具有抽吸能力的離心通風(fēng)器，并通過試驗(yàn)獲得了通風(fēng)器的流阻特性。研究表明，該通風(fēng)器的流阻隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，高轉(zhuǎn)速下可以實(shí)現(xiàn)增壓作用，從而能夠提高軸承腔的封嚴(yán)壓差，改善密封漏油的問題。El?sayed 和Lacor［9］對(duì) 旋 風(fēng) 分 離 器 內(nèi) 部 的 油 氣 兩 相流場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，分析了內(nèi)部流速、壓降和分離效率的變化規(guī)律。徐讓書等［10］通過數(shù)值模擬方法研究了不同參數(shù)對(duì)離心通風(fēng)器通風(fēng)阻力的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量的增加都會(huì)造成通風(fēng)阻力的增大，通過調(diào)整通風(fēng)孔和幅板頂圓 的 設(shè) 計(jì) 可 以 降 低 通 風(fēng) 阻 力。Lyu 和Hu［11］建立了油滴與壁面的相互作用模型，通過數(shù)值方法計(jì)算了油滴撞擊通風(fēng)器壁面后的剩余質(zhì)量，研究表明由于撞擊產(chǎn)生的二次油滴質(zhì)量主要由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究了通風(fēng)器離心孔數(shù)量對(duì)分離效率和流動(dòng)阻力的影響，結(jié)果表明，增大排氣孔可以有效降低油滴的最小分離直徑、提高分離效率，同時(shí)保持穩(wěn)定的流動(dòng)阻力［12］。韓金在等［13］應(yīng)用歐拉-拉格朗日方法對(duì)超高轉(zhuǎn)速離心通風(fēng)器內(nèi)部油氣兩相流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量對(duì)壓降和分離效率的影響規(guī)律，結(jié)果表明，超高轉(zhuǎn)速下通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)空心軸的結(jié)構(gòu)可以降低壓降、提高分離效率。張小彬等［14］對(duì)葉輪式通風(fēng)器內(nèi)部的油滴進(jìn)行了受力分析，推導(dǎo)了油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡模型，通過理論分析計(jì)算給出了不同工況條件下油滴的最小分離直徑和分離效率。荊帥等［15-16］采用理論方法分析了通風(fēng)器內(nèi)部節(jié)流孔/板結(jié)構(gòu)的阻力產(chǎn)生機(jī)制，基于節(jié)流孔/板的阻力旋轉(zhuǎn)修正系數(shù)，建立了孔徑式通風(fēng)器通用阻力計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬和部件、整機(jī)試驗(yàn)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。蔡毅等［17］綜合運(yùn)用測(cè)質(zhì)量法和光學(xué)測(cè)量方法，開展部件模型試驗(yàn)獲得了離心通風(fēng)器的分離效率、粒徑分布和壓降數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)速有利于提升分離效率，同時(shí)能夠降低最小分離直徑。

由于通風(fēng)阻力、安裝位置和工藝等限制，一味地增加轉(zhuǎn)速來提高分離效率造成流阻大幅增加，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在已有基礎(chǔ)上，研究人員利用金屬海綿和蜂窩結(jié)構(gòu)孔隙率高、比表面積大的特點(diǎn)，將其填充至原始通風(fēng)器內(nèi)部來阻隔、凝聚油滴，以達(dá)到提升通風(fēng)器分離效率的目的。Willenborg 等［18］對(duì)典型離心通風(fēng)器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，評(píng)估了轉(zhuǎn)速、通風(fēng)量、滑油流量和油滴直徑分布等因素對(duì)分離效率的影響規(guī)律，并提出了通風(fēng)器的優(yōu)化改進(jìn)方案，金屬海綿離心通風(fēng)器可以對(duì)0.5 μm 以上粒徑的油滴具有很好的分離效果，粒徑超過4 μm 后，分離效率可達(dá)99.7%。Steimes 等［19］研究了填充金屬海綿通風(fēng)器的分離效率，結(jié)果指出增加通風(fēng)氣流中的滑油量會(huì)導(dǎo)致更高的絕對(duì)滑油消耗量，進(jìn)一步研究表明這可能是由于液滴總數(shù)增加，其中包含更多小液滴而造成的。此外，他們還指出通風(fēng)器的壓降隨通風(fēng)量的增加而增大，并強(qiáng)烈依賴于幾何形狀和尺寸［20］。趙靜宇等［21］對(duì)不同轉(zhuǎn)速、通風(fēng)量和環(huán)境溫度下蜂窩式軸心通風(fēng)器的油氣分離效果開展了數(shù)值研究，研究表明蜂窩孔結(jié)構(gòu)對(duì)通風(fēng)阻力的影響較小，但其對(duì)油氣分離起到了關(guān)鍵作用，蜂窩孔的滑油分離貢獻(xiàn)率超過了80%；旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)的增加有利于提升分離效率，而無量綱質(zhì)量流量和環(huán)境溫度的增加縮短了油滴的停留時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致分離效率下降［22］。董哲等［23］研究了不同工況下蜂窩式軸心通風(fēng)器的分離效率，數(shù)值結(jié)果表明不同因素在影響分離效率的權(quán)重上相互耦合，同樣發(fā)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的油氣分離效率很高。Cordes 等［24］對(duì)填充金屬海綿的通風(fēng)器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了轉(zhuǎn)速、金屬海綿參數(shù)對(duì)流阻的影響規(guī)律，并分析了通風(fēng)器內(nèi)部流阻的成因。李靜和王旭飛［25］通過數(shù)值方法獲得了金屬海綿的多孔介質(zhì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了填充金屬海綿的通風(fēng)器在不同工況下的阻力特性。研究發(fā)現(xiàn)，不論通風(fēng)器是否旋轉(zhuǎn)，其壓降均隨通風(fēng)量的增加而增大；通風(fēng)器轉(zhuǎn)速越高，壓降也越大。Nie等［26］采用拉格朗日方法研究了油滴在金屬海綿中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)粒徑在1～3 μm 范圍內(nèi)的油滴受流速的影響較大，表面積較小的金屬海綿具有更高的捕油性能。

