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2021年  第36卷  第12期

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结构、强度、振动
基于CWT-CNN的齿轮箱运行故障状态识别
梁睿君, 冉文丰, 余传粮, 陈蔚芳, 倪德
2021, 36(12): 2465-2473. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210450
摘要 HTML PDF(4083KB) icon217 icon243
摘要:
针对传统故障诊断中提取的特征不具有自适应能力、很难匹配特定故障的问题，提出了一种基于连续小波变换（CWT）和二维卷积神经网络（CNN）的齿轮箱故障诊断方法。该方法对齿轮箱故障振动信号采用连续小波变换构造其时频图，以其为输入构建卷积神经网络模型，通过多层卷积池化形成深层分布式故障特征表达。利用反向传播算法调整网络各层的结构参数，使模型建立从信号特征到故障状态之间的准确映射。在不同工况和不同故障状态下的实验中，故障识别准确率达到了99.2%，验证了方法有效性。采用这种自适应学习信号中丰富的信息的方法，可以为故障诊断智能化提供基础。
涨圈密封挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性
崔颖, 罗乔丹, 邱凯, 黄宇熙
2021, 36(12): 2474-2481. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210445
摘要 HTML PDF(3640KB) icon154 icon143
摘要:
为研究两端密封型挤压油膜阻尼器流场与阻尼特性，建立了涨圈密封挤压油膜阻尼器三维非定常流场数值仿真模型。基于Fluent软件中的Mixture多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型数值模拟得到动态油膜压力与气相体积分数的周向分布规律。将计算得到的阻尼器油膜压力与文献中的试验数据对比，结果显示：两者具有较高的一致性。由动态油膜力导出的平均等效阻尼系数与试验采用阻抗法识别的结果相比仅有0.6%的偏差，从而验证了该数值模型与预测方法的有效性。进一步的数值计算表明增大进动半径、进动频率、涨圈密封的狭缝宽度均会使挤压油膜阻尼器流场中的空化现象加重，同时等效阻尼系数降低。
TiAl合金低循环疲劳行为与寿命预测模型
李维, 蒋康河, 马莉, 曾武, 杨俊杰
2021, 36(12): 2482-2489. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210440
摘要 HTML PDF(3763KB) icon161 icon153
摘要:
通过400 ℃和750 ℃下的单轴应变控制低循环疲劳（LCF）试验获取了一种TiAl合金循环变形行为和低循环疲劳寿命。合金在应变循环载荷下具有较稳定的循环特性，未出现明显的循环软化或循环硬化现象。Ramberg-Osgood方程能够较好地描述合金的循环应力-应变关系，疲劳寿命与总应变幅值近似呈对数线性关系。材料在750 ℃条件下呈现韧性断裂特征，在400 ℃条件下材料脆性特征较为明显。试件失效以层状组织跨层断裂为主，且层间断裂现象都随应变幅的增加而大幅减少，值得注意的是材料在750 ℃时氧化速度明显加快。与Manson-Coffin模型相比较，Cruse-Meyer模型尽管数学形式更简单，材料常数更少，但对具有低温度高应力的叶片榫头部位的寿命预测精度不高，不宜直接用于钛铝合金叶片寿命预测。
止口螺栓连接结构解析建模与阻尼特性分析
于平超, 赵芝梅, 侯丽, 陈果
2021, 36(12): 2490-2502. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210297
摘要 HTML PDF(5890KB) icon115 icon131
摘要:
