基于CFD的某車用空氣濾清器結(jié)構(gòu)改型

康寧 曹源

（北京航空航天大學(xué)）

基于CFD的某車用空氣濾清器結(jié)構(gòu)改型

康寧 曹源

（北京航空航天大學(xué)）

在總體尺寸不變情況下對(duì)空氣濾清器局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型，以改善內(nèi)部流動(dòng)的均勻性進(jìn)而提高其性能和濾芯的使用壽命。以濾芯處的速度分布和標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；濾芯采用多孔介質(zhì)模型替代，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。通過3次改型，最終采取在濾清腔和進(jìn)氣T形通道內(nèi)布置若干導(dǎo)流片方案。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)改型后濾芯內(nèi)部速度分布更加均勻，達(dá)到了提高其性能和壽命的目的。

1 前言

空氣濾清器作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的第一道關(guān)口，影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。但由于安裝位置和空間的限制，空氣濾清器內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式對(duì)其內(nèi)部流動(dòng)非常不利，尤其是影響濾芯處的流動(dòng)均勻性，當(dāng)流速較快部分的濾芯已經(jīng)堵塞不具備過濾能力時(shí)，流速較低部分的濾芯仍能正常工作，但卻必須要更換，這減少了濾芯的使用壽命，增加了使用成本。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)改善空氣濾清器內(nèi)部流場(chǎng)已經(jīng)開展了一些研究，但研究主要是通過改變?yōu)V清器外部殼體形狀或者調(diào)整濾芯的布置和濾芯褶皺角度等來達(dá)到提高流動(dòng)均勻性的目的。韓青[1]、劉志恩[2]和賈彥龍[3]對(duì)空氣濾清器內(nèi)空氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)存在流動(dòng)不均勻的現(xiàn)象；前兩者分別通過對(duì)空氣濾清器的進(jìn)口位置進(jìn)行改型設(shè)計(jì)，改善了內(nèi)部流動(dòng)；后者通過改變空氣濾清器外部殼體結(jié)構(gòu)，同時(shí)調(diào)整拐角的角度使得流動(dòng)得到改善。Sabins[4、5]和Newman[6]等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)空氣濾清器內(nèi)部速度分布不均勻，并進(jìn)行分析，結(jié)果表明其內(nèi)部流動(dòng)不均勻時(shí)濾芯的過濾效率與流動(dòng)均勻時(shí)有較大的差別。李佳[7]等通過改變?yōu)V芯結(jié)構(gòu)研究濾芯的效率和使用壽命，證明濾紙夾角為3°～4°時(shí)效果最好。

研究空氣濾清器內(nèi)部流場(chǎng)主要有試驗(yàn)法和數(shù)值計(jì)算法。試驗(yàn)方法準(zhǔn)確，數(shù)值計(jì)算靈活、方便，并且易于重復(fù)。本文在保證空氣濾清器殼體總體尺寸不變，只改變局部結(jié)構(gòu)的前提下，通過試驗(yàn)方法確定濾芯的阻力系數(shù)，驗(yàn)證濾芯壓降的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，再通過數(shù)值計(jì)算針對(duì)濾清器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化改型。

2 計(jì)算模型及計(jì)算方案

2.1 控制方程組

空氣濾清器內(nèi)部流動(dòng)簡(jiǎn)化為三維定常粘性不可壓流動(dòng)，采用Standard湍流模型?？刂品匠探M包括連續(xù)方程和動(dòng)量方程：

式中，u為速度；p為壓強(qiáng)；ρ為密度；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；雷諾應(yīng)力

2.2 計(jì)算模型

以某款帶有諧振腔的空氣濾清器為研究對(duì)象，由于分析內(nèi)部流場(chǎng)，故略去其外部安裝件、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，只取腔體內(nèi)表面，如圖1所示。左側(cè)腔體為諧振腔，右側(cè)為帶有濾芯的濾清腔。兩個(gè)腔體通過內(nèi)部T形管道連接，T形管在諧振腔和濾清腔各有一個(gè)出口。

2.3 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)解

網(wǎng)格劃分在ICEM中完成，由于其幾何形狀復(fù)雜，故采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。首先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)解分析，分別劃分約320萬、160萬、80萬和40萬的網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大于80萬的網(wǎng)格劃分對(duì)結(jié)果影響很小，所以選擇80萬的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

2.4 邊界條件及求解方法

選用Standard湍流模型，進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，流量為0.0997 kg/s，出口設(shè)置為壓力出口。濾芯作為多孔介質(zhì)處理，其中粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)由試驗(yàn)結(jié)果得出，多孔介質(zhì)孔隙率為0.6。

