進(jìn)氣空氣濾清器流阻特性CFD仿真分析
2013-10-30 03:53:52楊神林
楊神林
【摘 要】空氣濾清器除了要有良好的聲學(xué)性能外，同時(shí)要考慮其動(dòng)力學(xué)性能，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的動(dòng)力性能。本文基于流體動(dòng)力學(xué)理論，利用CAD三維模型建立CFD仿真模型，通過(guò)對(duì)不同空氣流量下空氣濾清器空腔本體及含濾紙濾清器系統(tǒng)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，深入了解該空氣濾清器阻力及內(nèi)部流場(chǎng)壓力、速度特性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其流阻特性進(jìn)行評(píng)估。
【關(guān)鍵詞】空氣濾清器；CFD；流阻特性
對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的研究，過(guò)去主要著重于進(jìn)氣效率、濾清效率以及壓力損失等方面，隨著技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)汽車舒適性要求的提高，進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)特性方面的研究也越來(lái)越有必要?？諝鉃V清器除了要有良好的聲學(xué)性能外，同時(shí)要考慮其動(dòng)力學(xué)性能，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的動(dòng)力性能。
本文基于流體動(dòng)力學(xué)理論，利用CAD三維模型建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD），主要計(jì)算90m3/h、180m3/h、270m3/h、360m3/h、450m3/h、540m3/h空氣流量下含濾紙濾清器流阻與內(nèi)部流場(chǎng)。同時(shí)，為便于比較分析，還對(duì)上述空氣流量下該濾清器空腔本體流阻及內(nèi)部流場(chǎng)也進(jìn)行了計(jì)算。
1.空氣濾清器內(nèi)流場(chǎng)分析模型的建立
根據(jù)空氣濾清器的三維模型，建立用于CFD計(jì)算的該空氣濾清器內(nèi)腔的三維實(shí)體模型，采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)該空氣濾清器實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，通過(guò)收斂性分析確定的合適單元尺寸，得到的內(nèi)腔網(wǎng)格模型，節(jié)點(diǎn)51788個(gè)，單元264448個(gè)，其實(shí)體模型及網(wǎng)格模型不做介紹。
假設(shè)空氣濾清器中的流動(dòng)為恒溫、穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，已知空氣濾清器的流量，在計(jì)算中給定入口壓力邊界條件和出口速度邊界條件，濾紙給定多孔介質(zhì)邊界條件。設(shè)定壓力值為101325Pa，空氣流出速度可通過(guò)已知流量及出口截面面積等數(shù)據(jù)計(jì)算得到，如表1.1中所列。
表1.1 不同空氣流量下出口平均速度
設(shè)定濾紙多孔介質(zhì)的邊界條件，需要設(shè)置粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)慣性阻力系數(shù)兩個(gè)參數(shù)，粘性阻力系數(shù)1/α=150μ（1-ε）
Dε，慣性阻力系數(shù)C2=1.75ρ（1-ε）
Dε，代入多孔介質(zhì)的流阻特性經(jīng)驗(yàn)公式?P=μv
α+C2v2，其中，μ是空氣的粘性阻力系數(shù)，D是濾紙的孔隙平均直徑，ε是濾紙的孔隙率。
2.空濾器本體空腔內(nèi)流場(chǎng)結(jié)果
在CFD求解器進(jìn)行網(wǎng)格檢查和優(yōu)化處理后，定義流體物理參數(shù)、施加進(jìn)出口邊界條件，不考慮濾紙影響，經(jīng)過(guò)多次計(jì)算迭代后得到收斂結(jié)果。不同流量下空氣濾清器本體空腔壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)結(jié)果分別不同。
空氣濾清器內(nèi)進(jìn)氣管（插入管）出口沖擊區(qū)域壓力較高。出氣管為突然收縮管，在與腔體連接處，壓力損失比較大。
表2.1 不同流量下空氣濾清器本體空腔進(jìn)出口壓差計(jì)算結(jié)果
