高原環(huán)境下某裝甲車(chē)輛空氣濾清器性能仿真分析與試驗(yàn)

盧進(jìn)軍，李繼新，孫陽(yáng)，陳克新，喬夢(mèng)華，李文超

（中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京100072）

高原環(huán)境下某裝甲車(chē)輛空氣濾清器性能仿真分析與試驗(yàn)

盧進(jìn)軍，李繼新，孫陽(yáng)，陳克新，喬夢(mèng)華，李文超

（中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京100072）

高原環(huán)境特殊，海拔高、氣溫低、大氣壓力低，傳統(tǒng)重型裝甲車(chē)輛空氣濾清器設(shè)計(jì)輸入為平原地區(qū)大氣環(huán)境與空氣密度，為保證高原使用要求，必須預(yù)測(cè)空氣濾清器總成在高原特殊環(huán)境下的工作性能。建立了空氣濾清器計(jì)算模型，構(gòu)建三維仿真模型并簡(jiǎn)化，進(jìn)行仿真計(jì)算，預(yù)測(cè)了空氣濾清器在不同環(huán)境下的性能趨勢(shì)。基于理論研究結(jié)論，開(kāi)展了高原實(shí)地空氣濾清器系統(tǒng)性能測(cè)試。對(duì)比分析測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果，得出模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間誤差可控制在20%以?xún)?nèi)。

兵器科學(xué)與技術(shù)；高原；空氣濾清器；虛擬樣機(jī)：仿真；多孔介質(zhì)；試驗(yàn)

0 引言

傳統(tǒng)的裝甲車(chē)輛空氣濾清器的設(shè)計(jì)指標(biāo)輸入點(diǎn)均是基于1 000 m以下海拔地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)而確定的，為了提升重型坦克裝甲車(chē)輛全地域、全地形使用性能，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)輸入已經(jīng)不能客觀評(píng)價(jià)空氣濾清器在高原地區(qū)的性能需求。

中國(guó)疆域遼闊，總體上西高東低，高原、山地約占全國(guó)總面積約60%.自西向東明顯地分成3級(jí)階梯：以著名的世界屋脊——青藏高原為最高1級(jí)階梯，平均海拔在4 500 m以上；以北、以東與西北高原和云貴川等高原接壤，高度在1 000～3 000 m，構(gòu)成第2級(jí)階梯，再往東是1 000 m以下的丘陵和平原地帶。某軍事敏感區(qū)就位于海拔在4 500 m左右的高原山地，特種車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)在高原條件下的動(dòng)力性能直接影響了武器裝備的機(jī)動(dòng)性能，而影響發(fā)動(dòng)機(jī)高原使用的關(guān)鍵部件之一就是空氣濾清器。

工作在高原地區(qū)的發(fā)動(dòng)機(jī)主要面臨著起動(dòng)困難和功率下降兩個(gè)關(guān)鍵難題。由于海拔高，空氣密度和壓力降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣量、氣缸壓縮壓力和溫度也隨著降低，致使混合氣過(guò)濃，引起燃燒不良。表現(xiàn)為最大功率大幅度下降，耗油量明顯上升、排放趨于惡化。同時(shí)潤(rùn)滑油和冷卻液溫度偏高、水箱經(jīng)常開(kāi)鍋、內(nèi)燃機(jī)工作穩(wěn)定性受到影響。主要原因是隨著海拔高度的增加，空氣密度迅速減小，氣體雷諾數(shù)Re也隨之減小，氣體粘性影響增大，粘性摩擦力增大，流動(dòng)邊界層增厚，影響換氣流動(dòng)過(guò)程，使柴油機(jī)有效充氣量下降，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)高原工作時(shí)效率下降，功率降低［1］。

高原地區(qū)若要求發(fā)動(dòng)機(jī)功率不降低，須保證進(jìn)氣質(zhì)量流量，則高原地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣體積流量增加迅速，空氣濾清器阻力增加，由此，功率下降可以通過(guò)改善空氣濾清器性能，特別是阻力性能得到部分解決。

本文基于過(guò)濾材料滲透特性理論方程與達(dá)西公式分別建立1級(jí)濾清器和2級(jí)濾清器的數(shù)學(xué)模型，綜合兩種模型構(gòu)建了空氣濾清器總成的仿真模型，討論了一種基于高原使用工況數(shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真計(jì)算空氣濾清器特性的方法，并結(jié)合高原實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析該虛擬樣機(jī)模型的適用性，從而形成一種預(yù)測(cè)特種車(chē)輛空氣濾清器高原等特殊環(huán)境下性能的新方法。