针对止口螺栓连接，论文从连接结构轴向拉压力学行为分析出发，提出了可模拟连接非线性刚度和阻尼耗散的扇区模型，基于此进一步构建了弯矩载荷下的非线性解析模型。通过与三维实体有限元模型计算结果的对比分析，验证了所提出模型的有效性，并揭示了连接的非线性刚度特性和迟滞阻尼特性。基于所提出模型研究了关键参数对止口螺栓的阻尼特性的影响规律，结果表明：连接的阻尼耗散能力随弯矩载荷幅值和摩擦因数的增加呈现先增加后降低趋势，而随止口紧度和法兰长度的增加单调增加；法兰长度除对连接的阻尼耗散存在一定影响外，还能显著降低连接结构的等效刚度。
不同载荷下螺栓法兰连接结构非线性刚度影响因素
王开平, 闫明, 孙自强, 苏东海, 惠安民, 刘海超
2021, 36(12): 2503-2514. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200539
摘要 HTML PDF(5449KB) icon122 icon147
摘要:
为研究各影响因素对螺栓法兰连接结构非线性刚度的影响规律，建立了带升角螺纹连接结构精细有限元模型，进行了全六面体网格划分，并验证了模型的有效性，分别进行了拉伸、弯曲、扭转载荷下仿真分析。结果表明：螺栓初始预紧力越大，连接结构抗弯、抗扭刚度越大，初始预紧力对抗拉刚度没有影响，拉伸载荷下初始预紧力提高了两法兰分离的临界阻力，弯曲载荷下，初始预紧力越大，触发两法兰出现开口状态的外部弯曲力矩值越大，各螺栓越不容易承担外力，两法兰开口前，初始预紧力对连接结构抗弯刚度影响较小，开口后影响较大；螺栓直径越大、个数越多，连接结构抗拉、抗弯、抗扭刚度越大；螺栓位置越靠近法兰筒，连接结构抗拉刚度越大，分别存在一个最优螺栓位置值，使得连接结构抗弯和抗扭刚度最大；结合面间摩擦因数对连接结构抗拉、抗弯刚度没有影响，结合面间摩擦因数越大，连接结构抗扭刚度越大，其中法兰-法兰结合面间摩擦因数对刚度曲线第一段内抗扭刚度影响较大，螺栓-法兰结合面间摩擦因数对第二段内影响较大。
选区激光熔化TC4小裂纹扩展特性数值模拟
徐宇飞, 胡殿印, 米栋, 潘锦超, 王荣桥
2021, 36(12): 2515-2523. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210043
摘要 HTML PDF(4323KB) icon98 icon139
摘要:
发展了一种考虑微观组织的选区激光熔化（SLM）钛合金TC4小裂纹扩展数值模拟方法。基于SLM TC4的微观组织观测结果，利用Voronoi算法并通过晶体取向筛选，实现了微观组织建模。在此基础上，采用扩展有限元法建立了SLM TC4材料小裂纹扩展行为模拟方法，探究沉积方向以及晶粒尺寸、晶体取向等微观组织对小裂纹扩展速率的影响规律。结果表明：沉积方向影响材料的裂纹扩展抗力，沉积方向与裂纹扩展方向平行时，材料抵抗疲劳小裂纹扩展的性能相对更好。晶粒尺寸影响小裂纹扩展速率，晶粒尺寸越大，小裂纹扩展速率越快。晶体取向影响速率的波动性，不同晶体取向材料的小裂纹扩展速率上下界有明显差异。
宽弦风扇叶片造型对碰摩振动的影响规律
陈大玮, 肖贾光毅, 陈勇
2021, 36(12): 2524-2536. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210054
摘要 HTML PDF(5579KB) icon85 icon84
摘要:
基于造型叠加建立了参数化的宽弦风扇叶片模型，利用碰摩动力学研究了叶片造型对于机匣碰摩振动的影响规律。宽弦风扇叶片的复杂几何造型可能会增大碰摩的非线性程度，因此有必要研究叶片几何外型对于碰摩响应的影响。在圆柱坐标系下建立了叶片造型和几何参数间的关系，得到了风扇叶片的参数化模型。利用三次样条拟合简化了叶顶间隙的计算，研究了偏心碰摩工况下基准叶片的振动问题，分析了振动响应、涂层磨损、叶片应力三者间的关联性。基于涂层磨损程度判断不同造型叶片的碰摩特性，实现了针对碰摩-造型相关性的快速分析。计算结果表明：叶根通流角可以显著影响叶身长度，进而改变了叶片固有频率调整碰摩共振的中心频率；叶顶扭转角通过改变最小抗弯刚度方向，可有效减小碰摩共振转速区间；相较于前倾叶片，后倾叶片有着更好的碰摩稳定性。
