基于数值仿真的动压式油气分离器流场分析

沙嵬; 李金雨; 姚森瀚; 苏壮; 李广超

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505995

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (23) :10133-10140 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505995

航空、航天

基于数值仿真的动压式油气分离器流场分析

沙嵬 ¹ ,
李金雨 ¹ ,
姚森瀚 ²^,³^,^* ,
苏壮 ²^,³ ,
李广超 ¹

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Flow Field Analysis of Dynamic Pressure Oil-gas Separator Based on Numerical Simulation

SHA Wei ¹ ,
LI Jin-yu ¹ ,
YAO Sen-han ²^,³^,^* ,
SU Zhuang ²^,³ ,
LI Guang-chao ¹

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摘要

针对传统动压式油气分离器在航空发动机滑油系统中存在的分离效率不足、压降较大等问题,设计了一种结构优化方案。基于计算流体力学方法,采用多相流模型对多排孔动压式油气分离器内部气液两相流动特性进行数值模拟,系统分析了分离器内部的流场分布及分离性能。仿真结果显示,该油气分离器内部气液分离界面清晰,分离器内部可形成均匀等压面,速度场分布合理,符合兰金涡和循环流耦合分布特征。研究结果表明,多排孔动压式油气分离器通过增加圆锥段开孔,可以产生有益循环流并使分离效率达90%以上,同时降低内部流动阻力;多工况对比分析进一步验证了该结构在宽工况范围内的适应性,油气分离效率随油气比升高而升高,随入口流量增加而升高,但是过低或过高的温度均会导致分离效率降低。多排孔动压式油气分离器能够满足航空发动机滑油箱的高效分离需求。

Abstract

To the problems of insufficient separation efficiency and significant pressure drop in traditional dynamic-pressure oil-gas separators used in aeroengine lubrication systems, a structural optimization scheme was proposed. Based on computational fluid dynamics (CFD) methods, the multiphase model was employed to numerically simulate the gas-liquid two-phase flow characteristics inside a multi-row-hole dynamic-pressure oil-gas separator. The flow field distribution and separation performance within the separator were systematically analyzed. It is shown that the gas-liquid phase interface in the oil-gas separator is clear. A uniform isobaric surface is formed inside the separator, and the velocity field distribution is reasonable. It conforms to the coupling distribution characteristics of a Rankine vortex and circulation flow. It is shown that beneficial circulating flow is generated by increasing the number of holes in the conical section of the multi-row-hole dynamic-pressure oil-gas separator. A separation efficiency exceeding 90% is achieved, and internal flow resistance is reduced. The adaptability of this structure over a wide range of operating conditions is further verified by comparative analysis under multiple operating conditions. The oil-gas separation efficiency is increased with the rise of the oil-gas ratio. It is also increased with the increase of the inlet flow rate. However, the separation efficiency is decreased when the temperature is either too low or too high. The requirement for high-efficiency separation in the aero-engine oil sump is met by the multi-row-hole dynamic-pressure oil-gas separator.

Graphical abstract

关键词

动压式油气分离器 / 数值仿真 / 油气两相流 / 分离效率 / 兰金涡

Key words

dynamic pressure oil-gas separator / numerical simulation / oil-gas two-phase flow / separation efficiency / rankine vortex

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沙嵬, 李金雨, 姚森瀚, 苏壮, 李广超. 基于数值仿真的动压式油气分离器流场分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(23): 10133-10140 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505995

SHA Wei, LI Jin-yu, YAO Sen-han, SU Zhuang, LI Guang-chao. Flow Field Analysis of Dynamic Pressure Oil-gas Separator Based on Numerical Simulation[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(23): 10133-10140 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505995

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航空发动机工作时,在齿轮箱、转轴等附件位置滑油和空气受到急剧挤压而形成乳化物,使滑油的冷却效果和循环效率降低,因此要在润滑系统回油路中使用油气分离器。在多种油气分离器中,动压式油气分离器结构更加简单,无旋转运动部件,整体质量小,油气分离性能好,符合航空发动机的整体设计要求,被中小型航空发动机广泛应用^[1-2]。