1 計(jì)算模型的建立

空氣濾清器總成由1級(jí)濾清器總成、殼體、濾芯等部分組成?；诶碚撚?jì)算的角度分析，空氣濾清器的數(shù)學(xué)模型主要可以分解為1級(jí)濾清器和2級(jí)濾清器的數(shù)學(xué)模型，2級(jí)濾清器建模工作主要集中在濾芯數(shù)學(xué)模型的建立。

由于1級(jí)濾清器總成的結(jié)構(gòu)與阻力特性，可視為一種可產(chǎn)生壓降梯度的元件，壓降與流速呈比例，具有多孔介質(zhì)的屬性，故將各旋流管簡(jiǎn)化為柱狀多孔介質(zhì)。同理，根據(jù)濾芯簡(jiǎn)化模型的特點(diǎn)，可以將濾芯視為多孔介質(zhì)單元［2］。與1級(jí)濾清器多孔介質(zhì)模型不同的是，濾芯的多孔介質(zhì)模型是具有一定厚度的多孔介質(zhì)形成圓形或跑道形狀。在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對(duì)于壓力梯度有貢獻(xiàn)，壓降和流體速度（或速度方陣）呈比例［3］。

在已知多孔介質(zhì)上的速度與壓力降的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過(guò)插值的方法求出多孔介質(zhì)的參數(shù)，根據(jù)速度和壓降數(shù)據(jù)，可以擬合出一條“速度-壓力降”曲線(xiàn)［4］，其方程可以表示為

（1）式中待確定系數(shù)為1/αx和C2x，其他項(xiàng)已知，在此，將1/αx和C2x稱(chēng)為多孔介質(zhì)參數(shù)。

設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下進(jìn)氣流量為1.56 kg/s，查詢(xún)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)大氣數(shù)值，得到海拔0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m和4 500 m大氣壓力、溫度、空氣密度和動(dòng)力粘度。將質(zhì)量流量依據(jù)空氣密度折算為不同的體積流量后，通過(guò)單個(gè)旋流管和單個(gè)濾芯阻力特性試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1），可以得到單個(gè)旋流管元件和單個(gè)濾芯在不同海拔環(huán)境下的多孔介質(zhì)參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表1 單個(gè)旋流管和濾芯在不同流量下阻力特性數(shù)據(jù)Tab.1 The resistance data of a single vortex tube and filter element under different flows

表2 單個(gè)旋流管和濾芯在不同海拔條件下多孔介質(zhì)參數(shù)Tab.2 The porous parameters of a single vortex tube and filter element at different altitudes

2 仿真三維模型的構(gòu)建

空氣濾清器結(jié)構(gòu)總成簡(jiǎn)圖如圖1所示，針對(duì)空氣濾清器總成三維模型，對(duì)關(guān)鍵部件復(fù)雜結(jié)構(gòu)分別簡(jiǎn)化，組合成為系統(tǒng)仿真模型。

圖1 空氣濾清器結(jié)構(gòu)總成圖Fig.1 3D simulation model of air filter assembly

2.1 1級(jí)濾清器總成和抽塵裝置模型的建立

1級(jí)濾清器總成的旋流管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)微結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量大，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(dá)到108數(shù)量級(jí)，計(jì)算量巨大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。

依據(jù)前述計(jì)算模型的建立方法，將1級(jí)濾清器總成的各旋流管，等效為在不同流量下表現(xiàn)不同阻力特性的元件，只考慮旋流管的模型和阻力特性。就可以將復(fù)雜的葉型結(jié)構(gòu)忽略掉，簡(jiǎn)化為集束筒狀結(jié)構(gòu)，在仿真軟件中依據(jù)計(jì)算模型建立中確定的定義，定義其多孔介質(zhì)性質(zhì)。簡(jiǎn)化后的1級(jí)濾清器總成的仿真分析模型，如圖2所示。

圖2 1級(jí)濾清器總成原始模型與簡(jiǎn)化模型Fig.2 Original model and simplified model of pre-cleaner

2.2 2級(jí)濾清器總成模型的建立

2級(jí)濾清器總成由殼體和濾芯組成。通過(guò)簡(jiǎn)化殼體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，可以得到不影響仿真計(jì)算結(jié)果殼體模型，如圖3所示。

濾芯是由濾紙經(jīng)過(guò)折疊后，粘接而成的。濾紙折疊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖4所示。

圖3 2級(jí)濾殼體簡(jiǎn)化模型Fig.3 Simplified model of secondary filter shell

圖4 濾芯紙褶結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Paper fold structure of filter element

據(jù)計(jì)算模型中的理論分析，在仿真流體域中，濾芯的主要作用為產(chǎn)生壓力降，故可忽略濾芯紙折結(jié)構(gòu)，將濾芯等效為空間多孔介質(zhì)單元，簡(jiǎn)化后的濾芯模型見(jiàn)圖5.