表2.1分別給出不同空氣流量下，濾清器本體空腔、即不含濾紙條件下的進(jìn)出口壓力差結(jié)果?？梢钥闯?，進(jìn)出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關(guān)系曲線表現(xiàn)出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。
3.帶濾紙空濾器內(nèi)流場(chǎng)結(jié)果
給定流體物理參數(shù)、進(jìn)出口邊界條件，設(shè)置濾紙區(qū)域多孔介質(zhì)邊界條件，對(duì)不同流量下帶濾紙空氣濾清器的內(nèi)流場(chǎng)分別進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算得到的內(nèi)腔壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)也不同。
以360m3/h工況為例，過(guò)出口軸線平面內(nèi)的壓力場(chǎng)分布結(jié)果可以看出，濾紙下部腔內(nèi)壓力較高，濾紙區(qū)域自下而上壓力下降明顯；濾紙上部整個(gè)腔體內(nèi)壓力基本相等。由于截面突然收縮，在出口管處壓力梯度較大，壓力損失也較大。
過(guò)出口軸線平面內(nèi)的速度矢量結(jié)果、并參考無(wú)濾紙濾清器內(nèi)的速度場(chǎng)結(jié)果可以看出，濾紙對(duì)速度有阻礙作用，經(jīng)過(guò)濾紙后速度明顯減小，并且加濾紙后速度矢量在濾清器內(nèi)沒有折返現(xiàn)象。
表3.1 有濾紙空氣濾清器不同流量下進(jìn)出口壓差計(jì)算結(jié)果
表3.1、給出不同空氣流量下，含濾紙濾清器進(jìn)出口壓力差計(jì)算及實(shí)測(cè)結(jié)果?？梢钥闯?，采用濾紙模擬方法計(jì)算得到的不同流量下含濾紙空氣濾清器進(jìn)出口壓差與實(shí)測(cè)流阻結(jié)果基本吻合。含濾紙濾清器進(jìn)出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關(guān)系曲線表現(xiàn)出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。
由表3.1、中還可看出，雖然隨流量增加、濾紙對(duì)空氣流動(dòng)的阻力會(huì)有增長(zhǎng)，但濾紙對(duì)整個(gè)空濾系統(tǒng)流阻的貢獻(xiàn)率卻隨流量的增大而減小。采用CFD仿真結(jié)果可以計(jì)算得到，濾紙阻力在總流阻中所占比重由90m3/h時(shí)的45.83%下降至540m3/h時(shí)的7.35%左右。參考不帶濾紙結(jié)構(gòu)本體空腔流阻計(jì)算結(jié)果可知，該空氣濾清器本體空腔進(jìn)氣阻力占系統(tǒng)總流阻的主要部分?？傮w來(lái)說(shuō)，該空氣濾清器在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)具有較好的流阻特性，計(jì)算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。
4.結(jié)論
本文基于流體動(dòng)力學(xué)理論，利用CAD三維模型建立CFD仿真模型，通過(guò)對(duì)不同空氣流量下空氣濾清器空腔本體及含濾紙濾清器系統(tǒng)的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，深入了解該空氣濾清器阻力及內(nèi)部流場(chǎng)壓力、速度特性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其流阻特性進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，濾清器在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷范圍內(nèi)具有較好的流阻特性，計(jì)算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。計(jì)算得到了不同流量下濾清器內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)結(jié)果，該結(jié)果對(duì)了解該空氣濾清器實(shí)際工作性能與狀態(tài)具有重要指導(dǎo)意義。同時(shí)，基于多方案的CFD計(jì)算可在概念與方案設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)型式與尺寸參數(shù)的確定提供數(shù)據(jù)支持，采用濾紙模擬模型具有較高精度，可在今后公司類似結(jié)構(gòu)濾清器流阻計(jì)算中采用。
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