綜合已有研究工作可以看出，即使通風(fēng)器內(nèi)部填充了金屬海綿等結(jié)構(gòu)，還需要通過提高轉(zhuǎn)速來提升分離效率，伴隨的最大問題仍然是流阻過大，這就需要提高軸承腔壓力以抵消通風(fēng)器及通風(fēng)管路產(chǎn)生的流動(dòng)損失。尤其在慢車狀態(tài)下，空氣系統(tǒng)引氣壓力較低導(dǎo)致難以提供足夠的引氣量來達(dá)到良好的密封效果，這一技術(shù)缺陷在一定程度上已經(jīng)無法滿足滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，迄今鮮有研究關(guān)注氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的流動(dòng)與分離特性。因此，為了解決這一問題，本文提出了一種新型氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器，與傳統(tǒng)離心通風(fēng)器相比，高轉(zhuǎn)速下流阻不增反降，同時(shí)分離效率超過99%，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜多變的工作狀態(tài)下改善軸承腔的密封壓差環(huán)境、有效降低滑油消耗。

本文根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的工作過程和工作特點(diǎn)，建立了三維數(shù)值仿真計(jì)算模型，通過與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值仿真計(jì)算模型的有效性和準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上開展了通風(fēng)器內(nèi)部油氣兩相流動(dòng)和分離特性的數(shù)值模擬研究，獲得了轉(zhuǎn)速、通風(fēng)量和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量對(duì)增壓式離心通風(fēng)器進(jìn)出口壓差、分離效率和最小分離直徑的影響規(guī)律，探討并評(píng)估了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)通風(fēng)器工作性能的影響程度，對(duì)于揭示氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器內(nèi)部流動(dòng)特性、提升分離性能都是很有意義的，同時(shí)能夠?yàn)樵鰤菏诫x心通風(fēng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

圖1（a）給出了氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置。為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中軸承腔內(nèi)部的油氣兩相環(huán)境，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置了油氣摻混裝置，經(jīng)壓縮的干空氣通過加熱器達(dá)到設(shè)定溫度后，其中一路空氣進(jìn)入霧化噴嘴將一定流量的滑油霧化為不同粒徑分布的油滴，另一路空氣在摻混箱中與油霧進(jìn)行充分混合后進(jìn)入試驗(yàn)腔，試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)進(jìn)入試驗(yàn)腔的總流量記為通風(fēng)量，試驗(yàn)取值為某發(fā)動(dòng)機(jī)在典型工作狀態(tài)下的通風(fēng)量：6～20 g/s，供氣溫度為120 ℃；試驗(yàn)中霧化噴嘴滑油流量可調(diào)，通過調(diào)整供氣及供油量可以控制液滴的尺寸分布，試驗(yàn)中滑油質(zhì)量流量均為1 g/s，滑油溫度為53 ℃。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)及裝置Fig.1 Test system and rig instrumentation set-up

圖1（b）為氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的試驗(yàn)段結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)方面，傳統(tǒng)葉輪式離心通風(fēng)器只包含旋轉(zhuǎn)部件，而增壓式離心通風(fēng)器由旋轉(zhuǎn)葉輪和靜子擴(kuò)壓器組成，氣流沿軸向進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉輪流道，被旋轉(zhuǎn)葉輪甩出后沿徑向再流入靜子擴(kuò)壓器。試驗(yàn)中增壓式離心通風(fēng)器由高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍為5 000～25 000 r/min。試驗(yàn)腔側(cè)壁設(shè)有觀察窗，采用粒度儀透過觀察窗可以測(cè)量油滴的粒徑分布。進(jìn)入試驗(yàn)腔的油霧在通風(fēng)器高速旋轉(zhuǎn)下形成復(fù)雜的油氣兩相流動(dòng)狀態(tài)，部分油滴直接沉積在試驗(yàn)腔壁，還有部分油滴隨氣流進(jìn)入通風(fēng)器，離開通風(fēng)器旋轉(zhuǎn)葉輪后，粒徑較大的油滴在離心作用下由排油孔甩出，并沉積至試驗(yàn)腔壁，沉積在試驗(yàn)腔壁面的油膜在重力作用下流回計(jì)量油箱；較小粒徑的油滴跟隨氣流一起運(yùn)動(dòng)，經(jīng)靜子擴(kuò)壓器流入空心軸后排出試驗(yàn)段。