速度和壓強(qiáng)的耦合處理方法采用SIMPLE方法，壓力修正方程的離散格式采用1階格式，對(duì)流項(xiàng)離散格式采用2階迎風(fēng)格式。

2.5 評(píng)價(jià)方法

采用標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv來表征速度分布的均勻性，標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)數(shù)值越小，流動(dòng)均勻性越好。在FLU? ENT中讀出濾芯下表面垂直于濾芯方向即z方向的速度平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值，可以計(jì)算出通過濾芯下表面速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)[8]：

式中，xi為每個(gè)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)值；為平均值；n為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3 試驗(yàn)確定濾芯參數(shù)及驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

3.1 試驗(yàn)確定濾芯參數(shù)

試驗(yàn)裝置（圖2）為一個(gè)矩形通道，其中左側(cè)為氣流進(jìn)口，右側(cè)為氣流出口，濾芯豎直放置矩形通道中間。設(shè)置5組進(jìn)口流量，分別為0.018 m3/s、0.035 m3/s、0.052 m3/s、0.068 m3/s和0.085 m3/s。在這5種流量下，分別測(cè)得通過濾芯上、下表面的單位壓降，結(jié)果如圖3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)所示。

單位壓降與速度的關(guān)系[9]：

式中，α為粘性阻力系數(shù)；β為慣性阻力系數(shù)；v為垂直于濾芯的速度。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的單位壓降，利用最小二乘法得出濾芯粘性阻力系數(shù)為3.9×107m-2，慣性阻力系數(shù)為2 582 m-1。

3.2 計(jì)算結(jié)果的試驗(yàn)驗(yàn)證

建立與試驗(yàn)一致的計(jì)算模型，濾芯處用多孔介質(zhì)替代，多孔介質(zhì)的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)用上述數(shù)據(jù)。分別取試驗(yàn)中的5組流量作為進(jìn)口邊界條件，數(shù)值計(jì)算后提取濾芯上、下表面壓力計(jì)算濾芯處的單位壓降，計(jì)算結(jié)果如圖3中計(jì)算數(shù)據(jù)。對(duì)比可見，多孔介質(zhì)模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近，最大誤差為7%。故采用多孔介質(zhì)代替濾芯進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的方法是可行的。

4 改型方案與結(jié)果分析

4.1 原型存在的問題

從圖1可以看出，濾清腔內(nèi)的氣流都是通過T形管進(jìn)入的，T形管出口（濾清腔氣流進(jìn)口）的形狀和位置對(duì)濾清腔內(nèi)氣流流動(dòng)的影響較大。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，原型濾清腔內(nèi)存在大量的渦流，如圖4所示。分析主要原因有兩點(diǎn)：

a.濾清腔氣流進(jìn)口面積小于整個(gè)空氣濾清器氣流進(jìn)口面積，這使得氣流在T形管中加速，進(jìn)入濾清腔后速度過快，直接沖擊另一側(cè)壁面并且反彈形成渦流。

b.氣流進(jìn)口布置在壁面中間使得進(jìn)口壁面附近其它區(qū)域形成低壓區(qū)，同時(shí)氣流進(jìn)口貼近濾芯下表面，即進(jìn)口位置偏上，沒有空間對(duì)氣流進(jìn)行引導(dǎo)。

濾芯下表面及中截面的速度分布分別如圖5和圖6所示。圖5左側(cè)靠近濾清腔氣流進(jìn)口，右側(cè)靠近氣流出口，可以看出在靠近進(jìn)口和出口處速度較大，氣流進(jìn)口附近的速度達(dá)到6 m/s，出口附近達(dá)到5 m/s，而最小速度為1.5 m/s，最大與最小速度相差較大，速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv=30.5%，流動(dòng)較不均勻。從圖6可以看出，在通過濾芯的過程中，流場(chǎng)的均勻性有所提高，但速度分布不均勻的現(xiàn)象依然明顯，出口附近的最大速度為3.8 m/s，最小速度只有1.6 m/s。

4.2 初步改型

鑒于原型存在的問題，對(duì)其進(jìn)行如下改型：

a.將濾清腔進(jìn)氣口位置下調(diào)；

b.增加濾清腔進(jìn)氣口面積；

c.布置若干導(dǎo)流片，引導(dǎo)氣流向上流動(dòng)；

d.濾清腔底部直角處圓滑過渡。

初步改型示意如圖7所示。

從圖7可以看出，改進(jìn)后的濾清腔進(jìn)氣口位置下移至濾清腔底部，并且整個(gè)壁面的下部分都是進(jìn)氣口，進(jìn)氣面積比原型的面積大了很多。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流片布置太少時(shí)效果不明顯，并且容易在導(dǎo)流片之間產(chǎn)生漩渦，但是如果導(dǎo)流片布置太多又不利于實(shí)際工程的加工和安裝。綜合考慮最終布置12個(gè)導(dǎo)流片，安裝角度為80°。

