一種空氣濾清器仿真分析方法研究

孫 陽，王建東，盧進軍，喬夢華，陳克新，李文超，李繼新

(中國北方車輛研究所，北京，100072)

空氣濾清器是一種廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機、燃氣輪機及空氣壓縮設(shè)備的進氣過濾系統(tǒng)，其主要功能是濾除進入動力設(shè)備中的灰塵和雜質(zhì)，從而減少氣缸、活塞和活塞環(huán)的磨損，延長動力設(shè)備的使用壽命.空氣濾清器的過濾效率、進氣阻力和容塵量等性能參數(shù)直接影響動力設(shè)備的動力性、燃油(氣)經(jīng)濟性、使用可靠性[1].由于空氣濾清器是一種綜合過濾設(shè)備，包含有多種過濾元件，內(nèi)部流動十分復(fù)雜，因此，依靠試驗手段來研制空氣濾清器內(nèi)部流暢，無法將內(nèi)部流暢信息完全復(fù)現(xiàn).隨著計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)被用來研究空氣濾清器的速度場、壓力場等問題[2].國外一些學(xué)者對褶型過濾器過濾壓力損失模型進行研究[3-4]，并對空氣過濾器進行 CFD數(shù)值模擬研究[5-6].

空氣濾清器由一級濾清器、抽塵裝置、殼體、濾芯等部分組成.其中一級濾清器是含有多個固定旋轉(zhuǎn)件的復(fù)雜離心分離裝置;抽塵裝置是含有高速旋轉(zhuǎn)件的離心泵;濾芯是由濾紙加工而成的過濾分離裝置.由此可以看出，各過濾元件的工作原理差異很大.同時，由于一級濾清器總成內(nèi)旋流管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細微結(jié)構(gòu)數(shù)量多，如果用普通前處理方式，模型最大網(wǎng)格和最小網(wǎng)格的尺寸相差50～100倍，網(wǎng)格數(shù)量將達到108以上，這是目前仿真分析軟件很難完成的工作.

本研究通過分析過濾元件在空氣濾清器中不同的工作特性，將不同過濾元件按照工作特性進行等效簡化，從而實現(xiàn)對空氣濾清器的仿真計算.通過試驗臺架空氣濾清器阻力試驗對仿真結(jié)果進行驗證，證明此種仿真分析方法的可行性.

1 空氣濾清器仿真分析流程

空氣濾清器仿真分析流程見圖1.

圖1 空氣濾清器仿真分析流程

2 一種空氣濾清器的仿真算例

本算例是一種工程車輛空氣濾清器，常用于空氣含塵量較大的環(huán)境中.主要部件包括帶有旋流管一級濾清器，梯形濾芯的二級濾清器和離心式抽塵泵.

由于空氣濾清器包括多種過濾元件，為進行空氣濾清器的仿真計算，首先根據(jù)不同過濾元件的工作特性對空氣濾清器重新構(gòu)建簡化三維模型.

2.1 一級濾清器和抽塵裝置簡化模型的建立

如果將一級濾清器的各旋流管，視為在不同流量下，表現(xiàn)為不同阻力特性的過濾元件，則可將抽塵裝置對一級濾清器的阻力影響疊加在各旋流管元件上，這樣就可以將抽塵裝置在仿真模型中忽略，而只考慮旋流管的模型和阻力特性.通過一級濾清器和抽塵裝置的聯(lián)合試驗，可以得到一級濾清器的阻力特性數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)將阻力特性分配到各旋流管元件上，就可以得到簡化后的一級濾清器的簡化模型，見圖2.

圖2 一級濾清器簡化模型

2.2 二級濾清器模型的建立

二級濾清器由殼體和空氣濾芯組成.空氣濾芯是由濾紙經(jīng)過折疊后粘接而成.濾紙的厚度一般為0.35～0.55 mm，濾紙紙褶間隙一般為 1.8 ～3 mm.由于濾紙幾何結(jié)構(gòu)很難在仿真分析中直接應(yīng)用，因此，通過將空氣濾芯看做具有一定阻力特性的阻力區(qū)域，可以將空氣濾芯模型簡化，同時也不會影響仿真計算的準確性.

通過簡化殼體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，可以得到不影響仿真計算結(jié)果殼體模型，見圖3.