1.2 測(cè)試方法

分離效率是評(píng)價(jià)通風(fēng)器分離性能的重要指標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用中總是希望盡可能地提高分離效率。試驗(yàn)過程中待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后持續(xù)監(jiān)測(cè)滑油的供油質(zhì)量流量m?1，同時(shí)連續(xù)采集計(jì)量油箱中的滑油質(zhì)量流量m?2，該流量是被通風(fēng)器分離滑油的質(zhì)量流量，由于試驗(yàn)腔內(nèi)的強(qiáng)旋流動(dòng)導(dǎo)致滑油質(zhì)量流量存在一定波動(dòng)，因此對(duì)一定時(shí)間間隔Δt=t2?t1內(nèi)的滑油流量進(jìn)行積分來計(jì)算分離效率，計(jì)算式為

式中：η為分離效率；m1和m2分別為Δt時(shí)間間隔內(nèi)的供油質(zhì)量和分離滑油的質(zhì)量。

此外，試驗(yàn)過程中持續(xù)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)腔內(nèi)和排氣口流道的壓力，流過通風(fēng)器的壓差Δp定義為試驗(yàn)腔內(nèi)壓力pc和出口流道壓力po之差，如式（2）所示。

2 數(shù)值方法及模型

2.1 流動(dòng)控制方程

氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)空氣和油滴形成復(fù)雜的油氣兩相流場(chǎng)，建立合理的兩相流模型和湍流模型對(duì)于準(zhǔn)確描述通風(fēng)器內(nèi)部氣流流動(dòng)和油滴運(yùn)動(dòng)軌跡是非常重要的。通風(fēng)器內(nèi)部油滴體積分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)小于10%，屬于典型的稀疏兩相流，所以將空氣相視為連續(xù)介質(zhì)，油滴視為分散相，采用FLUENT 軟件中的歐拉-拉格朗日（Euler-Lagrangian）法來描述增壓式離心通風(fēng)器內(nèi)部的典型油氣流動(dòng)特征。

2.1.1 連續(xù)相控制方程

連續(xù)性方程為

式中：ρa(bǔ)為流體密度；v為流體速度；Sm為附加源項(xiàng)。本文中通風(fēng)器內(nèi)部溫度較低且溫度變化較小，不考慮滑油蒸發(fā)對(duì)氣相質(zhì)量的影響，故Sm=0 kg/（m3·s）。

動(dòng)量方程為

式中：p為壓力；τ?為應(yīng)力張量；Sv為附加源項(xiàng)，在忽略滑油蒸發(fā)的情況下，附加源項(xiàng)為油滴運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)量交換。

離心通風(fēng)器高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致其內(nèi)部存在強(qiáng)旋湍流流動(dòng)，在葉輪、排油孔等位置處存在大量旋渦 且 流 線 彎 曲 明 顯，由Yakhot 和Orszag［27］提 出的RNGk?ε湍流模型對(duì)這類流動(dòng)具有較好的處理效果，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程為

式中：Gk和Gb分別是由平均速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；YM表示可壓縮湍流中波動(dòng)對(duì)耗散率的貢獻(xiàn)；αk和αε為湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；μeff為有效黏度；C1ε、C2ε和C3ε均 為 常 數(shù)。

2.1.2 油滴運(yùn)動(dòng)方程

通過對(duì)拉格朗日參考系下油滴的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分來計(jì)算油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡，油滴運(yùn)動(dòng)方程為

假設(shè)油滴均為球形且不發(fā)生變形，根據(jù)試驗(yàn)中應(yīng)用粒度儀測(cè)量得到油滴群的大小和分布參數(shù)，采用Rosin-Rammler 分布函數(shù)定義油滴顆粒群尺寸［28］，圖2 給出了擬合后油滴的粒徑分布，d表示油滴粒徑，F(xiàn)d表示直徑為d的油滴質(zhì)量占比，Yd表示直徑小于d的油滴質(zhì)量累積分布，油滴直徑范圍為0.1～20 μm，油滴的平均直徑dˉ為5 μm，油滴的直徑間隔為0.2 μm。

圖2 油滴粒徑分布Fig.2 Oil droplet size distribution

2.2 計(jì)算域及邊界條件

圖3 為氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的數(shù)值計(jì)算域。在分析試驗(yàn)裝置的前提下，對(duì)數(shù)值仿真計(jì)算模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，一是未對(duì)霧化噴嘴進(jìn)行建模，油滴與氣流在進(jìn)口處均勻摻混直接進(jìn)入計(jì)算域，并根據(jù)典型運(yùn)行工況給定空氣和滑油的質(zhì)量流量；二是未對(duì)計(jì)量油箱進(jìn)行建模，實(shí)際過程是油滴沉積在試驗(yàn)腔壁后流回計(jì)量油箱，精確捕捉該流動(dòng)過程需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源，數(shù)值仿真計(jì)算中試驗(yàn)腔壁捕獲的油滴即認(rèn)為被通風(fēng)器所分離；三是未對(duì)油霧回收裝置進(jìn)行建模，試驗(yàn)中經(jīng)軸心排出的氣流沿管道全部進(jìn)入回收裝置，數(shù)值仿真中只截取了部分管路，并將管路出口設(shè)定為壓力邊界條件。由于計(jì)算域中同時(shí)包含靜止部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件，本文采用多參考系描述旋轉(zhuǎn)部件的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算域包括旋轉(zhuǎn)葉輪和轉(zhuǎn)軸，靜止計(jì)算域包括試驗(yàn)腔、靜子擴(kuò)壓器以及進(jìn)口和出口，在轉(zhuǎn)、靜計(jì)算域銜接處設(shè)置非共節(jié)點(diǎn)交界面以保證流場(chǎng)信息的正確傳遞。數(shù)值仿真為非定常計(jì)算，為滿足計(jì)算的穩(wěn)定性和精度要求，根據(jù)離心通風(fēng)器轉(zhuǎn)速確定時(shí)間步長取值5×10?7～1.25×10?5s。