燃烧、传热、传质
切向孔直径精度对离心喷嘴性能影响
张亚, 刘倩, 谢恒
2021, 36(12): 2537-2544. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200532
摘要 HTML PDF(3632KB) icon77 icon102
摘要:
为解决离心喷嘴流量系数理论计算与试验偏差普遍较大的问题，采用Fluent两相流模型计算了不同切向孔直径下的喷雾锥角、流量系数等性能参数，分析发现切向孔直径加工精度对离心喷嘴流量系数有较显著的影响。通过塞规测量了4个喷嘴的切向孔直径，利用切向孔直径测量平均值建立几何模型，计算了较大范围不同压降下的喷嘴性能，并与试验结果进行了对比。模型计算结果和试验数据吻合较好，喷雾锥角与试验偏差小于1°，流量系数偏差小于4.2%。
相变微胶囊悬浮液在树形微通道内的热力特性
马杰, 孙栗, 李松林, 彭浩, 王刚, 蔡晗
2021, 36(12): 2545-2554. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200555
摘要 HTML PDF(4020KB) icon61 icon74
摘要:
以乙二醇水溶液为载冷基液制备了相变微胶囊悬浮液（MEPCMS），并测量了其物性参数，然后实验研究了MEPCMS在树形微通道内的热力特性，揭示了雷诺数、质量分数对MEPCMS热力性能的影响规律。结果表明：MEPCMS的比定压热容随着微胶囊质量分数与温度的增加而增大，黏度随着微胶囊质量分数的增加与温度的降低而增大；MEPCMS的表面传热系数随着雷诺数与质量分数的增大而增大，当雷诺数为118时，质量分数为1%、3%的MEPCMS的表面传热系数相对于载冷基液分别提高了3.92%和9.04%；MEPCMS的摩擦因子随雷诺数的增大与质量分数的减小而减小，但随着雷诺数的增加，MEPCMS的摩擦因子逐渐接近载冷基液。
多级旋流空气雾化喷嘴高空气动雾化场的数值研究
赵乾鹏, 杨金虎, 刘存喜, 刘富强, 穆勇, 胡春艳, 徐纲
2021, 36(12): 2555-2567. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210050
摘要 HTML PDF(7067KB) icon124 icon138
摘要:
为有效拓宽采用预膜式空气雾化喷嘴的多旋流分级燃烧室的稳定工作边界，在模型燃烧室上开展了高原及高空工况下气动雾化场的数值研究，采用经过实验验证的数值模拟方法获取了多旋流分级燃烧室的高空气动场和雾化场，分析了低温、低压进口条件对燃烧室流场结构和雾化质量的影响。结果表明：低温及低压进口工况对中心回流区的结构及尺度、速度分布影响较小，但低温会削弱旋流器出口湍动能强度，低压会显著降低旋流空气切向剪切力。相同旋流器压降下，低温、低压条件会造成气液比和韦伯数的降低，导致雾化粒径增大，液滴群轴向穿透深度增加。相关研究结论能够解释该类燃烧室高空点火困难的影响机制。
旋流杯结构对燃油雾化粒径的影响
陈溯敏, 姜磊, 王彤, 胡宏斌, 王博涵, 姜向禹
2021, 36(12): 2568-2577. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200547
摘要 HTML PDF(4124KB) icon83 icon79
摘要:
为深入研究进气参数、旋流杯结构以及中心喷嘴与旋流杯文氏管的轴向配合对航空煤油雾化粒径的影响，采用LSA（laser size analyzer）-Ⅲ激光粒度分析仪在常温常压下对同向双级轴向旋流杯出口下游35 mm处燃油索太尔平均直径（SMD）进行测量。结果显示：随着旋流杯头部压降的增大，燃油SMD不断减小，但减小趋势不断变缓；叶片角在35°附近时，燃油粒径较小；内外两级旋流强度需相互匹配，两者共同影响燃油预膜与破碎；文氏管喉道直径影响了内级旋流强度及成膜质量，喉道直径与文氏管长度比在1.04~1.13内，燃油SMD较小；套筒扩张段限制喷雾运动，其值过大或过小都会导致燃油SMD增大；燃油喷嘴与文氏管装配位置影响液膜破碎质量。
