新型沙漠空氣粗濾器流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

A CFD analysis and structure optimization of a new type desert swirl tube air filter

張偉社，李美美，梁學(xué)雙，李　珂

ZHANG Wei-she, LI Mei-mei, LIANG Xue-shuang, LI Ke

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，西安 710064）

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新型沙漠空氣粗濾器流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

A CFD analysis and structure optimization of a new type desert swirl tube air filter

張偉社，李美美，梁學(xué)雙，李珂

ZHANG Wei-she, LI Mei-mei, LIANG Xue-shuang, LI Ke

（長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，西安 710064）

摘 要：針對重型卡車用的沙漠空氣濾清器中旋流管式空氣粗濾器，提出一種新型結(jié)構(gòu)形式，并建立三維幾何模型，應(yīng)用計算流體動力學(xué)（CFD）對其進氣口、旋流管組氣流阻力進行單相（空氣）數(shù)值仿真分析。根據(jù)分析結(jié)果對其柵格與圓孔形進氣口、旋流管與旋流管組結(jié)構(gòu)參數(shù)提出了改進方案。

關(guān)鍵詞：旋流管；空氣粗濾器；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；流場分析

0 引言

常在沙漠、油田、煤礦等灰塵“重災(zāi)區(qū)”工作的工程機械與重型卡車，需要裝配一種沙漠空氣濾清器，以滿足延長發(fā)動機使用壽命的要求。

沙漠空氣濾清器由紙質(zhì)濾芯與多旋流管式粗濾器共同組成的一種雙級干式空濾器，空氣從進氣口進入旋流管進行粗過濾，大部分灰塵受離心作用被濾出，并通過錐形管道導(dǎo)入集灰腔。粗濾后的氣體再經(jīng)過旋流管內(nèi)管進入紙質(zhì)濾清器，再進行進一步過濾[1]。

多旋流管式粗濾器的氣流阻力是其性能的度量指標(biāo)之一，應(yīng)用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）數(shù)值仿真分析軟件STAR-CCM+，對其氣流進行模擬已逐步成為重要手段。應(yīng)用CFD與k-ε紊流模型，對空氣濾清器入口部分進行壓力、速度特性分析，優(yōu)化入口結(jié)構(gòu)[2,3]；應(yīng)用兩相（灰塵和空氣）流計算方法對不同結(jié)構(gòu)旋流管的濾清效率比較分析[4]；對空氣濾清器的內(nèi)部流場進行分析，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)[5,6]；對錐形旋流管內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，優(yōu)化旋流管結(jié)構(gòu)[7～9]。

本文應(yīng)用STAR-CCM+軟件，對一種新型結(jié)構(gòu)形式的、重型卡車用的旋流管式沙漠空氣粗濾器氣流進行數(shù)值模擬，以分析其進氣口與旋流管結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣流動阻力的影響，為該新型粗濾器結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 新型空氣粗濾器及其計算模型

1.1 新型沙漠空氣粗濾器

用于重型卡車上的新型旋流管式沙漠空氣粗濾器包括旋流管組件與粗濾器上下殼體三部分，如圖1所示。圖1中新型粗濾器上殼體前面設(shè)有柵格式進氣口，下殼體后面設(shè)有一組圓形進氣孔，上下殼體連接后的側(cè)面設(shè)有柵格式進氣口。多個旋流管由支架固定構(gòu)成旋流管組，旋流管組件將粗濾器殼體內(nèi)部隔離成凈化空氣腔、含塵空氣腔和集塵腔三部分。實驗表明該新型沙漠空氣粗濾器對于在沙漠、煤礦等灰塵“重災(zāi)區(qū)”作業(yè)的工程機械與重型卡車效果十分明顯。

1.2 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

應(yīng)用Pro/E建立的新型沙漠空氣粗濾器的三維幾何模型，用Hypermesh11.0軟件對新型粗濾器數(shù)模進行幾何清理，除去外面的支架結(jié)構(gòu)以及對內(nèi)部影響不大的結(jié)構(gòu)部分，并生成面網(wǎng)格，其結(jié)果如圖2所示。

采用Star CCM+7.06軟件對此模型進行網(wǎng)格劃分并且進行計算處理，使用trim網(wǎng)格，根據(jù)計算的需要，對旋流管區(qū)域進行加密，共生成體網(wǎng)格單元總數(shù)1800萬個，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2　計算區(qū)域三維幾何模型

圖3　計算網(wǎng)格模型

1.3 流場特性數(shù)學(xué)模型

在計算流體力學(xué)時應(yīng)遵循質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒。實際情況下，空氣在粗濾器中的流動為一種紊亂無序的湍流流動。因此，本文選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型對新型的沙漠空氣粗濾器進行流場分析，并用雷諾時均N-S方程進行求解[10]。相關(guān)方程如下：

質(zhì)量守恒方程：

式(1)中，ρ表示密度，t表示時間，ui是速度矢量，xi是位移矢量。

動量守恒方程：

式中，p為流體的壓力，μ為流體的黏度，Si為動量方程廣義源相，i和j為張量指標(biāo)，取值范圍為（1，2，3）。

雷諾應(yīng)力方程：

式中，μt為湍流粘度（μt=Cμk2/ε），δij為流體變形率的張量分量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程中k方程：

式中，σk、σε分別是k、ε方程湍流普朗特數(shù)，C1ε、C2ε是經(jīng)驗值，Gk是由于平均速度引起的湍流動能k的產(chǎn)生項。

為了使模型簡化，設(shè)：1）空氣為定常與不可壓縮；2）空氣的物性是各向同性的；3）粗濾器穩(wěn)定工況下保持溫度不變且整個流動過程不存在熱交換。

本文使用Star CCM+7.06軟件進行數(shù)值模擬分析，采用有限體積法將計算區(qū)域離散化，沙漠空氣粗濾器控制方程采用時均N-S方程，壓力—速度耦合采用SIMPLE算法，對新型沙漠空氣粗濾器三維紊流流場進行單相（空氣）計算和分析。