圖3 數(shù)值計(jì)算域Fig.3 Numerical calculation domain

在開展不同參數(shù)對(duì)氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器工作特性的影響研究中，主要關(guān)注轉(zhuǎn)速n、通風(fēng)量m?a和旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量N對(duì)通風(fēng)器流動(dòng)和分離特性的影響，各邊界及參數(shù)的取值如表1 所示。圖4 為不同葉片數(shù)量對(duì)應(yīng)葉輪的計(jì)算域，其中葉片數(shù)量分別為6、12、18 和24。

表1 邊界條件及參數(shù)取值Table1 Boundary conditions and parameter values

圖4 不同葉片數(shù)量的葉輪計(jì)算域Fig.4 Computational domain of impeller rotors with different numbers of blades

圖5 為氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格，靜止計(jì)算域和轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算域均采用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，為精確捕捉復(fù)雜油氣兩相流動(dòng)過程，對(duì)葉輪圓弧段和排油孔等位置的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，同時(shí)在各壁面設(shè)置10 層邊界層網(wǎng)格，以保證y+在合理的范圍內(nèi)。為確定數(shù)值計(jì)算域劃分合適的網(wǎng)格數(shù)量，選取5 套疏密不同的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，表2 對(duì)比了不同網(wǎng)格密度下增壓式離心通風(fēng)器的壓差和分離效率。隨著網(wǎng)格數(shù)量的不斷增加，離心通風(fēng)器的壓差和分離效率均趨于穩(wěn)定，G5 與G4 的計(jì)算結(jié)果幾乎相同，表明進(jìn)一步減小網(wǎng)格尺度對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響非常小，在保證計(jì)算精度的前提下，綜合考慮計(jì)算時(shí)間和效率等因素，最終確定整體計(jì)算域的網(wǎng)格數(shù)量為455 萬，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的增壓式離心通風(fēng)器，均按照相同尺度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不同結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量存在一定差異。

表2 不同網(wǎng)格方案對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of calculation results correspond?ing to different grid schemes

圖5 計(jì)算網(wǎng)格Fig.5 Computational grid

2.3 數(shù)值模型驗(yàn)證

圖6 對(duì)比了數(shù)值仿真和試驗(yàn)得到的氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的壓差和分離效率，其中數(shù)值仿真分別給出了標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型和RNGk?ε湍流模型的計(jì)算結(jié)果。在不同轉(zhuǎn)速下，數(shù)值仿真計(jì)算得到的壓差和分離效率與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)符合較好，兩者還存在一定的差異，其原因是數(shù)值仿真對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，同時(shí)試驗(yàn)中所用壓力傳感器、質(zhì)量流量計(jì)和計(jì)量油箱的測(cè)試精度有限。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低轉(zhuǎn)速下（＜1 000 r/min）標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值更接近，分離效率和壓差的最大相對(duì)誤差分別為8.53%和13.13%，RNGk?ε湍流模型計(jì)算獲得的分離效率和壓差與試驗(yàn)值的最大相對(duì)誤差分別為10.04%和14.98%。隨著轉(zhuǎn)速的增加，標(biāo)準(zhǔn)k?ε湍流模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的差異逐漸增大，壓差的最大相對(duì)誤差超過了20%，RNGk?ε湍流模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的吻合度越來越好，相對(duì)誤差隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，高轉(zhuǎn)速下（＞20 000 r/min）壓差的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，分離效率的預(yù)測(cè)誤差也不超過3%。實(shí)際應(yīng)用中主要關(guān)注增壓式離心通風(fēng)器在高轉(zhuǎn)速下的工作性能，因此，本文數(shù)值模擬采用與試驗(yàn)值吻合更好的RNGk?ε湍流模型對(duì)壓差和分離效率進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。下文中采用數(shù)值仿真模擬方法對(duì)增壓式離心通風(fēng)器的流動(dòng)與分離特性進(jìn)行分析與研究。

圖6 數(shù)值仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of numerical simulation and experi?mental results

3 敏感性分析方法

運(yùn)行工況參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器工作特性的影響存在差異，通過開展敏感性分析可以定量評(píng)估各參數(shù)變動(dòng)對(duì)通風(fēng)器工作特性的影響程度，從而確定關(guān)鍵影響參數(shù)，有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到改善通風(fēng)器氣動(dòng)和分離性能的目的。

采 用 基 于 方 差 分 解 的Sobol′方 法［29-30］對(duì) 不同參數(shù)進(jìn)行全局敏感性分析。Sobol′方法的核心是將模型分解為單參數(shù)和參數(shù)間相互組合的函數(shù)，模型Y=f(x)可以分解為

式中：Si為參數(shù)xi的一階敏感性系數(shù)；Sij為參數(shù)xi和xj的 二 階 敏 感 性 系 數(shù)；S1，2，…，k為k階 敏 感 性系數(shù)。