初步改型的計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖8可以看出，改型后濾芯下表面處的速度分布得到改善，高速區(qū)域明顯減少并且最大速度也從6 m/s下降至4.5 m/s，位置也從進(jìn)氣口處轉(zhuǎn)移至靠近氣流出口的一側(cè)壁面處，出口附近的最大速度從原型的5 m/s下降至4 m/s。濾芯下表面速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv從30.5%下降到22.8%，流動(dòng)均勻性改善效果明顯。對(duì)比圖9與圖6可以看出，濾芯中截面的最大速度下降到3.2 m/s，最小速度上升到2 m/s，并且進(jìn)口附近的速度分布也更均勻。

4.3 初步改型存在的問題

由于濾清腔的氣流是從T形管進(jìn)入的，T形管內(nèi)氣流分布會(huì)影響濾清腔內(nèi)的氣流流動(dòng)。為了清楚觀察T形管內(nèi)部的流動(dòng)情況，取y=0平面（即過原型T形管出口圓心的剖面），該平面上的速度分布如圖10所示?？梢钥闯?，在T形管內(nèi)存在流動(dòng)不均勻的現(xiàn)象。由于氣流從空氣濾清器進(jìn)口沿著T形管流入時(shí)有沿著拐角弧度向下流動(dòng)的趨勢(shì)，再加上T形管諧振腔出口的存在，使得氣流流進(jìn)濾清腔時(shí)上部分的流速低，下部分的流速高。流動(dòng)的不均勻現(xiàn)象是由于T形管內(nèi)拐角的存在而產(chǎn)生的，故需要針對(duì)T形管拐角進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

4.4 2次改型

鑒于初步改型存在的問題，在拐角處布置導(dǎo)流片，迫使氣流均勻的流向?yàn)V清腔。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，T形管內(nèi)導(dǎo)流片布置過多會(huì)壓縮流體空間，使得流速加快，導(dǎo)流片布置過少起不到導(dǎo)流的效果；當(dāng)布置2片導(dǎo)流片時(shí)導(dǎo)流效果明顯且對(duì)速度影響不大，故布置2片導(dǎo)流片。導(dǎo)流片布置示意如圖11所示。

T形管內(nèi)布置導(dǎo)流片后，濾清腔進(jìn)氣口附近的氣流狀況得到有效改善，進(jìn)氣更加均勻。2次改型后y=0平面T形管附近的速度矢量分布如圖12所示。

濾清腔進(jìn)口處氣流的均勻性會(huì)影響導(dǎo)流片的效率，T形管內(nèi)布置導(dǎo)流片后，濾芯處的流動(dòng)也得到改善。2次改型后濾芯下表面和中截面速度分布如圖13和圖14所示。從圖13可以看出，濾芯下表面的最大速度從4.5 m/s下降到4 m/s，出口附近的最大速度從4 m/s下降到3 m/s，并且速度大的區(qū)域明顯縮小，而最小速度從1.5 m/s上升到2 m/s。濾芯下表面速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv從22.8%下降到16.3%，流動(dòng)均勻性改善效果明顯。對(duì)比圖14與圖9可以看出，濾芯中截面的最大速度下降到3 m/s，并且進(jìn)口附近的速度分布更加均勻。

4.5 2次改型存在的問題

觀察濾清腔內(nèi)y=0剖面處導(dǎo)流片附近的流動(dòng)可以發(fā)現(xiàn)，靠后的導(dǎo)流片導(dǎo)流效果較好，但由于進(jìn)口附近是相對(duì)低壓區(qū)域，故當(dāng)氣流通過前幾片導(dǎo)流片后不能很好的沿導(dǎo)流方向流動(dòng)，如圖15所示。

為了解決這一問題，需要針對(duì)濾清腔內(nèi)導(dǎo)流片的尺寸和位置進(jìn)行改進(jìn)。

4.6 最終改型

針對(duì)2次改型存在的問題，對(duì)導(dǎo)流片進(jìn)行如下改型：

a.增加導(dǎo)流片的尺寸，越靠近濾清腔進(jìn)氣口導(dǎo)流片尺寸增加越大，遠(yuǎn)離進(jìn)氣口的導(dǎo)流片尺寸依次遞減；

b. 調(diào)整導(dǎo)流片位置，使其更加接近濾清腔進(jìn)氣口，增加導(dǎo)流片數(shù)量至14個(gè)。

最終改型示意如圖16所示。

計(jì)算結(jié)果如圖17所示。對(duì)比圖15可以看出，增加導(dǎo)流片尺寸后，氣流通過導(dǎo)流片后的運(yùn)動(dòng)更加規(guī)律，基本沿導(dǎo)流方向運(yùn)動(dòng)。

