文摘
柴油机涡轮增压器单位通常配有内置在线水洗系统及其性能并不总是令人满意,因为效率偏差由于存款积累在叶片表面不被冲走了。在这项研究中,一个系统的方法利用实验测量和计算流体动力学(CFD)是采用分析液体/气体两相流与涡轮增压器水洗系统有关,为了理解底层流物理。一个中型柴油机涡轮增压器的配置选择。实验是集中在叶片表面温度测量,CFD模型耦合的欧拉/拉格朗日方法用于捕捉复杂的气体/液体感应管道内两相流的行为和叶片通道。发现数值预测是在良好的协议与实验数据的叶片前缘区域的温度分布和水覆盖叶片环。其他流动特性如水滴轨迹和颗粒大小分布也在探索和分析了更多细节,他们是有用的对于理解存款去除机制。
1。介绍
柴油发动机的功率输出效率大大增加在过去的几十年里,发展创新的帮助下涡轮增压器的概念。这是尤其明显在船上和铁路推进应用程序以及发电行业(<一个href="#B1">1一个>]。现代涡轮增压引擎使用“热”废气涡轮旋转,驱动旋转离心压缩机或叶轮压缩空气,并将其发动机燃烧室。因此,发动机输出功率,可以显著提高燃烧更多的燃料。自之间有直接联系的功率输出效率和压力比燃料/空气混合物,经常使用重型燃料,使达到更高的进气压力,从而更好的涡轮增压器的效率。然而,在这种低级的高污染燃料会导致严重的腐蚀和沉积损害涡轮叶片的积累,导致其气动性能的退化。随后,需要评估的结果使用重型燃料在柴油机的性能,因此,本研究着重于存款去除技术被水清洗方法通过实验和计算流体动力学分析的空气/水两相流。
存款的涡轮增压器的起源来自低级燃料用于驱动柴油机(<一个href="#B2">2一个>]。发动机燃烧这种燃料最有可能将受污染的废气从燃烧室混合各种化学成分。存款将主要建立在涡轮叶片表面和喷嘴导叶片,因此,发动机吞下容量将减少由于流道的缩小。为了使发动机的性能维持在最优工况,存款必须有效和及时的删除。在各种存款去除技术,最具成本效益的方法是“湿”清洁、洗涤水系统的用于注入淡水的涡轮增压器涡轮喷嘴的喷雾环上游叶片在在线或离线操作条件。在线清洗的主要风险是不溶性大块的存款可能洗上游的涡轮增压器叶片环,因此污染,甚至影响下游叶片(<一个href="#B3">3一个>]。离线清洗提供了一个更好的解决方案来保护洗涤性能。然而,由于引擎关闭成本较高。因此,它是可取的水洗系统实现合理良好的性能在满载条件下没有任何减少机组容量和操作速度(<一个href="#B4">4一个>,<一个href="#B5">5一个>]。
水清洗系统的性能取决于各种因素;水喷嘴的位置,注入角,注射速度,与主流气体流量的干扰。均匀喷向喷嘴叶片环可以实现如果水喷嘴位置适当调整,这样水射流与主流空气流之间的干扰控制在低水平(<一个href="#B6">6一个>]。一项研究在满载水洗或接近满载的麦克德莫特(<一个href="#B7">7一个>)表明,洗涤效率可以提高注入水在气流,而不是结合。发现液滴尺寸及其分布也有重要影响洗涤效率,和有效的“清洁”通常需要一个统一的水覆盖在涡轮叶片的环<一个href="#B8">8一个>,<一个href="#B9">9一个>]。此外,粒子大小和注射速度有很大影响液滴冲击时的冲击力在叶片表面(<一个href="#B10">10一个>]。水喷雾模式可以形成“锥”或“flat-fan”类型,根据气相干扰和喷嘴喷射形状。液体液滴粒度分布是由表面张力等因素,连续相的流动性能和注射压力比<一个href="#B11">11一个>]。建议150和250微米之间的液滴大小可以通过注射液体(水)在100 - 126 m / s的速度速度高操作5 - 8 MPa的压力下,为了克服旋转叶片的离心效应行(<一个href="#B12">12一个>]。在这个过程中,分散和蒸发会发生<一个href="#B13">13一个>]。此外,冷凝过程可能涉及如果温度的饱和蒸汽压力下降。可能的粒子碰撞可能导致新的droplet-droplet接口,以便二次喷雾之后会立即生效(<一个href="#B14">14一个>]。