式中：S(i)為所有包含參數(shù)xi的敏感性系數(shù)，其中同時(shí)包含參數(shù)自身以及與其他參數(shù)之間的交互作用影響。

實(shí)際應(yīng)用中，輸入?yún)?shù)與輸出目標(biāo)之間往往是復(fù)雜的非線性關(guān)系，難以直接計(jì)算積分來求解敏感性系數(shù)，多采用蒙特卡洛采樣方法近似求解。在輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)空間通過抽樣得到大量樣本后，完全由試驗(yàn)或數(shù)值仿真計(jì)算輸出參數(shù)是不可能完成的，因此需要基于少量精確離散樣本建立高精度代理模型來近似精確模型。

采用基于插值函數(shù)和隨機(jī)過程的Kriging 模型構(gòu)建輸入?yún)?shù)與氣動(dòng)及分離特性參數(shù)間的關(guān)系。Kriging 模型包括回歸模型和隨機(jī)模型兩部分［31-32］，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：f(x)為回歸模型的基函數(shù)向量；β為待定參數(shù)；fT(x)β為模型提供全局近似；z(x)為靜態(tài)隨機(jī)部分，表示回歸函數(shù)的偏離程度，用來提供局部近似。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 增壓式離心通風(fēng)器工作過程分析

增壓式離心通風(fēng)器流動(dòng)狀態(tài)的變化與流動(dòng)過程中的能量轉(zhuǎn)換密切相關(guān)，可將其整體流動(dòng)過程抽象簡(jiǎn)化為圖7 所示的一維能量交換模型。根據(jù)質(zhì)量守恒及熱力學(xué)第一定律，該流動(dòng)過程的能量方程可寫為

圖7 通風(fēng)器流動(dòng)中的一維能量交換模型Fig.7 One-dimensional energy exchange model for flow in separator

式中：q?、u?和w?s分別為單位質(zhì)量的傳熱量、內(nèi)能和氣流對(duì)外所做軸功；p、ρ、v和z分別為壓力、密度、速度和高度；下標(biāo)1 和2 分別表示進(jìn)口和出口的狀態(tài)；g為重力加速度。

對(duì)于氣體，高度的影響可以忽略，同時(shí)體系與外界不發(fā)生熱量交換，且離心通風(fēng)器內(nèi)流體物性參數(shù)變化不大［6，33］，進(jìn)而能量方程可以表示為

分析式（15）可知，壓差與軸功、內(nèi)能的變化以及動(dòng)能的變化有關(guān)，其中與葉輪接觸的流體以及流體之間會(huì)通過黏性力做功使機(jī)械能向內(nèi)能轉(zhuǎn)換。

4.2 轉(zhuǎn)速對(duì)流動(dòng)及分離特性的影響

圖8 給出了傳統(tǒng)葉輪式離心通風(fēng)器和增壓式離心通風(fēng)器在不同通風(fēng)量下壓差隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，增壓式離心通風(fēng)器旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量為18。由圖可以看出，不同通風(fēng)量下傳統(tǒng)葉輪式離心通風(fēng)器的進(jìn)出口壓差逐漸增大，這表明流動(dòng)阻力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，這與已有結(jié)論完全一致。觀察發(fā)現(xiàn)，增壓式離心通風(fēng)器進(jìn)出口的壓差變化規(guī)律與傳統(tǒng)葉輪式離心通風(fēng)器的結(jié)果截然相反，轉(zhuǎn)速較低時(shí)（＜1 000 r/min），進(jìn)出口壓差僅有微小變化；隨著轉(zhuǎn)速的增加，壓差反而呈現(xiàn)不斷降低的變化趨勢(shì)，即出口壓力高于進(jìn)口壓力，表現(xiàn)出氣動(dòng)增壓的效果。圖9 進(jìn)一步給出了不同轉(zhuǎn)速下增壓式離心通風(fēng)器中間截面的壓力和速度分布，其中通風(fēng)量為10 g/s，旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量為18。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時(shí)，腔室中的一部分氣流通過旋轉(zhuǎn)葉輪入口流動(dòng)，另一部分則通過排油孔依次進(jìn)入靜止葉輪和空心軸，由于氣體與固體壁面以及氣體之間存在摩擦損失，因此由腔室進(jìn)口到空心軸出口的壓力依次降低。轉(zhuǎn)速增加至9 000 r/min 時(shí)，全部氣流均由旋轉(zhuǎn)葉輪入口流入，受旋轉(zhuǎn)離心作用影響，部分氣流在排油孔處重新甩入腔室中，另一部分氣流則依次由靜止葉輪和空心軸排出，該轉(zhuǎn)速下的流動(dòng)狀態(tài)較低速情況發(fā)生了一定變化，但腔室壓力仍高于出口壓力。轉(zhuǎn)速超過18 000 r/min 后，氣流流動(dòng)過程與9 000 r/min 時(shí)的結(jié)果基本一致，但腔室壓力明顯低于出口壓力，氣流流經(jīng)通風(fēng)器后壓力升高，展現(xiàn)出明顯的氣動(dòng)增壓效果。轉(zhuǎn)速達(dá)到25 000 r/min時(shí)，通風(fēng)器的“抽吸”增壓效果進(jìn)一步增強(qiáng)，進(jìn)口壓力比出口壓力低2 700 Pa。

圖8 壓差隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.8 Variation of pressure difference with rotating speed

圖9 不同轉(zhuǎn)速下離心通風(fēng)器中間截面的壓力和速度分布Fig.9 Pressure and velocity distribution in middle section of centrifugal separator at different rotating speeds