动压式油气分离器也常用于石油化工、采矿等行业,被称为水力旋流器^[3-4]。油田在开采末期含水量较高,有必要将油、水和沙砾进行分离,水力旋流分离技术利用各相流体旋转离心力的差异实现多相分离^[3]。目前进行油气分离器流场分析时,仿真结果与实验的误差已经足够小,以至于数值模拟广泛用于气液多相流流场的研究^[5-6]。油气分离器内的流场会影响分离性能,例如,短路流就会影响轴向速度分布,从而使分离效率降低,而对称分布的内部流场可以提高分离效率^[7]。李美求等^[8]采用欧拉多相流模型和群体平衡模型研究多入口旋流分离器的分离性能,研究发现当流速足够大时油滴所受剪切力足以使其破碎,从而使分离效率降低。Ke等^[9]采用不同的湍流模型分别与实验结果对比,发现切向速度分布对分离效率起着关键作用,当涡线具有良好的对称性时涡核紧贴几何中心,此时涡的完整性和流场稳定性均最佳,切向速度衰减变慢使分离效率提高。由于气核的发展和移动会使油气分离器内部各处的流型发生变化^[10-11],必须考虑气泡的聚合和破碎行为。

在传统分离器研究中,轴向速度较小时工质在分离器中的停留时间可以延长,有助于改善分离效果。轴向速度对称性越好流场越稳定,而对称性主要与入口位置有关,很多学者对不同的流动参数和分离器结构对内部流场形态的影响开展研究。朱卫兵等^[12]通过实验研究指出分离器的流量超过一定值后出口含气率会急剧升高,并且可以观察有无气液分界面判断涡旋强度是否平衡。刑雷等^[13]利用仿真和优化分析给出分离器最佳直径和锥角,并计算出分离效率最佳的油气流量范围和分流比,提出流量过低时离心力不足,过高时湍流损耗增大。流量过大时也会导致湍流度加剧,造成细颗粒相的再夹带^[14]。一些学者提出提高入口流速使分离效率呈先升后降趋势,如果起旋速度过大会导致轴心处湍动能波动加剧,导致轻相油滴破碎风险增大^[15-16]。压降一般随流速增加单调上升^[16]。分离器筒体长度不应过长或太短,这均会导致分离性能下降,过度延长筒体会明显削弱下方旋流,从而导致分离效果变差^[17]。Zhang等^[18]认为当长径比在5~6时分离器的分离性能最好。对于带有圆锥段的分离器,锥角减小会延长停留时间进而提升分离效率并降低压降^[14-15]。

综上所述,以往对油气分离器的结构优化主要从改变进口角度、锥段形状等几何结构入手。由于航空发动机结构紧凑,难以单纯依靠增大分离器尺寸来提高分离性能。现利用CFD仿真方法验证在锥段开孔作为优化分离性能的可行性,并通过计算多种工况,研究新式动压式油气分离器的流场特征和分离机理,进而揭示不同的流动参数对油气分离效果的影响规律。研究结果不仅可以为优化航空发动机油气分离系统提供指导,也可以为油田采出液净化处理设备的合理选择提供参考。

1 多排孔动压式油气分离器结构

如图1所示,新型多排孔动压式油气分离器主要由切向入口、圆柱段、圆锥段和溢流口组成。与传统的动压式油气分离器相比,该结构创新性地在圆锥段均布四圈圆形出口,个数分别为14、12、10和8,底部有下出口。理论上锥面圆孔可以使滑油快速脱离,从而提高循环效率。

2 数值计算模型

滑油箱回流是油气重度掺混的泡状流,在经过分离后成为界面分明且强烈对流的分层流。为了能够同时描述两种流型,采用基于均相流假设的数值计算模型。由于滑油箱位于密封性很好的机体内部,箱体内外温度差别不大,因此忽略箱体传热和自然对流,并假设空气为理想气体。

2.1 控制方程组

(1)连续性方程。

(1)$ \frac{\partial \rho_{\mathrm{m}}}{\partial t}+\nabla \cdot\left(\rho_{\mathrm{m}} \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}}\right)=0$

式(1)中:ρ_m为流体密度;v_m为流体速度矢量。

(2)动量方程。

(2)$ \begin{array}{l}\frac{\partial}{\partial t}\left(\rho_{\mathrm{m}} \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}}\right)+\nabla \cdot\left(\rho_{\mathrm{m}} \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}} \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}}\right)=-\nabla p+ \\\nabla \cdot\left[\mu_{\mathrm{m}}\left(\nabla \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}}+\nabla \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}}^{\mathrm{T}}\right)\right]+\rho_{\mathrm{m}} \boldsymbol{g}+\boldsymbol{F}\end{array}$

