基于FLUENT的某商用車前進氣道灰塵分離效率的優(yōu)化設(shè)計

唐蓮花，肖鵬程，姜榮賀，穆盈盈

(河北億利橡塑集團有限公司，河北邢臺 054800)

0 引言

商用車的行駛工況比較復雜，如果在多塵的環(huán)境下行駛，發(fā)動機則會吸入含有大量灰塵等雜質(zhì)的空氣，會對其內(nèi)部的零部件造成磨損，影響其使用壽命。因此，需要在發(fā)動機前端安裝一套進氣系統(tǒng)，主要分為進氣道和空氣濾清器兩部分，其功能是盡可能多地為發(fā)動機提供清潔、干燥的空氣。而進氣道的主要作用是在盡可能小的壓力損失狀態(tài)下保證空氣進入空氣濾清器之前就對空氣中的雨水和灰塵起到一個分離作用，這樣既可以增加分離雨水、灰塵的效率，也可以延長空氣濾清器濾芯的使用壽命。

除了傳統(tǒng)的實驗方法，CFD數(shù)值仿真分析已經(jīng)成為產(chǎn)品研究設(shè)計的主要手段，它可部分替代實驗，可大大縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)費用，可重復性強[1]。作者采用FLUENT中的DPM(Discrete Phase Model)模型對某商用車進氣道的流場特點和灰塵分離效率進行改善[2-3]。

1 進氣道原始結(jié)構(gòu)

進氣道原始結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原始結(jié)構(gòu)

試驗結(jié)果表明：原始結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率比較低，為66.3%，灰塵隨氣流從格柵進入后，除了進氣道底座處可以沉積一部分灰塵外，沒有別的灰塵分離結(jié)構(gòu)，使得灰塵直接進入空氣濾清器，造成進氣系統(tǒng)整體灰塵分離效率低下。

2 新集塵結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到灰塵進入進氣道后垂直運動，不會有集塵效果，但如果增加灰塵顆粒的旋轉(zhuǎn)切向速度，再增加灰塵收集結(jié)構(gòu)，從而增加灰塵分離效率。

作者基于這種理念，為達到表1所示的設(shè)計目標，設(shè)計開發(fā)了雙旋風筒式進氣道，并對底座進行一定的優(yōu)化，通過CFD仿真計算得出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場、灰塵分離效率。

表1 設(shè)計目標

2.1 數(shù)學模型

計算時將空氣作為連續(xù)相，灰塵顆粒作為離散相，采用標準的湍流模型建立連續(xù)相和兩相流中的DPM模型耦合的控制方程組進行計算。

2.1.1 連續(xù)相數(shù)學模型[4-5]

采用標準的k-ε湍流模型進行計算。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程為：

(3)

ε方程為：

(4)

方程(3)和(4)中：Pk表示由速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Pb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中過渡的擴散產(chǎn)生的波動。其余經(jīng)驗系數(shù)見表2。

表2 經(jīng)驗系數(shù)表

2.1.2 離散相顆粒的控制方程

FLUENT中通過積分拉式坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。對每個單顆粒求解運動控制方程：

(5)

式中：vk為顆粒k的運動速度；mk為該顆粒的質(zhì)量； (∑F)k表示顆粒所受的合力。

顆粒的軌跡方程：

(6)

顆粒的運動方程為：

(7)

其中：FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力，并且：

(8)

在所有相間力中，曳力相對最重要。因為涉及離散相液滴崩裂的非穩(wěn)態(tài)流動模型，所以選用動態(tài)曳力模型，以液滴形狀變化的動態(tài)形式確定曳力系數(shù)。

球形曳力系數(shù)表達式：

Cd,sphere=0.424(Re>1 000)

(9)

(10)

非球形曳力系數(shù)表達式：

Cd=Cd,sphere(1-2.632y)

(11)

其中：y為液滴的變形值，由下式?jīng)Q定：

(12)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及CFD仿真計算

2.2.1 模型

按照車廠的安裝空間要求，在進氣格柵后增加了導流筋，在進氣道中增加兩個旋風筒，并且在每個旋風筒中安裝一個旋風葉片，適當增加底座下沉體積。新結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)進氣道

2.2.2 網(wǎng)格生成

由于新結(jié)構(gòu)不規(guī)則，故采用四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格數(shù)量為290萬左右。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2.3 邊界條件設(shè)置