圖10 給出了不同通風(fēng)量下旋轉(zhuǎn)葉輪的力矩和氣流做功功率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，力矩為負(fù)表示葉輪所受力矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，功率為負(fù)表示外界對(duì)氣流做功。可以看出，不同通風(fēng)量下力矩和功率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時(shí)，功率＞0 W，表明氣流對(duì)旋轉(zhuǎn)葉輪做功；轉(zhuǎn)速達(dá)到5 000 r/min 后，力矩＜0 N·m、功率＜0 W，表明旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣流做正功。與壓差變化規(guī)律不同的是：低轉(zhuǎn)速下即使旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣流做正功，但壓差仍然為正，造成該結(jié)果的原因：一是轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致流體動(dòng)能增大，二是流體的摩擦損失增加導(dǎo)致內(nèi)能增大，這兩部分能量之和大于旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)流體所做軸功，由式（15）可知，離心通風(fēng)器進(jìn)出口的壓差將＞0 Pa。因此，只有旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣流所做軸功超過動(dòng)能和內(nèi)能的增量之和，才能實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)增壓的效果，這里需要著重降低氣流內(nèi)能的增量，即減小由于碰撞、旋流和黏性摩擦等造成的損失。

圖10 力矩和功率隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.10 Variation of torque and power with rotating speed

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，離心通風(fēng)器往往對(duì)大粒徑油滴具有很好的分離效果，可以將最小分離直徑作為評(píng)價(jià)分離性能的指標(biāo)。圖11 為不同轉(zhuǎn)速下計(jì)算域出口處油滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑分布?？梢钥闯?，大粒徑油滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常小，直接將出口處最大尺寸油滴的粒徑記為最小分離直徑較為不合理。因此，在本文的分析中忽略了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的極大尺寸油滴，文獻(xiàn)［2］在軸承腔油氣兩相流分析中采用了相似的處理方式，從而確定分析時(shí)的最小分離直徑dS，min為

圖11 出口油滴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒徑分布Fig.11 Particle size distribution and mass fraction of oil droplets at outlet

式中：F′d表示出口處直徑為d的油滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖12 給出了傳統(tǒng)葉輪式離心通風(fēng)器和增壓式離心通風(fēng)器在不同通風(fēng)量下的分離效率和最小分離直徑隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系?？梢钥闯?，傳統(tǒng)葉輪式離心通風(fēng)器和增壓式離心通風(fēng)器在不同通風(fēng)量下分離效率和最小分離直徑的變化趨勢(shì)一致，轉(zhuǎn)速越高，離心通風(fēng)器的分離效率越大，同時(shí)最小分離直徑不斷減小，這是由于轉(zhuǎn)速增加后氣流速度顯著提升，油滴受到的離心力和科氏力均增加，使更多油滴遷移至壁面附近，更易被壁面和排油孔捕獲，如圖13 所示，從而提升了分離效率，同時(shí)出口處大粒徑油滴的逃逸數(shù)量逐漸減少，最小分離直徑明顯下降。通過不斷提高轉(zhuǎn)速至20 000 r/min 以上，最小分離直徑的下降趨勢(shì)變緩，始終有少量尺寸較小的油滴難以被分離，但分離效率已逐漸趨向并逼近100%（＞99%），可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

圖12 分離效率和最小分離直徑隨轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系Fig.12 Variation of separation efficiency and minimum separation diameter with rotating speed

圖13 不同轉(zhuǎn)速下油滴的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.13 Motion trajectory of oil droplets at different rotating speeds

綜上分析，與傳統(tǒng)葉輪式離心通風(fēng)器相比，氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的最大優(yōu)勢(shì)在于：通過提高轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)分離效率提升的同時(shí)能夠達(dá)到更好的氣動(dòng)增壓效果，即出現(xiàn)流阻不增加反而持續(xù)下降的現(xiàn)象，這可以在保證分離效率（滑油消耗）的前提下，極大改善軸承腔的封嚴(yán)壓差，降低滑油泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 通風(fēng)量對(duì)流動(dòng)及分離特性的影響

圖14 為不同轉(zhuǎn)速下壓差隨通風(fēng)量的變化關(guān)系，旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量為18。由圖可以看出，不同轉(zhuǎn)速下增壓式離心通風(fēng)器進(jìn)出口的壓差均隨通風(fēng)量的增加而增大，造成該結(jié)果的原因：一是流體與壁面間的摩擦損失增加，二是流體的旋流強(qiáng)度增大，流體之間的損失及壓差阻力均增加，這與傳統(tǒng)離心通風(fēng)器的阻力特性變化趨勢(shì)相似，但前者壓差明顯低于后者。觀察圖14 還發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量存在一定的耦合關(guān)系，通風(fēng)量越大，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)增壓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速越高。

圖14 壓差隨通風(fēng)量的變化關(guān)系Fig.14 Variation of pressure difference with air mass flow rate

圖15 給出了不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)葉輪的力矩和氣流做功功率隨通風(fēng)量的變化關(guān)系?？梢钥闯觯煌D(zhuǎn)速下力矩和功率隨通風(fēng)量的增加均有小幅的增長，且旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣流做正功，但圖14 中壓差仍然增大，這表明旋轉(zhuǎn)葉輪做功的增量不足以抵消由于通風(fēng)量增大所造成流體動(dòng)能和內(nèi)能的增加總量，此時(shí)流體的流動(dòng)損失對(duì)壓差的影響占據(jù)主導(dǎo)。