式(2)中:F为体积力;p为控制体表面压力;μ_m为混合物黏度;g为重力加速度。

(3)体积分数方程。

(3)$ \frac{\partial}{\partial t}\left(\alpha_{\mathrm{g}} \rho_{\mathrm{g}}\right)+\nabla \cdot\left(\alpha_{\mathrm{g}} \rho_{\mathrm{g}} \boldsymbol{v}_{\mathrm{m}}\right)=-\nabla \cdot\left(\alpha_{\mathrm{g}} \rho_{\mathrm{g}} \boldsymbol{v}_{\mathrm{dr}, \mathrm{~g}}\right)$

式(3)中:α_g和ρ_g分别为气相的体积分数和密度;v_dr,g为气体漂移速度。主相和次相分别为滑油和空气。

动压式油气分离器内部各向异性的三维旋转流动较为复杂,且存在大量局部二次流,这种情况下湍流强烈的各向异性对于时均流动具有显著的影响。对于此类流场SST(shear stress transport) k-ω模型比k-ε模型(k为湍动动能,ε为湍流耗散率,ω为比耗散率)更适合。使用ANSYS Fluent耦合求解压力和速度项,并分别使用最小二乘法和PRESTO!离散控制方程的梯度项和压力项,其他控制变量使用二阶迎风格式,收敛残差为1.0×10^-4。

2.2 模型验证

为验证数值模型的准确性,利用该模型计算文献[19]的工况一,气液工质分别为空气和水与甘油的混合物,入口流量为3.8 L/min。选取Y₁(z= 317.5 mm)截面直径上的数据作为对比,对比结果如图2所示。通过对比发现,本模型计算的仿真结果与实验结果有相似的变化趋势,并且平均误差小于10%,可以验证计算模型的准确性。

2.3 网格划分与边界条件

油气从圆锥段油孔排出后具有高切向速度,为增加计算稳定性,将部分油箱环境加入计算域中。对全部计算域划分多面体网格,并在分离器入口、出口及溢流口处加密网格。如图3所示,蓝色面为速度入口,红色部分为压力出口,压力为130 kPa,其余面为无滑移绝热壁面,紫色部分为分离器内部,绿色部分为外接流体域。在入口和各排油孔出口以及中轴线上设置数据监测面。

如图4所示,利用温度120 ℃、滑油流量65 L/min、油气比1∶1进行网格无关性验证,网格数从11万扩展至62万。对比不同网格计算的截面1直径上的切向速度,当网格增加到37万后速度值变化很小,确定网格数量为37万,对应的分离器内部最大网格尺寸为1.2 mm,外部域最大网格尺寸为2.2 mm。

为使模拟结果更接近实际,选取航空发动机常用的4106号中黏度航空润滑油,不同温度下滑油和空气的黏度和密度如表1所示。

为研究不同油气比、流量、温度下分离器的工作状态,共模拟8种工况,如表2所示。

3 计算结果分析

所分析的数据均为各工况流场稳定后的时均值,具体分析结果如下。

3.1 油气相分布

滑油和空气的体积分数分布可以直接反映两相分离的情况。通过分析发现,各工况在稳定后的相分布情况相似,以工况a为例进行说明。如图5所示为分离过程达到稳定状态后,截面1到截面6的滑油体积分数。油气混合物自进入分离器圆柱部分就在离心力的作用下逐渐分离,高密度的润滑油向壁面聚集,低密度的空气则集中在中心区域及分离器下部,形成了明显的油气分离界面;分离后的滑油主要从第一排出口离开分离器,空气相则主要从下三排出口离开分离器,滑油和空气在油气分离器中实现完全分离。

3.2 分离效率和压降

分离效率是评判分离器性能的最重要指标,压降直接反映分离器的流动阻力大小。质量流量监控法得出分离效率和压降的计算公式为

(4)$ \eta=\frac{m}{M} \times 100 \%$

(5)$ \Delta P=P_{\text {in }}-\bar{P}$

式中:η为分离效率;m为除溢流口外各排出口滑油的质量流量之和;M为入口滑油的质量流量;P_in为入口压力;$\stackrel{-}{P}$为各排出口的平均压力。

