飞机环控系统引气除尘器仿真研究

环境下可压缩空气的无滤网式引气除尘器，利用数值模拟的方法，比较了Realizable湍流模型和RSM湍流模型下引气除尘器内部的切向速度分布特性。通过分析内部气体流场和颗粒相流场的特征，研究了飞机环控系统无滤网式过滤器的除尘机理。同时，研究了叶片参数，比如叶片数量、叶片回转角和叶片通道距离对飞机环境控制系统引气除尘器性能的影响，还研究了进口流量对引气除尘器性能的影响。

关键词：飞机环境控制系统；引气除尘器；气固分离；数值模拟

中图分类号：V245 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.04.082

大型飞机的环境控制系统引气量较大，传统滤网式过滤器虽然具有比较好的过滤除尘效果，但是，由于引气流量大，并且是高温高压气体，滤网的流阻很大，滤网易被堵塞，所以，滤网的使用周期短，要经常更换。本文研究的无滤网式除尘器是用于飞机环境控制系统的固定叶片式旋流过滤器。而直流式可以较为方便地介入环控系统的管道中，它不仅可以很好地适用于飞行器环控系统，还能够减少后续过滤装置的损耗，延长过滤装置的使用期限。引气除尘器的主要作用是去除直径为30～50 μm及以上的颗粒，防止其对制冷系统的涡轮转子造成损害，且除尘效率要保证在95%左右。

1 引气除尘器的数值计算分析

1.1 几何模型和网格划分

为了满足飞行器引气的流量和系统管路的要求，根据无滤网旋流过滤器的除尘机机理，对其进行了初步设计，确定其主筒体直径为132 mm，入口直径取106 mm，气流出口直径取58 mm，

筒长取330 mm；导流叶片形式为分瓣式叶片，数量为6个，单个叶片轴向投影形成的角度，即叶片回转角取65°，叶片通道长取60 mm，如图1所示。

除尘器内部的流动形式比较复杂，在数值模拟计算时，先要进行网格划分。由于其结构比较复杂，流动状态也很复杂，所以，在进口前部加入一段进口段，出口处加入一段出口段，采用分区块结构化网格，总网格数为2 597 474，如图1所示。

1.2 边界条件设置

质量流量进口、出口选用压力出口，流体介质采用理想气体，进口质量流量为3 600 kg/h，进口压力为450 000 Pa，温度为200 ℃。颗粒相是由多重密度的颗粒混合而成的，本文选定的颗粒密度为2 500 kg/m3，进口粉尘的颗粒浓度为4 kg/m3，颗粒直径取50 μm。

1.3 湍流模型选择

与切向式旋流器相同，飞机环境控制系统引气除尘器的流动也属于强旋流，具有各项异性的特征。Yang和Grady分别使用Realizable k-ε模型和RSM模型计算了旋流器的相关内容，并取得了较好的结果，所以，本文也使用这2个模型计算。切向速度作为考察分离效果最重要的参数，对2个模型取同一位置的切向速度分布，RSM模型与Realizable湍流模型相比，它能捕捉到更多的细节，但是，RSM模型对网格数的要求较高。

比较其计算结果，即除尘效率和压降，除尘效率会随着网格数量的增大而略有降低，但是，流动阻力变化不明显。200万网格数在RSM模型中并不适用，考虑到除尘性能和计算资源条件，本文选取了250万网格数RSM模型作研究。

1.4 气相流场分析

气流通过导流叶片通道会形成旋流流动，其后的流动也非常复杂，但是，总体上能够产生一种甩向筒壁的趋势。如果气流中含有粉尘，就会被带入具有流向的筒壁，使得筒壁附近的附面层里粉尘浓度增加，从而在收集筒中收集粉尘。由于叶片通道后的直通道和收集腔处有气流的掺混发生，可能会使得一部分粉尘无法进入收集筒而被气流带走，流出过滤器。