虽然涡轮试验台实验被广泛用于测量表面热力学性质,可用测试数据从公共领域相当有限。尤其遇到旋转通道内的测量数据。因此,计算流体动力学(CFD)数值模拟基于正越来越多地用于研究流动行为代表涡轮增压器在范围广泛的操作条件。通过使用适当的建模方法和执行精心设计验证过程,一些复杂的两相液体/气流物理可以在合理的准确性和分析结果可用于验证设计、性能预测和理解物理流(<一个href="#B15">15一个>]。
在这项研究中,一些流动特性的水清洗系统设计为中型柴油涡轮增压器将实验和数值研究。流问题是作为气体/液体两相流类型;即“热”的连续相在单相气体混合物形式和“冷”液体的分散相粒子在大量的非均匀液滴的形式。这个过程将涉及水滴主要分手和次要分手,再加上液体蒸发和冷凝。两相流CFD模型会考虑流的气体和液体阶段在一个耦合的方式和结果将根据可用的内部测试数据进行验证。
2。控制方程和计算程序
拟议中的两相流模型包括气相连续的欧拉法;即Reynolds-averaged n - s方程和湍流模型和拉格朗日粒子跟踪方法,欧拉框架内的水滴。这是广泛用于模拟分散粒子相的两相流粒子轨迹运动。
2.1。欧拉法气相连续
3 d Reynolds-averaged为气体流n - s方程可以表示为 在哪里是时间,是密度,是速度矢量,是压力。操作员代表张量积,源项,是具体总焓和可以被定义为。热导率和吗是能量源项。这个词分别代表了工作由于外部动量源。湍流模型对雷诺应力需要提供一个闭包。
2.2。拉格朗日离散液相的方法
在拉格朗日粒子跟踪方法中,每个液滴代表粒子的样本都遵循着相同的路径。是注入实现所有粒子跟踪的“平均”效应,而源条件液质量,动量和能量方程计算连续相同时(<一个href="#B16">16一个>]。跟踪过程适用于稳态流分析每个粒子将追踪从一个初始注入点到最终目的地的位置在域退出(<一个href="#B17">17一个>]。拉格朗日粒子跟踪方法的明显的优势是由于其低computatoinal成本流与广泛的粒度分布和一个复杂的传热传质过程,因此,它是满足工业应用。
粒子跟踪是由一组时间常微分方程(ode)对每个粒子的空间坐标,速度,温度,和大规模的物种。水滴的速度计算的时间步的初始粒子速度。新滴位置最后一步是由下列方程计算 标””和“分别是指新旧价值观是时间步。
新粒子的速度在每个时间步长更新通过以下方程: 在哪里粒子速度和吗是流体的速度,应力张量,是整体的力量作用于粒子。
2.3。方法耦合和子
通过实现耦合方法进行流体方程的源项。一个额外的传输方程的源项 在哪里粒子的贡献有线性变化的解决方案,然后呢包括所有其他贡献。
其他子包括跟踪下粒子的浮力等于重量流体和颗粒之间的区别。传热传质过程是由一个液体蒸发模拟模型。根据液滴或更高的温度低于液体沸点,它可以由安托万方程 在哪里,是相关系数的物理繁华的材料。如果蒸汽压力液体粒子沸腾大于气体的压力。
水滴注入速度是不考虑导管制定穴蚀现象 粒子主要分手是由“Blob”描述模型和二次分手是被级联雾化,放分手模型(出租车) 在哪里与韦伯数关联为为为,respectivbely。
3所示。配置,流动条件,实验
涡轮增压器的配置包括三个注水喷嘴采用模拟(图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig1/" target="_blank">1一个>)。水喷射器安装在一个短的距离接近上游的喷嘴叶片环有或没有间隔插入。他们定位在喷嘴喷射角为30°(表示标准喷嘴)或90°(也表示间隔喷嘴)对主流的流动方向。试验研究进行了使用一个内部测试平台和流动的数值研究细节,包括水轨迹,液滴大小,及其对叶片表面的分布,除了使用商业软件ANSYS-CFX。仿真和测试使用相同的条件;即注水压力4酒吧和8酒吧,和相应的注水质量流率0.15千克/秒和0.22公斤/ s,分别。进口的质量流率是在一系列的6.0221公斤/ s - 9.1533公斤/ s。流入平均温度约为520°C。出口压力调整以满足入口质量流量的目标。