圖15 力矩和功率隨通風(fēng)量的變化關(guān)系Fig.15 Variation of torque and power with air mass flow rate

圖16 給出了不同轉(zhuǎn)速下離心通風(fēng)器的分離效率和最小分離直徑隨通風(fēng)量的變化關(guān)系。分離效率隨通風(fēng)量的增加而下降，總體下降趨勢(shì)較緩，這是由于通風(fēng)量增加導(dǎo)致油滴所受拖曳力增大，而離心力和科氏力等對(duì)油滴的影響相對(duì)減弱；同時(shí)氣流速度增加導(dǎo)致油滴在通風(fēng)器內(nèi)部的停留時(shí)間縮短，增大了油滴向下游遷移的概率，從而使分離效率有所降低。轉(zhuǎn)速增加至18 000 r/min 后，在6～20 g/s的通風(fēng)量范圍內(nèi)，分離效率始終可保持在95%以上。此外，通風(fēng)量較小時(shí)，最小分離直徑幾乎不變，表明分離效率的降低是由于對(duì)應(yīng)粒徑油滴的逃逸質(zhì)量增加所造成的。進(jìn)一步增大通風(fēng)量，其對(duì)最小分離直徑的影響逐漸顯著，此時(shí)較大尺寸油滴的逃逸是分離效率降低的主要原因。

圖16 分離效率和最小分離直徑隨通風(fēng)量的變化關(guān)系Fig.16 Variation of separation efficiency and minimum separation diameter with air mass flow rate

4.4 葉片數(shù)量對(duì)流動(dòng)及分離特性的影響

圖17 為不同轉(zhuǎn)速下壓差隨旋轉(zhuǎn)葉輪葉片數(shù)量的變化關(guān)系，通風(fēng)量為10 g/s。從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下通風(fēng)器進(jìn)出口壓差的變化趨勢(shì)相似，均隨葉片數(shù)量的增加呈先減小后增大的變化趨勢(shì)，即存在最佳葉片數(shù)量使離心通風(fēng)器的氣動(dòng)增壓效果達(dá)到最好，不同轉(zhuǎn)速下壓差的最大變化量均可超過30%。圖18 對(duì)比了不同葉片數(shù)量下離心通風(fēng)器中間截面的壓力和速度分布，其中轉(zhuǎn)速為25 000 r/min，通風(fēng)量為10 g/s。觀察發(fā)現(xiàn)，不同葉片數(shù)量對(duì)應(yīng)的速度分布相似且差異很小，但壓力分布存在一定差異，在不同葉片數(shù)量的結(jié)構(gòu)中，靜止葉片、空心軸和出口管路部分對(duì)應(yīng)的壓力幾乎相同，主要差異體現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)葉輪、排油孔以及腔室部分，葉片數(shù)量為12 和18 的結(jié)構(gòu)中腔室壓力明顯較低，這表明離心通風(fēng)器的“抽吸”做功能力較強(qiáng)，氣動(dòng)增壓效果較好。

圖17 壓差隨葉片數(shù)量的變化關(guān)系Fig.17 Variation of pressure difference with number of blades

圖18 不同葉片數(shù)量下離心通風(fēng)器中間截面的壓力和速度分布Fig.18 Pressure and velocity distribution in middle section of centrifugal separator with different numbers of blades

圖19 給出了不同轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)葉輪的力矩和氣流做功功率隨葉片數(shù)量的變化關(guān)系。從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下葉輪所受力矩及其對(duì)氣流做功功率隨葉片數(shù)量的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，這在一定程度上從能量角度可以解釋壓差的變化規(guī)律，具體原因是：葉片數(shù)量較少時(shí)，流體與壁面間的摩擦損失較小，但流體在葉片間產(chǎn)生分離流動(dòng)形成漩渦使能量耗散，進(jìn)而導(dǎo)致壓差阻力較大，旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣流的做功能力有限，因此其氣動(dòng)增壓效果較弱；葉片數(shù)量達(dá)到12 時(shí)，流體在葉片通道間的分離減弱，壓差阻力也相應(yīng)減小，然而摩擦阻力有所增大，只要前者大于后者，通風(fēng)器對(duì)氣流的做功能力以及氣動(dòng)增壓效果均會(huì)更大。進(jìn)一步增加葉片數(shù)量后，氣流與壁面之間的摩擦損失迅速增長并逐漸占據(jù)主導(dǎo)，一方面氣流的內(nèi)能明顯增加，另一方面旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)氣流的做功能力下降，因此導(dǎo)致氣動(dòng)增壓效果出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

圖19 力矩和功率隨葉片數(shù)量的變化關(guān)系Fig.19 Variation of torque and power with number of blades

圖20 給出了不同轉(zhuǎn)速下離心通風(fēng)器的分離效率和最小分離直徑隨葉片數(shù)量的變化關(guān)系。整體來看，旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片數(shù)量對(duì)分離效率和最小分離直徑的影響較小，在6～24 個(gè)葉片數(shù)量范圍內(nèi)，分離效率的變化小于1.0%，最小分離直徑的變化＜0.8 μm，其原因是：進(jìn)入通風(fēng)器的油滴主要在排油孔及內(nèi)壁面處進(jìn)行分離，調(diào)整葉片數(shù)量在一定程度上對(duì)氣流的湍流脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，但氣流的湍流脈動(dòng)對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響有限，因此分離效率和最小分離直徑也僅有較小的變化。