如图6所示为不同工况下的分离效率和压降图。由仿真结果可知,分离器在不同工况下均可达到90%以上的分离效率和较低的压降。这表明分离器内部的流动阻力较小,可以降低内部的能耗,该分离器可以适应大流量、高含气的工作环境。对比工况a、b、c、d可知,随着油气比的升高分离效率与压降都升高。当滑油体积流量不变,由于气体体积流量升高后空气流速增大,使得与空气掺混的滑油速度一同增大,从而增强了离心分离效果,但是流速增加也会带来更大的流动损失,从而引起压降升高。对比工况a、e、f可知,随着入口滑油流量由50 L/min增加至80 L/min,滑油和空气的流速均升高,从而引起更大的流动损失,压降随之增加,分离效率也随着离心分离作用的增强而升高。对比工况a、g、h可知,随着油气温度的增加,滑油黏度降低使得流速增加,压降轻微升高;分离效率先升高再降低,这表明除了滑油黏度外,流场和压力场特征也可能影响分离效果,需要结合压力与速度分布等因素具体分析。

如表3所示为参数变化引起的分离效率和压降的变化幅度。可见,当油气比升高至滑油占比更高后,分离效率上升速度减缓,但是压降升高速度增加,这是由于滑油密度远高于空气,其动能也更大。当油气流量升高,分离效率的增幅低于油气比增加引起的变化,但是压降升高幅度与油气比的影响接近,故发动机工作循环应尽可能维持低滑油流量。温度引起的分离效率和压降幅度均低于其他两种因素,表明滑油黏性和密度变化对分离效果和能耗的影响甚微,最佳滑油温度约为120 ℃。

3.3 压力分布

如图7所示为工况d下截面6的压力分布云图,选用该工况是因其初始流速较大,压力梯度变化比较明显。如图8所示为8种工况下线段I-I(z=7 mm)的压力分布。由图7可知,高压区主要集中在分离器入口和第一排出口以上的锥面部分。由图7和图8可知,靠近分离器入口一侧近壁面处流场的压力较大,而在其他区域压力分布较为均匀,压力大小从壁面至中心处逐渐减小,压力曲线呈U形分布,流场中形成了较为均匀的等压面。对比图7和图5,高压区与高密度滑油的聚集区均在近壁面处,向上延伸至圆柱段顶端,向下延伸至第一排出口,这也验证了分离器具有良好的分离效果。

由图8可知,对比工况a、g、h的压力分布曲线可知,工况a的近壁面处压力梯度最大,其分离效率也最高,工况h的压力梯度和分离效率次之,故随着温度的变化,分离器的分离效率与压力梯度正相关。对比工况a、b、c、d,随着油气比的增加压力梯度增大,分离效率也随之增大。对比工况a、e、f可知,随着流量的升高压力梯度增大,分离效率也随之升高。由于速度场和压力场相关联,近壁面处的高压力梯度意味着速度变化梯度相应较大,因此有利于油气分离。

3.4 流场分析

如图9所示为工况d下分离器纵剖面时均速度云图与流线图,其他工况的结果与之相似。由图9可知,在分离器内部产生了3个稳定涡旋,最上方的涡旋为分离器内部形成的短路流,中间和下方的涡旋为分离器内部流场的纵向双涡循环流,分别为主循环流和次循环流。结合油气相分布规律可知,短路流主要存在于气相,其卷吸了部分圆柱段侧壁的滑油从溢流口流出分离器,但是对分离效率影响较小,后续可通过结构优化来减少短路流的产生。双涡循环流可以引导油相和气相排出分离器,主循环流主要引导油相和部分气相从第一排出口离开,而其他部分气相被次循环流引导,从下方几排出口离开分离器。同时双涡循环流可以增加混合物的停留时间,对分离器的性能有增益效果。

如图10所示工况a、e、f纵剖面的速度云图。由图9和图10可以得知靠近入口一侧速度较大,远离入口一侧速度较小,在分离过程中近壁面处的滑油具有较大的速度,而中间区域的空气的速度较小,使滑油和空气具有较大的速度差,这是滑油与空气因密度差在离心力作用下发生分离的体现。并且通过比较工况a、e、f主循环流的涡心位置和分离效率可知,在体积流量增大时涡心位置升高,分离效率也随之增大。这是由于主循环流的涡心位置越高,滑油更容易从分离器的前两排出口离开分离器,故分离效率越高。

