空氣濾清器的空氣動力學(xué)仿真及優(yōu)化

何志霞，蔣兆晨，王碩，王謙，玄鐵民

(1.江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013；2.北京中流漢泰科技有限公司，北京，100083)

空氣濾清器是空氣進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響內(nèi)燃機(jī)工作的可靠性和使用壽命。它對濾除空氣中的雜質(zhì)和減少進(jìn)氣噪聲起著十分重要的作用，但同時(shí)也是進(jìn)氣阻力的主要來源。因此，在保持使用效果的前提下如何盡可能降低流動阻力損失和提高空氣濾清器的使用壽命，就成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)[1?4]。然而受空氣濾清器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的限制，要完全真實(shí)了解其內(nèi)部流場特性十分困難。依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)手段來研制空氣濾清器不僅成本高、周期長，且無法得到其內(nèi)部全面的流場信息，數(shù)值模擬則提供了一種有效的研究方法[5?7]。本文作者則采用多孔介質(zhì)模型重點(diǎn)對空濾器流動阻力損失和濾芯流動均勻性開展了空氣動力學(xué)仿真研究，分析了采用插入管結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)對于流動阻力損失和濾芯均勻性的影響，從而為空氣濾清器的結(jié)構(gòu)改型設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

空氣濾清器的容積為8 L；長寬高之比為4:3:3；進(jìn)氣管和出氣管直徑均為55 mm；進(jìn)氣管和出氣管總長均為400 mm，都存在2個(gè)90°彎角；濾芯的厚度為30 mm；進(jìn)氣管處建立邊長為500 mm的立方體穩(wěn)壓腔。本文對空氣濾清器的研究包括了其進(jìn)氣管和出氣管部分。

圖1所示為該空氣濾清器的網(wǎng)格生成圖。其中，穩(wěn)壓腔網(wǎng)格劃分較為稀疏，而空氣濾清器及管道的網(wǎng)格劃分較密，濾芯處網(wǎng)格單獨(dú)劃分。采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定的網(wǎng)格數(shù)目為505 998個(gè)。

圖1 空氣濾清器網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh of air filter

2 多孔介質(zhì)模型

空氣動力學(xué)仿真中，濾芯的模擬采用了多孔介質(zhì)模型。在簡單、均質(zhì)的多孔介質(zhì)上，動量方程中增加了一個(gè)代表動量消耗的源項(xiàng)，即

式中：源項(xiàng)Si中第1項(xiàng)是黏性損失項(xiàng)，也稱為達(dá)西公式項(xiàng)，第2項(xiàng)為慣性損失項(xiàng)。α為多孔介質(zhì)滲透性系數(shù)；C2為慣性阻力因子；μ為流體黏性系數(shù)；ρ為流體密度；v為流體通過多孔介質(zhì)的流速。

空氣濾清器濾芯的流阻特性是通過不同流速下濾芯兩側(cè)表面的壓力降情況來反映。在實(shí)際進(jìn)氣系統(tǒng)中，氣體通過空氣濾清器濾芯時(shí)的氣流速度相對較低，可看作是層流。多孔介質(zhì)層流模型中，壓力降與其速度成正比，常數(shù)C2可認(rèn)為是0。于是動量方程源項(xiàng)簡化為達(dá)西定律：

由于濾芯是一種折疊結(jié)構(gòu)，在與折疊平行的方向上，流阻值很小，通常取濾芯表面法向參數(shù)的1/10；另外一個(gè)方向氣流要穿過則需要穿透所有折疊起來的濾芯過濾層，所以流阻值將會較大，取濾芯表面法向參數(shù)的10倍。

對于有限厚度的多孔介質(zhì)的壓力變化，可由式(1)推到而來。源項(xiàng)為濾芯單位厚度的壓力降，忽略慣性損失項(xiàng)，將濾芯的實(shí)際厚度移到等式右邊得：

式中：?p為壓力降；?h為濾芯的實(shí)際厚度。通過實(shí)驗(yàn)測量出不同工況下的流量和壓力降情況，據(jù)此擬合出濾芯表面法向上參數(shù)1/α≈ 1.9×108[8?12]。

3 空氣動力學(xué)仿真

空氣濾清器內(nèi)氣流運(yùn)動遵循連續(xù)性方程、動量守恒方程，湍流模型則采用標(biāo)準(zhǔn)的k?ε兩方程模型。其邊界條件設(shè)定，進(jìn)口采用壓力邊界，表壓為 0，出口采用速度邊界，速度為27.5 m/s。方程的離散采用有限體積法，壓力修正采用SIMPLEC算法，對流項(xiàng)的差分格式采用二階迎風(fēng)格式，以提高計(jì)算的精度[13?14]。