前体网格收敛性的研究已经得出结论,细网格2170013个网格的元素是必要的来实现质量仿真(<一个href="#B18">18一个>]。此外,介绍了30000水粒子和它们在一个不相关的方式注入气体流场通过three-nozzle喷油器,分别。最初的水滴直径定义为6毫米,与喷嘴入口直径相同。的主要和次要分手液滴会发生后立即注射。
这个实验设备主要用于热性能度量。模块式组装允许直接在涡轮增压器喷嘴导叶片温度测量定位热夫妇在涡轮增压器叶片前缘。热电偶是位于喷嘴导流叶片的前缘纳皮尔458涡轮增压器,包括共24喷嘴叶片。共有48个热夫妇使用36热夫妇12个叶片上安装(叶片1 - 6和刀片号码19日~ 24日各有3热夫妇)180度半径水平中心线以上,而12热夫妇上安装其余12刀片(刀片数字7日至18日,各有1热电偶)。实验中使用的所有数据记录设备测试来自美国国家仪器。虚拟仪器的数据采集使用的软件版本,加上额外的录音软件开发的纳皮尔涡轮增压器。基本上,计算机收集和处理钻井数据和执行整个钻井平台操作,例如,监测和执行控制涡轮增压器的速度和“自动”控制燃油喷射,润滑,等等。细节可以发现在<一个href="#B18">18一个>]。
4所示。结果和讨论
4.1。在30°角注水
数据<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig2/" target="_blank">2一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig3/" target="_blank">3一个>说明叶片表面上的水滴覆盖在30°角注水。液滴的大小在流体域预计在50到500微米的范围在800转/测试条件0.5和900转/0.5,分别。4酒吧和注水压力的加载速度800转/0.5,叶片上的液滴大小环预计在50到320微米,略低于那些在高加载速度900转/0.5。因此,涡轮增压器运行速度的增加不会导致液滴大小的急剧下降。类似的趋势是观察到的注水压力测试用例8条。喷嘴叶片表面上的水滴报道策划与测试测量,以验证数值精度。图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig4/" target="_blank">4一个>描述了数值预测喷嘴叶片表面上的水滴分布(左边)和“湿”叶片水覆盖由实验测试(右边)。叶片表面积没有水滴报道显示银的颜色,而那些水覆盖由一种颜色表示乐队,红色代表最高滴温度。注水压力的4条,“湿”面积的叶片数量略有减少的无量纲速度800转/0.5到900转/0.5。有两个刀片,略显overpredictions液滴覆盖的区域。注水压力的8条,水覆盖显示类似的趋势(这里没有显示)。一般来说,水覆盖的叶片表面积随涡轮增压器加载速度的增加,并增加与增加洗水的压力。underprediction是观察到的一些叶片。预测的水滴在叶片表面温度升高估计1.57%的最大的注水压力4酒吧和2.0%的注水压力8条,分别测量数据的比较。
(一)4
(b) 8条
(一)4
(b) 8条
| (一)800转/0.5 (CFD) |
| (b)800转/0.5 (EXP) |
| (c)900转/0.5 (CFD) |
| (d)900转/0.5 (EXP) |
4.2。注水在90o角
模拟喷嘴喷射角为90°角进行的加载速度800转/0.5。考虑两种类型的喷嘴安装配置,一个是一样的,在30°注入角(捐赠标准喷嘴),另一个是安装在同一位置,但有一个垫片之间插入喷嘴和涡轮增压器外施法间隔喷嘴(捐赠)。两个配置进行了测试实验,数值结果与测试数据进行比较。喷嘴的喷射间隔,喷嘴头的深度进入气体流场相对较短,而其他安排保持不变。