圖5 濾芯簡(jiǎn)化模型Fig.5 Simplified model of filter element

通過(guò)以上模型簡(jiǎn)化并組合，可以得到空氣濾清器總成的系統(tǒng)仿真分析模型［4-5］，如圖6所示。

將生成的三維模型在ANSYS Gambit軟件中進(jìn)行前處理，即劃分網(wǎng)格和定義區(qū)域，將流體計(jì)算域劃分為4個(gè)部分體結(jié)構(gòu)：濾芯前的腔體、濾芯后的腔體、濾芯體和1級(jí)濾體，定義濾芯體和1級(jí)濾體為多孔介質(zhì)單元Porous zone.

濾芯前、后腔體網(wǎng)格數(shù)為1 300 057；濾芯共2個(gè)，網(wǎng)格數(shù)分別為285 375、273 413；1級(jí)濾體共65個(gè)，網(wǎng)格數(shù)為7 900～8 200.

將生成模型的mesh文件導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件中進(jìn)行計(jì)算，在環(huán)境參數(shù)設(shè)置時(shí)依據(jù)仿真模型的輸入?yún)?shù)特點(diǎn)，選取0 m、3 000 m、3 500 m、4 000 m、4 500 m共5個(gè)海拔高度，確定5個(gè)工況，設(shè)置不同的溫度和空氣粘度。設(shè)定邊界條件為壓力入口和速度出口，選擇1級(jí)濾清器的進(jìn)氣口面為壓力進(jìn)口，空氣濾清器殼體出氣口為速度出口，依據(jù)不同海拔地域的空氣密度數(shù)據(jù)，計(jì)算空氣濾清器的出口流量，在出口面積一定的條件下，出口流速即可確定，因?yàn)檐浖挥兴俣热肟谝粋€(gè)選項(xiàng)，故將速度數(shù)值設(shè)為負(fù)值，即形成了速度出口。在兩種多孔介質(zhì)模型設(shè)置中選擇圓形多孔介質(zhì)，模型的關(guān)鍵參數(shù)輸入依據(jù)表2.需要注意的是，多孔介質(zhì)模型的參數(shù)不隨海拔高度的變化而變化［6-8］。

圖6 空氣濾清器總成仿真三維模型Fig.6 3D simulation model of air filter assembly

3 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)仿真計(jì)算，得到了不同海拔高度下，空氣濾清器總成的壓力分布云圖與速度流線(xiàn)分布圖，選取了有代表性的海拔4 500 m工況下的仿真結(jié)果，如圖7和圖8所示。

3.1 空氣濾清器流場(chǎng)特性仿真分析

從圖7和圖8可以看出，由于氣流從殼體頂端的1級(jí)濾清器進(jìn)入，在殼體內(nèi)發(fā)生90°折轉(zhuǎn)，由濾芯的密封面進(jìn)入集氣箱，在集氣箱內(nèi)再次匯聚，最后由出氣口排出。流線(xiàn)分布圖基本反映了氣流的軌跡。并且有如下特點(diǎn)：空間越大，距離主流道距離越短，流線(xiàn)越稀疏，空間越緊湊，流線(xiàn)越密集。

圖7 海拔4 500 m空氣濾清器總成壓力分布云圖Fig.7 Pressure contour of air filter at altitude of 4 500 m

圖8 海拔4 500 m空氣濾清器總成速度流線(xiàn)分布圖Fig.8 Path line of air filter at altitude of 4 500 m

氣流由大的殼體空間進(jìn)入狹小的集氣箱空間，再由集氣箱空間收縮進(jìn)入出氣口排出，由于氣流空間的變化導(dǎo)致流速的升高，壓力降與流速的平方呈比例，由壓力云圖可以看出，空氣濾清器壓力降基本呈兩個(gè)階梯3段分布。

3.2 空氣濾清器高原仿真結(jié)果

仿真結(jié)果總結(jié)如表3和表4所示，從中可以得出典型位置的壓力降和流速值。

表3 5種工況下空氣濾清器壓力降仿真結(jié)果Tab.3 Simulated pressure drop results of filter under 5 working conditionsPa