如图11和图12所示分别为圆柱段轴向速度和径向速度沿I-I截面上直径的分布,其中横坐标为无量纲半径。由图11可知,在分离器近壁面区的轴向速度先向下增大到最大值后再逐渐减小,在接近分离器中心区域速度逐渐转为正值,这主要是主循环流引起的流场特征。在分离器中心,工况c、d的轴向速度明显高于其他工况,这是因为工况c、d的油气比更大,同时内部压差也高于其他工况,使得部分空气无法从下排孔流出而向上运动。对比工况a、b、c、d的轴向速度曲线可知,随着油气比的升高轴向速度值也随之增大,这导致轴向循环流动增强;同时随着油气比升高轴向速度曲线沿两侧半径分布的对称性更好,表明主循环涡结构更加稳定,两种因素共同促进分离效率提高。对比工况a、e、f可知,随着入口流量的提高轴向速度对称性基本相似,但是轴向速度显著升高,也会促进轴向循环流动。工况g、a、h在近壁处的轴向速度依次小幅升高, 但是工况a的轴向速度对称性最好,工况g次之,而工况h的对称性较差。这表明随着温度升高,滑油黏度降低,会促进轴向循环效率,但是温度超过一定限度后过低黏度的滑油不利于保持稳定的主循环涡,总体的轴向循环速度反而会降低,导致分离效率下降。由此可见循环流的流速和涡旋对称性共同决定了轴向循环速度的大小。

切向速度的大小决定着离心力的大小,而离心力是油气分离的主要动力,离心力的大小与切向速度的平方成正比。由图12可知,受离心力的作用密度高的滑油聚集在壁面并获得了较大的切向速度,较大的切向速度有利于油气两相分离。各工况下流场的切向速度基本呈现轴对称的趋势,并且中心区域向两侧切向速度逐渐变大,在达到最大值之后逐渐减小。以最大切向速度为节点,可将流场分为外缘的自由涡区和中心的强制涡区,符合兰金涡切向速度分布规律,只不过在该油气分离器内强制涡占主导地位,自由涡区域很小。

对比工况a、b、c、d的切向速度曲线可知,在油气比升高时,切向速度与分离效率均增大,这是由于气体体积流量升高后会推动滑油流速一起升高。对比工况a、e、f可知,随着入口滑油和空气流量的升高,切向速度与分离效率均变大。对比工况a、g、h可知,随着温度的升高切向速度逐渐增大,这是由于滑油的黏度随温度的升高而减小。结合图11和图12可知,分离器的内部流场主要是由切向的强制涡流与轴向的双涡循环流耦合形成的,因此油气分离效率同时受到切向流动和轴向流动的影响,在油气温度变化时分离效率主要受轴向循环流控制。

4 结论

采用数值计算方法探究多排孔动压式油气分离器的工作效能,利用实验数据验证的模型可靠性,通过分析不同工况下的油气分布、速度场和压力场,以及分离效率等参数的变化规律,可得出以下结论。

(1)该分离器的内部流场是由以强制涡为主体的兰金涡与轴向的双涡循环流耦合形成的,两种涡流共同影响油气分离效果:当入口油气比升高,切向速度和轴向速度值也随之增大,轴向主循环涡结构更加稳定;当入口流量升高,切向和轴向速度显著升高,但是轴向主循环涡对称性基本相似;当油气温度升高时,由于滑油黏度降低,切向和轴向速度均小幅升高,但是当滑油黏度降低至一定程度后,会引起主循环涡的不稳定,从而造成循环速率降低。

(2)在常用发动机工况中,油气分离效率随油气比升高而升高,随入口流量增加而升高,但是过低或过高的温度均会导致分离效率降低,最佳工作温度约为120 ℃。

(3)分离器的流动损失随油气比升高而增大,随入口流量增加而增大,随温度升高而增大,但是温度对流动损失影响很小。压力场不仅影响油气分离器的能耗而且还影响分离效率,当近壁面处的压力梯度增大时油气分离效率随之升高。

(4)多排孔动压式油气分离器通过增加圆锥段开孔,可以产生有益循环流并有效提高分离效率,分离效率可达90%以上,同时降低内部流动阻力,可以适应大流量、高含气的航空发动机工作环境。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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