图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig5/" target="_blank">5一个>显示平均水滴的等值面温度和大小(直径)分布投射到叶片表面。叶片水覆盖的趋势非常类似于前面讨论的喷嘴喷射角度30°和注水压力4和8条。同样,“湿”叶片的数量的注水压力低于4块8条的注水压力高的水质量流率。“湿”叶片大多出现在喷嘴环的上半部分。发现了最高温度约65°C - 67°C。水压力的预测液滴温度在8条低于4条。水滴的直径在5×10的范围−4(m) 5×10−5(m),较大的液滴大多集中在上部叶片环的注水/每分钟800转0.5。
(一)4
(b) 8条
(c) 4条
(d) 8条
图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig6/" target="_blank">6一个>给出的数值模拟注水喷嘴插入垫片。这表明“湿”叶片的数量高于没有间隔。最高温度是发现在80 - 90°C之间,这是高于标准喷嘴与30°倾斜角度安装。此外,从标准的液滴直径小于喷嘴配置。这可能是由于增强的液滴蒸发和水雾在更高的温度范围。平衡液体蒸发速度和液滴表面张力和温度的相关性也扮演了一定的角色的动态过程中液滴破裂由于阻力和传热效果。
(一)4
(b) 8条
(c) 4条
(d) 8条
(e) 4条(EXP)
(f) 8条(EXP)
在90°角,为注水温度对水滴直径的趋势是相当类似的所有测试用例,如数据所述<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig7/" target="_blank">7(一)一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig7/" target="_blank">7 (b)一个>。它还表明,水滴的温度变化间隔标准喷嘴的喷嘴高于水压力水平(图4酒吧和8的酒吧<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig7/" target="_blank">7 (b)一个>)。相同的液滴温度、水滴速度低注水压力的4条高于注水压力高的8条(注射质量流率高)。标准喷嘴的水滴速度也高于间隔喷嘴。标准喷嘴,水滴直径分布的趋势在水的压力4酒吧和8条是相当一致的。然而垫片的喷嘴在同一加载速度,水滴直径4酒吧的水压力高于8条的水压力。这是由于随机运动轨迹方向的水滴。的比较实验表明,“湿”的数量使用标准喷嘴叶片同意相当不错与注水压力的实验测试4和8条。没有发现某些叶片表面水滴粒子通过实验测量,而预测的仿真。而实验表明相当的水滴随机分布间隔喷嘴叶片环(见,例如,数字<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig6/" target="_blank">6 (e)一个>和<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig6/" target="_blank">6 (f)一个>),模拟并预测一些常规水覆盖模式,类似于其他情况下。造成这种差距的原因不清楚,可能是由于可能的测量错误或数值模拟模型的限制。进一步的研究需要在两个方面。
(一)液滴温度
(b)液滴速度
(c)液滴质量率
(d)滴旅行时间
图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig8/" target="_blank">8一个>显示的结果比较喷嘴喷射角度30°没有间隔(如几何学1表示),喷嘴喷射角度90°没有间隔(如几何学2表示),和喷嘴喷射角度90°垫片插入(如几何学3表示),分别。一般来说,所有测试用例的倾向是非常一致的。为30°的标准喷嘴喷射角度,水滴加热时间是最短的注水压力8条。相比之下,低水压的4条有最长的水滴加热时间(图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig8/" target="_blank">8(一个)一个>)。