4 高原測(cè)試

針對(duì)仿真分析結(jié)果，建立了一套動(dòng)態(tài)測(cè)試空氣濾清器性能和環(huán)境參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，在高原測(cè)試場(chǎng)開(kāi)展了空氣濾清器系統(tǒng)高原實(shí)車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)試。其測(cè)試?yán)碚摶诹鲌?chǎng)仿真數(shù)據(jù)，主要集中于兩個(gè)性能：壓力分布與流速。

表4 5種工況下空氣濾清器流速仿真結(jié)果Tab.4 Simulated flow velocity results of filter under 5 working conditionsm/s

4.1 空氣濾清器高原測(cè)試方案與實(shí)施

阻力測(cè)試：采用集束壓力傳感器，在空氣濾清器殼體、出氣口、集氣箱、1級(jí)濾清器等流場(chǎng)均勻處布置測(cè)試點(diǎn)，保證各測(cè)點(diǎn)覆蓋空氣濾清器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，形成網(wǎng)格化分布，最終形成針對(duì)全空氣濾清器的壓力分布圖，測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 空氣濾清器總成靜壓測(cè)點(diǎn)圖Fig.9 Test point map of air filter assembly

進(jìn)氣流速測(cè)試：空氣濾清器速度分布測(cè)試較為困難，采用變通的方法，通過(guò)風(fēng)速傳感器獲得了流量的初始數(shù)據(jù)。由于流量測(cè)試要求在穩(wěn)態(tài)下且需要有長(zhǎng)段標(biāo)準(zhǔn)管路等條件，在高原環(huán)境下難以滿(mǎn)足。故將進(jìn)氣流量測(cè)試轉(zhuǎn)變?yōu)?級(jí)濾清器特定點(diǎn)的風(fēng)速測(cè)試，其具體方法是在1級(jí)濾清器某一旋流管上方布置風(fēng)速傳感器，通過(guò)測(cè)試該點(diǎn)的風(fēng)速，通過(guò)單一旋流管的截面面積，可以推測(cè)出單管進(jìn)氣流量，再綜合1級(jí)濾清器的旋流管個(gè)數(shù)，可以推算出空氣濾清器的總進(jìn)氣流量。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，須采取3項(xiàng)措施：

1）科學(xué)標(biāo)定風(fēng)速傳感器；

2）1級(jí)濾清器入口四周保持封閉，保證氣流由上向下進(jìn)入1級(jí)濾清器旋流管；

3）為了保證流速均勻，固定風(fēng)速傳感器過(guò)風(fēng)點(diǎn)與旋流管的中心對(duì)齊，且距離旋流管頂端40 mm.

動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程與試驗(yàn)條件：動(dòng)態(tài)測(cè)試是指空氣濾清器實(shí)車(chē)全工況測(cè)試，具體實(shí)現(xiàn)形式為車(chē)輛逐一擋位行駛，每一擋位要求發(fā)動(dòng)機(jī)由低到高以4～5個(gè)轉(zhuǎn)速值運(yùn)行20 s（例如1擋時(shí)轉(zhuǎn)速值為1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min），這樣就基本涵蓋了車(chē)輛在高原地區(qū)所有的運(yùn)行狀態(tài)。該測(cè)試場(chǎng)地試驗(yàn)條件如表5所示。

表5 5種工況下空氣濾清器試驗(yàn)條件Tab.5 Test conditions of filter under 5 working conditions

4.2 測(cè)試結(jié)果

場(chǎng)地測(cè)試后整理的測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 5種工況下空氣濾清器測(cè)試結(jié)果Tab.6 Test results of filter under 5 working conditions

通過(guò)高原風(fēng)速測(cè)試得到的濾清器進(jìn)氣流量結(jié)果與同樣阻力條件臺(tái)架試驗(yàn)所需要的進(jìn)氣流量進(jìn)行對(duì)比，其誤差低于10%，可以判斷該測(cè)試方法基本滿(mǎn)足測(cè)試需求。

5 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析

將仿真計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出在不同的海拔高度條件下，空氣濾清器壓力降和1級(jí)濾清器進(jìn)氣流量仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的對(duì)比關(guān)系。其中仿真結(jié)果中空氣濾清器總成出口的壓力降可由出口靜壓的面平均值得到，試驗(yàn)狀態(tài)壓力降可以通過(guò)在指定點(diǎn)布置壓力傳感器測(cè)量得到，1級(jí)濾清器單管進(jìn)口流速仿真結(jié)果可以在速度流線(xiàn)分布圖中得到，與場(chǎng)地測(cè)試中的流速傳感器得到的進(jìn)口流速結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

選取了5種工況下空氣濾清器壓力降與1級(jí)濾清器進(jìn)口流速仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，額定工況取車(chē)輛4擋時(shí)，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min左右。因?yàn)樵趯?shí)車(chē)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，此種工況下進(jìn)氣流量最大，接近于額定進(jìn)氣流量。其對(duì)比分析見(jiàn)圖10和圖11.