1.5 颗粒相轨迹分析

粉尘颗粒经过导流叶片通道后进入了收集筒，由于出口截面比较小，气流经过直通段后有一个收缩过程，再加上收集筒的影响，直筒段的流动比较复杂，会有一部分粉尘颗粒被气流裹挟进入主流，从过滤器出口排出。因此，颗粒的收集主要受两方面因素的影响：①在离心力的作用下，在靠近外壁边界层范围内收集颗粒；②主流部分的二次分离，分离主要发生在导流叶片轴以下的分离空间。

2 叶片参数对除尘性能的影响

旋风除尘器属于机械除尘，一般可以归结为切向式旋风除尘器和轴向式旋风除尘器。对导叶式引气除尘器来说，选择产生切向速度的导流叶片，并研究叶片的各个参数。

2.1 叶片数量对除尘性能的影响

在单个叶片形式相同的前提下，分别取叶片数为4，5，6计算，叶片个数增加，除尘效率会随之提高，但是，流动阻力也会随之增大。

分离效率的增大主要是因为叶片数的增加增大了旋流器内部叶片的扭转面积，也就是增加了流场的最大切向速度，切向速度随着叶片数的增多而增大。在保证叶片沿轴向扭转的面积能够涵盖通道面积的前提下，6叶片形式能够满足除尘效果。

2.2 叶片回转角对除尘性能的影响

每个叶片在轴向横截面上投影形成的角度即为叶片回转角，考虑到应该让粉尘颗粒尽可能地获得离心速度，导流叶片回转角决定着叶片沿轴向扭转的面积。如果导流叶片扭转面积不能涵盖整个通道，就会对除尘器分离效果造成很大的影响。

从分离效率上来说，叶片回转角越大，效率越高。但是，随着叶片回转角的增大，分离效率的增大趋势在减缓。从流动阻力上来看，回转角的增大势必会增大压力损失，因为叶片回转角的增大会增加除尘器内部阻力面积。为了研究方便，将回转角为65°、67.5°、70°的模型分别命名为模型A、模型B、模型C。

2.3 叶片通道对除尘性能的影响

除了叶片回转角会对除尘器的分离效率造成很大的影响外，叶片通道的距离也会对除尘器的性能造成很大的影响。在额定工况下，计算模型A和模型C，分别取叶片通道长为40 mm、60 mm、80 mm，叶片通道的变化实际上决定了叶片出口角的变化——叶片通道越短，叶片出口角越小，相应的除尘效率越高，流动阻力也会增大。

3 流动参数对除尘性能的影响

对于一般的工业用旋风分离器，粉尘浓度对除尘效率的影响较大。而相关试验的条件是常温常压，对于文中高温高压的可压缩空气，引气除尘器的结果可能有别于一般的旋风分离器。模型A的除尘效率会随着流量的增加而增加，但是，当达到一定流量时，分离效率会随着流量的增加而降低。这说明，对于一定几何尺寸的引气除尘器，其处理气体的流量是有范围的，引气流量不同，需要重新确定除尘器的主筒径。从流阻的角度看，引气流量的增加会导致流动阻力的急剧增加，基本成倍数上涨。这说明，引气的流量不同，引气除尘器的筒径也不同。

4 结论

本文采用了数值模拟的方法，选择RSM模型计算飞机环控系统引气除尘器的相关数值，并结合气相流场和颗粒相轨迹简单分析了其除尘机理，还研究了导流叶片和流动参数对引气除尘器性能的影响。导流叶片的参数，比如叶片数量、叶片回转角和叶片通道的距离会对引气除尘器的除尘效率和流动阻力造成很大的影响。在满足了飞机环控系统引气除尘的要求下，6叶片形式的结构比较合理。对于一定几何尺寸的除尘器，其处理流量大小存在一个范围，针对不同流量的引气，需要重新确定引气除尘器的几何尺寸。

参考文献

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[2]刘金红.旋风除尘器的发展与理论研究现状[J].化工装备技术，1998，19（5）.

[3]张歆伟.粉尘浓度对旋风除尘器除尘效率的影响[J].冶金安全，1983（03）.

〔编辑：白洁〕