圖20 分離效率和最小分離直徑隨葉片數(shù)量的變化關(guān)系Fig.20 Variation of separation efficiency and minimum separation diameter with number of blades

4.5 參數(shù)敏感性分析

通過上述分析來看，不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)通風(fēng)器進(jìn)出口壓差、分離效率和最小分離直徑的影響程度相差較大，且不同設(shè)計(jì)參數(shù)間存在交互耦合影響。圖21 給出了設(shè)計(jì)參數(shù)的一階敏感性系數(shù)和總敏感性系數(shù)，其中x1、x2和x3分別代表轉(zhuǎn)速、通風(fēng)量和葉片數(shù)量。可以看出，在研究的全部參數(shù)范圍內(nèi)，無論是一階敏感性系數(shù)還是總敏感性系數(shù)，兩種指標(biāo)得到各設(shè)計(jì)參數(shù)的重要性排序一致。各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壓差的影響程度排序?yàn)閤1＞x2＞x3，且旋轉(zhuǎn)葉輪葉片數(shù)量的影響遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量的影響，但在給定轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量的情況下，仍可以通過優(yōu)化葉片數(shù)量達(dá)到最佳氣動(dòng)增壓效果。各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)分離效率的影響程度排序?yàn)閤1＞x3＞x2，4.3 節(jié)中的結(jié)果表明葉片數(shù)量對(duì)分離效率的影響較小，但這只是針對(duì)特定轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量的結(jié)果，在全部參數(shù)范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)葉輪葉片數(shù)量對(duì)分離效率的影響仍大于通風(fēng)量的影響，這也體現(xiàn)了開展全局敏感性分析的重要性。各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)最小分離直徑的影響程度排序?yàn)閤2＞x1＞x3，雖然通風(fēng)量對(duì)分離效率的影響很小，但其對(duì)最小分離直徑的影響卻最顯著，這表明分離效率不僅取決于逃逸油滴的粒徑分布，同時(shí)與各粒徑對(duì)應(yīng)逃逸油滴的質(zhì)量密切相關(guān)。

圖21 設(shè)計(jì)參數(shù)的一階敏感性系數(shù)和總敏感性系數(shù)Fig.21 First-order sensitivity coefficients and total sensitivity coefficients of design parameters

圖21 中設(shè)計(jì)參數(shù)的一階敏感性系數(shù)與總敏感性系數(shù)存在差異，結(jié)合前述分析可知，設(shè)計(jì)參數(shù)間還存在交互影響，圖22 給出了設(shè)計(jì)參數(shù)的二階交互敏感性系數(shù)熱圖。從圖中可以看出，對(duì)于通風(fēng)器進(jìn)出口壓差，轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量的交互影響起著關(guān)鍵作用，這是由于轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量共同決定了氣流損失和葉輪對(duì)氣流的做功。對(duì)于分離效率，通風(fēng)量和葉片數(shù)量的組合對(duì)分離效率的影響最大，其次轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量的組合對(duì)分離效率的影響也較大。對(duì)于最小分離直徑，轉(zhuǎn)速和通風(fēng)量組合的影響最顯著。

圖22 設(shè)計(jì)參數(shù)的二階交互敏感性系數(shù)熱圖Fig.22 Second-order interaction sensitivity coeffi?cients of design parameters

設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壓差、分離效率和最小分離直徑的影響截然不同，為綜合改善氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的工作性能，在實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合敏感性分析結(jié)果權(quán)衡壓差、分離效率和最小分離直徑對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感度，重點(diǎn)關(guān)注具有較大影響的設(shè)計(jì)參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行合理匹配。

5 結(jié) 論

采用數(shù)值仿真計(jì)算方法，針對(duì)氣動(dòng)增壓式離心通風(fēng)器的流動(dòng)及分離特性進(jìn)行了研究，分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壓差、分離效率和最小分離直徑的影響規(guī)律，評(píng)估了通風(fēng)器工作特性對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感度，得到的主要結(jié)論如下：

1） 提高轉(zhuǎn)速總是有利于提升分離效率、降低最小分離粒徑，同時(shí)氣動(dòng)增壓效果更加明顯，旋轉(zhuǎn)葉輪所受力矩和功率消耗也更大；轉(zhuǎn)速達(dá)到25 000 r/min、通風(fēng)量為10 g/s 時(shí)，進(jìn)口壓力比出口壓力低2 700 Pa，分離效率可達(dá)99.5%。

2） 通風(fēng)量越大，分離效率越低、最小分離直徑越大，而且旋轉(zhuǎn)葉輪所受力矩和功率消耗也更大，但氣動(dòng)增壓效果逐漸被削弱。

3） 存在最佳葉片數(shù)量使氣動(dòng)增壓效果達(dá)到最好，壓差的最大變化量均可超過30%，分離效率和最小分離直徑受旋轉(zhuǎn)葉輪葉片數(shù)量的影響較小。

4） 壓差和分離效率受轉(zhuǎn)速的影響最顯著，通風(fēng)量對(duì)最小分離直徑的影響最大；設(shè)計(jì)參數(shù)之間對(duì)通風(fēng)器工作特性還存在交互作用，設(shè)計(jì)時(shí)還需根據(jù)敏感性系數(shù)對(duì)其進(jìn)行合理匹配。