3.1 流動阻力損失

判定空氣濾清器流動阻力損失的主要指標(biāo)是進(jìn)口位置和出口位置之間的總壓力損失。圖2所示為空氣濾清器內(nèi)各流動截面處的總壓力分布，反映出了整個(gè)流動過程中的能量損失情況。圖3所示為各截面處的面積加權(quán)總壓力，反映每個(gè)具體位置流動阻力情況。

從圖2可以看到：整個(gè)空濾器及管道處，流動阻力最大的區(qū)域是進(jìn)氣管道與空濾器的交界面。由于管道較短，引起的沿程阻力損失較小，而由流通截面大小和方向的變化所產(chǎn)生的局部阻力損失較大。穩(wěn)壓腔出口、空濾器進(jìn)口和彎管部分都有比較大的壓力降。這幾處位置在圖中都有比較明顯的壓力梯度，是流動阻力較大的區(qū)域。其中8截面和9截面分別是濾芯的下表面和上表面。管道進(jìn)口處和管道出口處的總壓力差為：1 596.81 Pa，濾芯部分的壓力降為178.87 Pa，整個(gè)空濾器的壓力降為884.9 Pa。

圖2 各流動截面的總壓力分布Fig.2 Total pressure distribution of different flow sections

3.2 濾芯流動均勻性

圖3 各流動截面的面積加權(quán)平均總壓力Fig.3 Area-weighted average total pressure of different flow areas

如果濾芯的某些位置在氣體流動方向上的速度較大，長期使用中可能會出現(xiàn)這部分濾芯被擊穿的情況。在空濾器設(shè)計(jì)時(shí)，總是希望通過濾芯上、下表面的氣流速度盡可能均勻，以使濾芯得到充分的利用，延長濾芯和空濾器的使用壽命。

圖4 濾芯上、下表面速度云圖和散點(diǎn)圖Fig.4 Contours of velocity and XY plot of upper and under surface of filter element

圖4所示為濾芯上、下表面的速度云圖和散點(diǎn)圖。速度、散點(diǎn)圖中橫坐標(biāo)表示濾芯水平截面X軸方向上不同位置，縱坐標(biāo)表示不同位置處各個(gè)點(diǎn)上氣流速度。從圖4可知：X軸正方向，出氣管一側(cè)靠近空濾器壁面的位置處流速比較快。這一區(qū)域中的濾紙容易老化甚至被擊穿，使用壽命較短。

可采用畸變參數(shù)k進(jìn)行空濾器濾芯流動均勻性的分析[15]：

其中：vmax和vmin分別表示通過濾芯速度的最大值和最小值，而vav表示濾芯區(qū)域的質(zhì)量加權(quán)平均值。k值越小則流動均勻性越好。

本計(jì)算中，流動方向速度的最大值vmax為 5.098 m/s，最小值vmin為?1.604 m/s，質(zhì)量加權(quán)平均值vav為1.476 m/s，最終求得畸變參數(shù)k=4.54。

4 空氣濾清器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在前述基本結(jié)構(gòu)空氣濾清器內(nèi)氣流流動特性數(shù)值模擬基礎(chǔ)上，對采用了進(jìn)氣插入管結(jié)構(gòu)和擋板結(jié)構(gòu)以及將插入管入口由圓截面改為斜截面后的空氣濾清器內(nèi)的流動阻力損失和濾芯的流動均勻性開展了進(jìn)一步深入系統(tǒng)的分析，從而為濾清器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

4.1 進(jìn)氣插入管結(jié)構(gòu)

空氣濾清器的進(jìn)氣插入管長度分別取40，60，70，80，90，100和120 mm形成了7種不同的方案，逐一開展了數(shù)值模擬。圖5所示為不同方案下由數(shù)值模擬得到的出口總壓力。從圖5可以看出：插入管長度為80 mm到100 mm時(shí)，出口總壓力較大，對于降低流動阻力效果較好。與原方案相比，采用較為合理的進(jìn)氣插入管結(jié)構(gòu)可以降低流動損失約40～50 Pa。

圖5 不同長度插入管的出口總壓Fig.5 Total pressure at outlet section with different lengths extended inlet pipes

除了流動阻力因素外，濾芯流動均勻性指標(biāo)也十分重要。采用畸變參數(shù)指標(biāo)對各種長度進(jìn)氣插入管結(jié)構(gòu)濾芯流動均勻性分析如圖6所示。從圖6可以看出：隨進(jìn)氣插入管長度增加，通過濾芯流動方向上的速度也隨之增加，而在整個(gè)濾芯區(qū)域的質(zhì)量加權(quán)平均速度基本保持不變，導(dǎo)致隨著插入管結(jié)構(gòu)的增加，濾芯的流動均勻性呈現(xiàn)降低的趨勢。