氣流運(yùn)動(dòng)更加規(guī)律必然會(huì)改善濾芯處的速度分布，使得最終改型后濾芯下表面和中截面速度分布如圖18和圖19所示。從圖18可以看出，通過濾芯下表面的最高速度從4 m/s下降到3.5 m/s，并且入口附近的低速區(qū)域面積明顯減小，速度分布更加均勻。通過計(jì)算，濾芯下表面速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv從16.3%下降到15.0%，流動(dòng)均勻性改善效果明顯。對(duì)比圖19與圖14可以看出，濾芯中截面的速度分布變化不大。

受外部布置形式影響，該空氣濾清器的出口在一側(cè)（圖1）?？拷鼮V清器出口處的負(fù)壓大，會(huì)促使氣流更多的從靠近出口的一側(cè)流出，故原型濾芯處右上角的速度明顯大于右下角。改型后上部分區(qū)域的速度也要略大于下部分區(qū)域，但是速度分布的均勻性較原型有很大提高，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

5 結(jié)束語

a.通過改進(jìn)濾清腔進(jìn)氣口并且布置導(dǎo)流片和直角邊的圓滑過渡可以改善濾清腔內(nèi)部的流動(dòng)均勻性，使通過濾芯的最大速度從6 m/s下降到4.5 m/s，濾芯下表面速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv從30.5%下降到22.8%，濾芯內(nèi)部速度分布更加均勻。

b. 通過在T形管內(nèi)布置導(dǎo)流片可以有效改善濾清腔進(jìn)氣口處的流動(dòng)均勻性，并使得通過濾芯的最大速度從4.5 m/s下降到4 m/s，最小速度從1.5 m/s上升到2 m/s，濾芯下表面速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv從22.8%下降到16.3%，濾芯內(nèi)部速度分布更加均勻。

c.通過增加導(dǎo)流片的尺寸并且靠近進(jìn)氣口布置可以改善濾清腔內(nèi)的流動(dòng)均勻性，使得通過濾芯的最高速度從4 m/s下降到3.5 m/s，濾芯下表面速度的標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv從16.3%下降到15.0%。

1 韓青.車用空氣濾清器的流場(chǎng)數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì).內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2007（5）：12～15.

2 賈彥龍.基于CFD的空氣濾清器進(jìn)口結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì).湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21（4）：9～13.

3 劉志恩.k-ε模型和RNG模型模擬分析車用空濾器湍流流場(chǎng).武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2012，36（2）：279～282.

4 SABINS R,CAI Q,CHAMBERS F W.Diagnosis of the flow fields in a housing for air filter Performance testing.Ameri?can Institute of Aeronautics and Astronautics,1994,Paper AIAA-94-0117.

5 SABINS R,CAI Q,CHAMBERS F W.Flow distribution ef?fete upon air filter Performance measurements.SAE 1994,3: 386～397.

6 Newman,Duran R A,CHAMBERS F W.Air filter test hous?ing velocity Profile effects on filter efficiencies.SAESP-1252,35～48.

7 李佳,劉震濤，劉忠民，等.空氣濾清器流動(dòng)過程仿真與試驗(yàn)分析.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2012，46（2）：327～332.

8 毛劍宏，蔣新偉，鐘毅，等.變截面傾斜煙道導(dǎo)流板對(duì)AIG入口流場(chǎng)的影響.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011,45（8）：1453～1457.

9 王鵬宇.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾清器的消聲與氣動(dòng)性能研究：[學(xué)位論文].北京：北京航空航天大學(xué)，2014.

（責(zé)任編輯晨 曦）

修改稿收到日期為2014年8月1日。

Structure Remodeling of a Vehicle Air Filter Based on CFD

Kang Ning,Cao Yuan
（Beijing University of Aeronautics）

To improve internal flow uniformity and improve performance and service life of filter element,local structure of air filter is remodeled with the overall dimensions of the filter remain unchanged.The velocity distribution and coefficient of standard deviation at filter element are used to evaluate the effect of remodeling.The original filter element is replaced with porous media model and an experiment is made to prove feasibility of this replacement.After three times of remodeling,several flow deflectors are laid out in filtering chamber and T-pipe channel.The numerical results show that the uniformity of inner velocity distribution is improved,performance and service life of the remodeled filter element are improved.

Air filter,Flow uniformity,Service life,Structure optimization

空氣濾清器 流動(dòng)均勻性 使用壽命 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

U464.134+4

A

1000-3703（2015）04-0001-05