圖3 二級濾清器簡化模型

2.3 空氣濾清器計算模型前處理

2.3.1 一級濾清器總成前處理

根據(jù)一級濾清器簡化模型的特點，可以將各旋流管視為多孔介質(zhì).多孔介質(zhì)模型的動量方程是在標準動量方程的后面加上動量方程源項.源項包含兩個部分:粘性損失項和慣性損失項.

在簡單、均勻的多孔介質(zhì)上，可以簡化模型并轉(zhuǎn)換為壓降和流速關(guān)系得到公式(1).

式中:α為粘性阻力系數(shù);C2為慣性阻力系數(shù);μ為空氣動力粘度;△p為多孔介質(zhì)壓力降，Pa;△n為多孔介質(zhì)厚度，m.

由一級濾清器阻力特性試驗數(shù)據(jù)(見表1)，可以得到旋流管元件的多孔介質(zhì)參數(shù).

表1 一級濾清器阻力特性試驗數(shù)據(jù)

2.3.2 濾芯前處理

參照文獻[8]中對圓形濾芯和梯形濾芯多孔介質(zhì)模型的選擇[8]，這里梯形濾芯的多孔介質(zhì)計算模型采用公式(2).

從湖湘學(xué)派知行觀到馬克思主義的中國化典范代表《實踐論》，充分證明馬克思主義的文化理性與中國傳統(tǒng)文化理性在根本是相通的。在兩者的融合碰撞中，毛澤東站在時代潮頭，充分運用自己深厚的中國傳統(tǒng)文化積淀和對馬克思主義哲學(xué)的理解，在探索、積累社會變革理論和踐行救國圖存的道路上，開辟出了一條全新的道路，形成了自己獨特的哲學(xué)理論體系。《實踐論》，不僅繼承和發(fā)揚了中國的哲學(xué)，而且也豐富了馬克思主義認識論，是馬克思主義與中國傳統(tǒng)哲學(xué)相融合的典范。

式中:C0和C1為根據(jù)濾芯阻力特性計算得到的經(jīng)驗系數(shù).在冪函數(shù)模型中，壓降是各向同性的，C0和C1的單位為國際標準單位.

2.3.3 空氣濾清器總成模型前處理

將生成的三維模型在Gambit軟件中進行前處理，通過操作，將流體計算域劃分為四個流體計算域:濾芯后的腔體、濾芯體、濾芯外和一級濾之間的腔體、一級濾體.

設(shè)定邊界條件為壓力入口和速度出口.

2.4 仿真計算結(jié)果及分析

空氣濾清器出口壓力為5 500 Pa，壓力分布圖見圖4.濾芯流速分布圖見圖5.空氣濾清器速度流線分布圖見圖6.

通過空氣濾清器仿真分析可以看出:

1)空氣濾清器的阻力分配較為合理，各過濾元件工作在合理的范圍內(nèi).

3)濾芯的流速范圍較為合理，但有繼續(xù)優(yōu)化的空間.

圖4 空氣濾清器壓力分布圖

圖5 濾芯速度分布圖

圖6 空氣濾清器速度流線分布圖

3 仿真結(jié)果的驗證

3.1 空氣濾清器試驗臺架的建立

為了驗證仿真計算結(jié)果，將空氣濾清器布置在標準的空氣濾清器性能試驗臺上.按照《JB/T 9747－2005內(nèi)燃機空氣濾清器性能試驗方法》中阻力特性試驗要求和步驟進行試驗.

3.2 空氣濾清器臺架試驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比

通過臺架試驗，得到空氣濾清器在額定流量下出口處阻力為5 370 Pa.

臺架試驗測試結(jié)果與仿真計算結(jié)果的誤差為2.4%.

由此可以看出，這種空氣濾清器仿真分析方法能夠準確對測試結(jié)果進行預(yù)測.

4 結(jié)論

采用一種新型空氣濾清器仿真分析方法，實現(xiàn)了對空氣濾清器的系統(tǒng)仿真計算，并通過臺架試驗對仿真結(jié)果進行了驗證.由此可以得到以下結(jié)論:

1)采用新的空氣濾清器仿真計算方法可以較為準確地仿真計算得到空氣濾清器阻力特性;

2)這種仿真分析方法可以將過濾元件單元化，為今后空氣濾清器過濾元件數(shù)據(jù)庫建立提供了方向.

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