水的平均速度通过所有测试用例的水滴的温度(图也很相似<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig8/" target="_blank">8 (b)一个>)。标准喷嘴,水滴的质量负载在注水30°角是一致的,从注水角度90°。然而,一些观察变化的间隔与水喷嘴喷射角度90°(图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig8/" target="_blank">8 (c)一个>)。图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig8/" target="_blank">8 (d)一个>描述液滴直径和的水温度的关系。这表明水滴分手小尺寸由于主要和次要分手。水滴的温度增加沿着水滴轨迹方向(图<一个href="//www.newsama.com/journals/mse/2012/789563/fig8/" target="_blank">8 (d)一个>)。
(一)滴旅行时间
(b)液滴速度
(c)液滴质量率
(d)液滴温度
一般来说,水覆盖范围的增加降低了涡轮增压器加载速度。仿真表明,洗涤性能更好的加载速度低。然而,这不是一个理想的工业操作条件的涡轮增压器效率和输出功率可以显著降低涡轮增压器运行速度低。因此,要有一个洗水系统正常操作在一个较高的加载速度,同时保持理想的洗涤性能和效率。
5。结论
模拟提供了水滴的细节,如液滴大小的叶片表面的光谱,通过液滴直径、温度分布等等。口袋里的水滴轨迹是非常重要的对于一个液体解体过程的理解,和液滴轨迹的建模可视化等值面给确认的锥形形状液体喷雾。仿真表明,叶片水覆盖标准喷嘴注入30°角接近实验数据,特别是在低水压力水平的4条。水滴覆盖率高水压力水平的8条略overpredicted叶片。的间隔与注水喷嘴角度90°,仿真表明常规水覆盖模式;相比之下,实验测量显示随机分布。造成这种差距的原因还不清楚。在这个安装,喷嘴不入主流气体流量。因此,液滴和气流相互作用将经历相当大的变化的水覆盖在叶片环,相比标准喷嘴安装。一些模拟模型的限制也可能有一些影响,例如拉格朗日方法只能预测液滴的体积分数较低。 Thus, further investigations are needed in order to better understand the situation.
命名法
| 安托万方程的系数 | |
| : | 喷嘴面积 |
| : | 贡献的粒子线性变化的解决方案 |
| : | 整体力量作用于粒子 |
| : | 浮力 |
| : | 重力加速器 |
| : | 比焓 |
| : | 具体的总焓 |
| : | 分手常数 |
| : | 常量 |
| : | 质量的液体 |
| : | 粒子的质量 |
| : | 质量流量的水清洗喷嘴 |
| : | 参考压力 |
| : | 蒸汽压力 |
| : | 压力 |
| : | 剩下的对源项的贡献 |
| : | 粒子半径前分手 |
| : | 能量方程的源项 |
| : | 动量方程的源项 |
| : | 源项的粒子 |
| : | 温度 |
| : | 时间 |
| : | 速度矢量 |
| : | 滴注速度 |
| : | 流体速度 |
| : | 初始粒子速度 |
| : | 初始粒子的位置 |
| : | 密度 |
| : | 粒子密度 |
| : | 蒸气密度 |
| : | 热导率 |
| : | 角频率的粒子扭曲 |
| : | 时间步长 |
| : | 剪切应力张量。 |
| 孩子: | 子粒子 |
| : | 指数 |
| : | 粒子 |
| 家长: | 父粒子。 |
| : | 新值 |
| : | 旧值。 |
| 出租车: | 级联雾化和分手 |
| CFD: | 计算流体动力学 |
| 歌唱: | 常微分方程 |
| 转: | 革命每分钟 |
| 白平衡: | 韦伯数。 |
承认
第一作者要感谢从纳皮尔涡轮增压器有限公司技术和财政支持。