飞机燃油箱冷却惰化系统地面性能分析
刘冠男, 王立群, 王宏明, 黄龙, 陈广豪, 冯诗愚
2021, 36(12): 2578-2585. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200534
摘要 HTML PDF(3539KB) icon79 icon58
摘要:
设计了冷却惰化系统的工作流程并建立了地面状态下冷却惰化的数学模型，通过Modelica软件求解得到了油箱气相空间燃油蒸汽体积分数，燃油和气相空间温度以及制冷量随时间变化关系，并且研究了几个关键参数对惰化效果的影响。结果表明：随着抽气流量的增加和蒸发温度的降低，气相空间燃油蒸汽体积分数越低，气相空间温度也越低，达到冷却惰化的时间也越短，惰化效果也越好。虽然内热源对冷却惰化的效果起到了阻碍的作用，内热源越大，冷却惰化越难实现。但整体上看，冷却惰化是油箱惰化的一种可行替代方法。
动力传输
全工序法弧齿锥齿轮加工参数计算方法
张宇, 严宏志, 王志永, 曾韬
2021, 36(12): 2586-2595. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210048
摘要 HTML PDF(3529KB) icon132 icon77
摘要:
分析弧齿锥齿轮刀盘的结构特征与切齿运动特点，提出三个参考点的设置方法。以大轮采用展成法，小轮采用螺旋展成法加工的弧齿锥齿轮副为研究对象，提出了全工序法大轮加工参数的简化计算方法。总结螺旋锥齿轮的一般啮合规律，结合参考点设置方法，利用Free-Form型机床的柔性运动控制特征，建立了小轮的切齿控制优化模型，获得一组最优化的加工参数。以此计算方法开发了设计软件，基于国产全数控锥齿轮加工装备，以一对准双曲面齿轮为算例进行了网络化闭环制造，试验结果显示：齿轮副传动误差幅值达13.2″，两齿面接触区均位于齿面中部、呈内对角，验证了方法的正确性，有效解决了全工序法加工弧齿锥齿轮时双面接触特征同步调整困难的行业难题。
高速频繁起停球轴承设计与试验
李鸿亮, 郝大庆, 郑艳伟, 陈志军, 卫晓博
2021, 36(12): 2596-2605. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210330
摘要 HTML PDF(4932KB) icon90 icon86
摘要:
为解决涡轮起动机用轴承在高速、频繁起停工况下易失效的问题，结合轴承设计准则，进行涡轮起动机用轴承结构参数设计和材料选取。基于轴承动力学理论，建立了动力学模型并进行了仿真分析，研究高速、频繁起停工况下的轴承动力学行为。在自主研发的试验机上进行轴承试验，试验过程中监测轴承温升及振动加速度值，轴承频繁起停、最高转速达12 000 r/min时，试验轴承温度低于130 ℃，振动加速度低于3.0g，试验后轴承无异常，验证了轴承设计和材料选取合理。通过优化设计和试验验证结果表明：轴承转速可达12 000 r/min，起动时间仅需60 s，停止时间仅需40 s，轴承能够完成连续频繁起停3 000次以上。
混合式动压气体轴承结构优化与可靠性分析
臧腾飞, 贾晨辉, 张璐瑶, 史大炜
2021, 36(12): 2606-2620. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200563
摘要 HTML PDF(7224KB) icon84 icon96
摘要:
通过将径向、止推螺旋槽动压气体轴承相结合，建立了混合式动压气体轴承的润滑分析模型。阐述了其结构特点与润滑机理，建立轴承无量纲稳态Reynolds控制方程。提出混合式动压气膜压力耦合计算方法，推导气膜压力差分表达式，定义边界条件，构建气膜压力分布的数值计算方法。以最大径向承载力为目标优化结构参数。基于最优结构参数建立轴承气膜有限元模型，运用CFD分析轴承转子系统受不同冲击载荷时径向稳定性变化规律，研究混合式动压气体轴承动态特性与可靠性。搭建混合式动压气体轴承试验台，验证数值计算方法和有限元仿真分析的正确性。结果表明：提出的压力耦合计算方法可以准确地计算分析稳态气膜压力分布、承载力和承载性能，有限元仿真能更好地模拟动态流场变化，计算分析动态承载力、动态特性系数和稳定性。高转速下混合式气体轴承承载力、稳定性较好，对单向阶跃力、单向矩形力的抗冲击能力强，可靠性强。混合式动压气体轴承在优化承载性能与刚度的同时，应考虑抗冲击特性和稳定性以提高轴承的综合性能。