圖6 不同長度進(jìn)氣插入管的濾芯流動均勻性Fig.6 Flow uniformity of filter element with different lengths extended inlet pipes

4.2 擋板結(jié)構(gòu)

在空氣濾清器內(nèi)部，進(jìn)口截面和濾芯下表面之間增加擋板結(jié)構(gòu)。擋板的高度為50 mm，分別設(shè)置在距離空濾器進(jìn)口截面55，70，85，100，115，130，145和160 mm的位置。逐一開展數(shù)值模擬，得到不同擋板位置出口總壓力情況，如圖7所示。

當(dāng)擋板位置在距離進(jìn)口截面 85 mm處時(shí)的出口總壓力最低，說明在該位置流動阻力最大。整體來看，與初始方案和插入管方案相比，在空濾器中加入擋板結(jié)構(gòu)使得整個(gè)空濾器的流動阻力增加。由于加入擋板后，空氣粒子流過濾芯的速度加快，使得濾芯上下表面的壓差較初始方案有所增加。隨著擋板與進(jìn)口距離繼續(xù)增加，流動阻力呈現(xiàn)降低的趨勢。

濾芯上、下表面速度散點(diǎn)圖則反映了各擋板位置下的濾芯流動均勻性，如圖8所示。從圖8可以看出：與圖8(a)中采用插入管結(jié)構(gòu)時(shí)濾芯下表面速度峰值集出現(xiàn)在出氣管壁面一側(cè)不同，圖8(b)和圖8(c)采用擋板結(jié)構(gòu)的濾芯下表面速度峰值的位置都出現(xiàn)在擋板位置附近。濾芯上表面速度的峰值依然出現(xiàn)在出氣管壁面一側(cè)的位置。

圖7 各擋板位置的出口總壓力分布Fig.7 Total pressure at outlet section with baffle structure located at different positions

4.3 進(jìn)氣插入管入口斜截面結(jié)構(gòu)

當(dāng)進(jìn)氣管入口由圓截面改為斜截面結(jié)構(gòu)時(shí)，流動面積增加，會對流動阻力和濾芯流動均勻性產(chǎn)生影響，所以對于插入管長度為80 mm的方案，管口采用斜截面后進(jìn)行分析。斜截面與X軸負(fù)方向呈45°。表1所示為初始方案(即進(jìn)氣管尚未伸入濾清器的結(jié)構(gòu))、插入管長80 mm時(shí)入口圓截面方案和插入管長80 mm入口斜截面方案的出口總壓力，濾芯壓力差以及畸變參數(shù)的比較。入口斜截面方案的流動損失要高于圓截面時(shí)的插入管結(jié)構(gòu)方案，但小于初始方案。而從濾芯流動均勻性來看，采用插入管結(jié)構(gòu)后無論是否在管口進(jìn)行斜截面處理，均勻性都有所下降，而采用斜截面時(shí)效果相對稍好。插入管方案使得濾芯處的流速增加，在濾芯中的壓力降也有所升高。

圖8 濾芯上表面和下表面的速度散點(diǎn)圖Fig.8 Velocity at upper and under surface of filter element

表1 不同方案的比較Table 1 Comparison of different schemes

值得注意的是，采用插入管和擋板的主要目的是降低空濾器的進(jìn)氣噪聲，提高 NVH(噪聲、振動和舒適度)性能。這與減小進(jìn)氣阻力和濾芯流動的均勻性是矛盾的，因此，在空濾器設(shè)計(jì)時(shí)要權(quán)衡好三者之間的關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)空氣濾清器中采用進(jìn)氣插入管結(jié)構(gòu)降低了流動阻力損失，降低了濾芯流動均勻性。進(jìn)氣插入管長度在80 mm到100 mm之間時(shí)，對降低流動阻力效果較好。隨進(jìn)氣插入管長度的增加，通過濾芯流動方向上的速度也隨之增加，濾芯的流動均勻性呈現(xiàn)降低的趨勢。

(2)空氣濾清器中采用擋板結(jié)構(gòu)提高了流動阻力損失，降低了濾芯流動均勻性。當(dāng)擋板位置在距離進(jìn)口截面85 mm附近時(shí)，流動阻力損失最大。隨著擋板與進(jìn)口截面距離的增加，濾芯中流動方向上的最大速度呈現(xiàn)降低的趨勢，濾芯的流動均勻性有所提高。所以，實(shí)際設(shè)計(jì)中采用擋板結(jié)構(gòu)更主要的是去降低進(jìn)氣噪聲。

(3)進(jìn)氣插入管采用斜截面結(jié)構(gòu)雖然在流動阻力上略有增加，但是可以有效地提高濾芯流動均勻性。

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