1.4 邊界條件及初始值

在沙漠空氣粗濾器外圍流場中，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0=1.01325×l05Pa，溫度T=293K，空氣密度ρ=1.225kg/m3，空氣分子黏度μ=1.81×l0-5Pa.s，比熱c=1006.0J/kgK。

1）入口邊界：沙漠空氣粗濾器入口采用相對壓力邊界，設(shè)為 P=0Pa。

2）出口邊界：沙漠空氣粗濾器出口氣流可以認為是均勻分布的，分析的流體為理想狀態(tài)下的不可壓縮的空氣。根據(jù)給定的汽車發(fā)動機流量要求和出口截面幾何尺寸，可以確定出口空氣的速度。流量Q=1600m3/h，出口截面積S=31827.5mm2，計算得出口空氣速度為v= 13.964m/s。

3）對稱面邊界：沙漠空氣粗濾器的對稱面取為symmetry對稱邊界條件。

4）壁面邊界：采用無滑移條件，壁面速度為0。

模型經(jīng)驗常數(shù)取值為：σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09。湍流強度I=0.03，湍流粘性比ε=2。

2 計算結(jié)果與分析

1）新型沙漠空氣粗濾器進氣口壓降模擬計算。下面針對沙漠空氣濾清器三個進氣口在流量為1280m3/h、1600m3/h、1920m3/h分別進行模擬計算。側(cè)面柵格孔總進氣面積為S=10184mm2，斜度為40°，數(shù)量為；前面柵格孔面積S=592mm2，斜度為35°，數(shù)量為32；后面圓孔尺寸D=8mm，數(shù)量為240。根據(jù)模擬計算結(jié)果，由三個進氣口里外壓力差分別計算各進氣口的氣流壓降，其結(jié)果如表1所示。

表1　粗濾器進氣口壓力損失模擬計算結(jié)果　 （單位：Pa）

2）旋流管壓降模擬計算。沙漠空氣粗濾器單個旋流管氣流流場的模擬方法為：由流體不可壓縮條件知，進氣口氣流流量等于出氣口，據(jù)此分別計算入口、出口的氣流流速作為其邊界條件，其結(jié)果如表2所示。

表2　濾清管入口/出口流速（m3/h）及其壓降（Pa）

3）旋流管組件壓降模擬計算。新型沙漠空氣粗濾器的旋流管組件由66個旋流管組成，進氣管口圓環(huán)外徑D1=36mm，內(nèi)徑D2=24，出氣管口直徑d=14mm。模型采用壓力進口邊界，設(shè)為P=0Pa；出口邊界為速度，依據(jù)通過流量和出氣口截面面積（S=31827.5mm2）計算，其值及旋流管組件壓降模擬計算結(jié)果如表3所示。如圖4所示是流量Q=1600m3/h時旋流管組件壓力分布情況。

表3　出口流速（m3/h）及旋流管壓降（Pa）

4）新型粗濾器壓降模擬計算結(jié)果分析。由表1、表3可知，新型沙漠空氣粗濾器的總壓降為進氣口與旋流管組件壓降之和，其結(jié)果如表4所示，表中也列入實驗結(jié)果。

圖4　流量Q=1600m3/h時旋流管組件壓力分布

表4　粗濾器壓力損失模擬計算結(jié)果

由表4可知，新型沙漠空氣粗濾器數(shù)值模擬結(jié)果較實驗值小，這是因為實驗是在多相（空氣、塵粒、水等）條件下進行的。但隨著氣流量的增大壓降也增大，趨勢是一致的。單個旋流管的壓降較旋流管組件小，這是因為旋流管組件中各旋流管之間的阻擋所致。

3 空氣粗濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1）進氣口結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由表1可知，三個進氣口的壓力損失后面圓孔最大，前面柵格次之，側(cè)面柵格最小，因此對粗濾器殼體后面圓孔進行優(yōu)化。優(yōu)化的結(jié)果為：圓孔數(shù)量為275，圓孔直徑Φ=9，壓力損失減小8.25%。

2）旋流管組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化。對于單個旋流管，增大其結(jié)構(gòu)參數(shù)（如管徑）能減小其壓力損失；對于旋流管組件，減小旋流管結(jié)構(gòu)參數(shù)，增多旋流管數(shù)量，使旋流管組件中各旋流管之間的阻擋面積減小，能減小旋流管組件的壓力損失。優(yōu)化的結(jié)果為：旋流管組件旋流管數(shù)量為106，進氣管直徑D=32mm，出氣管直徑d=11mm，旋流管組件的壓力損失減小16.71%。

4 結(jié)論

應(yīng)用CFD軟件對新型沙漠空氣粗濾器的內(nèi)流場進行了數(shù)值模擬計算，從而得到了速度場、壓力場等信息，并與試驗測量結(jié)果進行對比，得出以下結(jié)論：

1）在穩(wěn)定情況下，沙漠空氣粗濾器的流動仿真結(jié)果和試驗測量結(jié)果吻合比較理想，說明數(shù)值模擬結(jié)果精度足夠，所建的計算模型合理。

【下轉(zhuǎn)第105頁】

作者簡介：張偉社（1962 -），男，陜西富平人，教授，碩士，研究方向為機械CAD/CAE、產(chǎn)品創(chuàng)新方法與技術(shù)。

基金項目：中央高校基金（CHD2010ZY006）

收稿日期：2015-11-06

中圖分類號：T413.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0086-03