气动热力学与总体设计
气动量仪锥度管内流场对浮标稳定性分析
魏先杰, 龙威, 雷基林, 辛晓承, 高浩
2021, 36(12): 2621-2630. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210040
摘要 HTML PDF(5177KB) icon65 icon64
摘要:
从绕流问题入手，通过流场分析研究发现气流自下而上经过浮标后会引发尾部紊流和涡旋。随着涡旋移动脱落，湍动流场就会呈现脉动压力以交变形式作用于浮标两侧，引发浮标左右摇摆，示数不稳。进一步在浮标尾部设计增加不同长度和角度的导向面，通过对尾部流场引流来降低尾部旋涡的影响；同时增强引流导向区局部气阻提高浮标的工作稳定性。研究发现：当导向面长度增大至2 mm时，浮标与锥度管道内壁气流刚度增强，浮标偏转角由8°降低至0.5°。当导向面角度超过10°时，受科恩达效应的影响,浮标出现相对低压区，偏转角超过15°。
压气机试验件空气系统仿真模拟与敏感性分析
赵红娇, 徐向华, 梁新刚
2021, 36(12): 2631-2641. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210001
摘要 HTML PDF(4269KB) icon84 icon124
摘要:
将空气系统简化为由节点和元件组成的一维拓扑网络，建立各部分的流动控制方程组，编制了仿真程序，利用循环中点求积牛顿法对方程组进行求解。将其应用于某压气机试验件空气系统计算，并对试验件空气系统的参数进行敏感性分析，探讨影响空气系统功能的主要因素。结果表明：利用参数微分法求解同伦方程，可增大牛顿法求解的收敛速度与收敛域；在该压气机试验件中，利用卸荷腔结构和封严能力较强的篦齿封严环可以将流路有效分隔开，有利于分别实现控制目标。
不同压比状态下超声速射流冲击斜板的声场/流场特性
齐龙舟, 冯和英, 赵鲲, 张俊龙, 覃晨
2021, 36(12): 2642-2651. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210042
摘要 HTML PDF(4570KB) icon89 icon79
摘要:
为研究超声速射流冲击斜板的噪声特性及声源特性，针对不同压比下，超声速射流流场及声场分别进行了高频PIV（particle image velocimetry)测量与远场噪声测量。PIV测量结果可观测到激波格栅形成过程以及冲击斜板对它的影响。声场测量结果可捕捉到自由射流与冲击射流中不同的纯音频率随压比增加的转变过程。通过一一对比各纯音模态与流场模态，可区分各纯音模态的声源特性。结果表明：当压比在2.0~3.2之间时，共出现五种纯音模态：A模态纯音频率为剪切层大尺度涡脱落频率，此时流场呈现同轴模态；d模态和e模态中纯音频率主要为冲击纯音频率，且e模态出现时流场转化为螺旋模态，这是一种不稳定模态；当压比大于等于2.53时，纯音模态稳定成单一模态B，B模态纯音频率为啸叫频率，其流场结构转化回同轴模态，啸叫频率对斜板的存在与否不敏感；啸叫频率随着压比的增加逐渐减小，其二次谐频在基频幅值较小的方向上会出现一个强声波辐射。
自动控制
无人机增程式电推进系统双模糊能量管理策略仿真
胡春明, 李诚, 刘娜, 宋玺娟, 杜春媛
2021, 36(12): 2652-2662. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200546
摘要 HTML PDF(4835KB) icon61 icon78
摘要:
为提高应用于无人机的增程式电推进系统能量利用效率，采用基于双层模糊控制的能量管理策略并使用遗传算法对控制参数进行优化，依据飞行动力学理论在仿真飞行工况中设置不同扰动，检验能量管理策略的抗飞行扰动效果。仿真结果表明：相比于基于多点逻辑门规则和比例积分微分PID（proportion integral differential）的能量管理策略，双模糊能量管理策略可使发动机运行平均燃油消耗率下降3.4%，整体燃油消耗量下降3.8%，电池使用量降低10.6%，发动机平均转速误差下降77.0%，面对突风扰动、复合扰动和连续紊流扰动时转速最大波动量分别降低71.4%、72.6%和46.7%。经过遗传算法优化后的双模糊能量管理策略相比优化前的控制参数，发动机平均转速误差下降6.6%，面对上述3种扰动时转速最大波动量分别降低12.8%、8.3%和39.4%。
某型喷口加力调节器减压比特性改进设计
王飞, 黄义贵, 袁翠霞, 赵智辉, 刘丽丹
2021, 36(12): 2663-2672. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210805
摘要 HTML PDF(3885KB) icon83 icon77
摘要:
为解决某型喷口加力调节器在配装发动机使用过程中存在的涡轮落压比偏离设计值问题，对一维定常可压缩拉瓦尔喷管的气体流动状态进行了理论分析计算，从涡轮落压比的连续性工作要求分析了拉瓦尔喷管正常工作的使用条件，提出了空气减压器二级减压拉瓦尔喷管扩张段流道形状的改进设计方法，并通过了发动机试验验证，结果表明：空气减压器只有在超临界状态工作，并且激波位置在测压点位置后面时，才能保证减压比仅与针塞位置有关，与进气压力大小无关；进气压力较低时，激波位置离测压点较近，会造成减压比相对稳定状态存在偏差；增大喉道面积，可使得相同进气条件下，激波位置后移，远离测压点，有利于提高减压比的稳定性，增大后端角度会导致激波位置前移，不利于减压比的稳定。
安全性、适航
运输类飞机动力装置溅水试验技术
赵海刚, 屈霁云, 马争胜, 符小刚, 戚学锋
2021, 36(12): 2673-2682. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200542
摘要 HTML PDF(4819KB) icon115 icon99
摘要:
基于对中国民用航空局（CAAC）运输类飞机适航标准和美国联邦航空管理局（FAA）咨询通告的分析、解读，分别从工程试验与适航验证两个方面，研究了溅水试验程序、试验水池方案设计与滑行速度测量与控制技术，制定了符合适航标准体系的运输类飞机动力装置溅水试验审定程序，以ARJ21-700型支线飞机合格审定试飞为平台，完整进行了相关试验验证。结果表明：所设计的溅水试验程序合理可行，能够完整地验证运输类飞机在机场跑道积水环境下动力装置对适航标准体系的符合性；试飞结果表明CF34-10A发动机配装ARJ21-700型飞机在机场积水环境下起飞构型临界滑行速度为166.6 km/h，发动机风扇、压气机及动力涡轮前温度最大波动值分别为5.1%、1.7%和39 ℃；在飞机着陆构型下，发动机慢车状态相对于最大反推力状态工作稳定性较好，能够满足适航标准规定；项目形成溅水试验程序和技术为后续C919、C929等运输类飞机动力装置相关试验提供了直接的支持。
叶轮机械
航空发动机离心通风器性能试验
蔡毅, 杨家军, 马磊
2021, 36(12): 2683-2688. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200525
摘要 HTML PDF(2873KB) icon105 icon86
摘要:
为获取某型发动机离心通风器性能，通过试验模拟通风器的油雾工作环境，综合运用测质量法与光学测量方法，获取分离效率、粒径分布与压降数据。试验结果显示，分离效率随转速增加呈现先线性上升后平缓的规律。转速从静态增加到1 000 r/min，分离效率增加10%，油雾平均直径从1.8 μm降低至1.3 μm，粒径2.0~3.0 μm基本被分离；转速增加至2 500 r/min，平均粒径基本不变，未分离油雾粒径集中在2.1 μm以下。空气质量流量基本不影响粒度分布，对分离效率影响小；压降随质量流量、转速增加而增加。

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