圖10 空氣濾清器在不同海拔高處額定輸出功率時(shí)出口處壓力降仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.10 Comparison of simulated and experimental pressure drops at air filter outlet at rated output power at different altitudes

圖11 空氣濾清器在不同海拔高處額定輸出功率時(shí)1級(jí)濾清器進(jìn)口處單管流速仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比Fig.11 Flow velocities of air filter single tube at pre-cleaner inlet at rated output power at different altitudes

6 結(jié)論

1）由三維仿真模型的計(jì)算結(jié)果分析可以看出，該空氣濾清器的主要壓力降產(chǎn)生于殼體出口收縮，在不同的海拔高度時(shí)，其靜壓分布形式與流線(xiàn)狀態(tài)基本一致，殼體底部靠后部位流線(xiàn)稀疏，說(shuō)明此處流速較低，容易形成渦區(qū)，解決方案為將1級(jí)濾清器由濾芯頂部移至濾芯后端，可以使流場(chǎng)更趨均勻。

2）通過(guò)將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可以得到：在海拔高度依次增高的高原狀態(tài)下，空氣濾清器的壓力降在海拔高度從0～4 000 m階段總體呈上升趨勢(shì)，在4 000～4 500 m區(qū)間，壓力降較4 000 m時(shí)有小幅下降。與之對(duì)應(yīng)的是，空氣濾清器1級(jí)濾清器進(jìn)口流速與海拔高度的增長(zhǎng)也呈近似線(xiàn)性關(guān)系，只是在4 000～4 500 m區(qū)間，增長(zhǎng)速度趨緩。

3）針對(duì)上述現(xiàn)象，綜合分析可知，在3 000～4 000 m高海拔條件下，空氣濾清器在保證功率輸出的情況下，進(jìn)氣流量隨著海拔的增高而增大，空氣濾清器壓力降隨之升高，二者基本上為線(xiàn)性增長(zhǎng)。這主要是因?yàn)樵? 000 m以下，空氣濾清器阻力受流速的影響更大，其權(quán)重超過(guò)了粘度降低和低壓的影響，故阻力依然升高。而在4 000～4 500 m區(qū)間，粘度降低和低壓的影響權(quán)重超過(guò)了氣體流量增大的影響，綜合作用造成了空氣濾清器阻力的下降。

4）通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看到，通過(guò)多孔介質(zhì)理論模擬過(guò)濾元件并在流場(chǎng)中仿真計(jì)算得到的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差低于20%，這說(shuō)明該仿真方法可以真實(shí)地模擬空氣濾清器部件和系統(tǒng)在不同流場(chǎng)條件下的工作狀態(tài)。

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The Performance Simulation and Experiment of Air Filter of Armored Vehicle in Plateau Environment

LU Jin-jun，LI Ji-Xin，SUN Yang，CHEN Ke-xin，QIAO Meng-hua，LI Wen-chao
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Plateau environment is peculiar，such as high altitude，low temperature，and low atmospheric pressure.The air filters for the traditional heavy armored vehicles are designed according to the atmospheric environment and air density of plain area.In order to ensure that a product meets the use requirements in plateau environment，the working performance of air filter must be predicted.An air filter virtual prototype model of a heavy engineering vehicle is established based on computational fluid dynamics algorithm.The model is optimized to predict the performance of air filter in a different environment.The system performance test of air filter is conducted based on the theoretical research conclusions.The test and simulation results show that the predicted result of virtual model has good consistency with the experimental conclusion.

ordnance science and technology；plateau；air filter；virtual prototype；simulation；porous media；test

TJ81+0.31

A

1000-1093（2015）08-1556-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.025

2014-12-29

國(guó)家部委預(yù)先研究項(xiàng)目（40402010105）

盧進(jìn)軍（1980—），男，副研究員。E-mail：lujinjun@sina.com