流體相：連續(xù)相為空氣。

顆粒相：灰塵顆粒為ISO-A2細灰。

進口邊界條件如表3所示，其中不同直徑顆粒的體積百分比如圖4所示。

圖4 灰塵直徑分布圖

出口邊界條件：出口定義為壓力出口。

壁面邊界條件：連續(xù)相采用無滑移固體壁面邊界條件，計算時為標準壁面函數(shù)法；顆粒相在壁面處不滿足無滑移條件，設(shè)置與集塵臺壁面、底座底部壁面的碰撞類型為escape類型。

2.2.4 仿真結(jié)果及分析

(1)壓力分布

從圖5中可以看出：氣流經(jīng)過旋風筒的壓降比較大，并且氣流在從格柵進入后由于慣性向腔體的右側(cè)運動，由于在腔體中間增加了導流筋，使得左右兩側(cè)的旋風筒內(nèi)的壓力分布比較均勻。

(2)速度分布

從圖6—7中可以看出：由于導流筋阻礙了氣流流動的方向，因此附近出現(xiàn)渦流，由于旋風筒的結(jié)構(gòu)，使得氣流沿進口到出口方向的速度降低，增加了氣流的切向速度，底座經(jīng)過結(jié)構(gòu)改善后沉下去的體積更大了，因此出現(xiàn)更大的低速區(qū)，氣體流量更少。

圖6 截面的速度分布云圖

圖7 截面的速度分布矢量圖

(3)粒子噴射軌跡

通過觀察灰塵顆粒的運動軌跡，可以判斷不同直徑顆粒的分離效果，再通過加權(quán)算法計算出灰塵總的分離效率。

灰塵分離效率η計算公式為：

式中：m1為被格柵反彈的灰塵質(zhì)量；m2為收集在旋風筒底部的灰塵質(zhì)量；m3為排塵口逸出的灰塵質(zhì)量；m為灰塵總質(zhì)量。

不同直徑灰塵分離效率如圖8所示。

從圖8—9可以看出：灰塵直徑越大，分離效率越大，直徑超過80 μm的灰塵，基本上100%被過濾掉了?；覊m顆粒隨氣流運動，灰塵顆粒在經(jīng)過旋風葉片時甩到集塵臺里，并且分布到兩個旋風筒的顆粒數(shù)量也比較均勻，這樣總的灰塵分離效率有所提高。

從以上各項仿真結(jié)果及表4來看，雙旋風筒的結(jié)構(gòu)有助于提高灰塵分離效率滿足設(shè)計目標，可以進行樣件制作。

圖8 不同直徑灰塵分離效率

圖9 不同直徑灰塵顆粒軌跡圖

壓力損失/kPa3.2總的灰塵分離效率/%85.8

3 新結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率的試驗

通過仿真驗證此結(jié)構(gòu)符合設(shè)計目標，快速樣件制作完成后進行了相關(guān)性能的試驗驗證?；覊m分離效率試驗臺如圖10所示， 灰塵分離效率試驗現(xiàn)場圖片如圖11所示。

圖10 灰塵分離效率試驗臺

圖11 灰塵分離效率試驗

在1 900 m3/h的工況下對前進氣道進行了兩次試驗，取平均值。從表5可以看出：總的灰塵分離效率達到82.3%，大于設(shè)計目標80%，說明這種帶旋風筒式的新結(jié)構(gòu)能明顯提高前進氣道的除塵效果。

表5 灰塵分離效率試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)雙旋風筒式新結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率比原結(jié)構(gòu)提高了將近23%，滿足了設(shè)計要求(≥80%)，并且流場穩(wěn)定，沒有明顯的渦流區(qū)，臺架驗證試驗也證明了這種新結(jié)構(gòu)的可行性。

(2)增加雙旋風筒的結(jié)構(gòu)后壓力損失會有一定的增大，但是灰塵分離效率有很好的提高，可以在保證分離效率的情況下再適當對旋風筒進行改善，盡可能降低壓力損失。

(3)文中通過仿真與試驗相結(jié)合的方法對新結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，兩種結(jié)果的誤差控制在5%以內(nèi)，證明運用這種DPM的仿真模型進行產(chǎn)品設(shè)計的方法是可行的，可大量節(jié)省研發(fā)設(shè)計時間與費用，對以后的研究具有較大的參考意義。

參考文獻:

[1]賈彥龍.基于三維紊流數(shù)值模擬的空氣濾清器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].濟南：山東輕工業(yè)學院機械工程學院， 2008.

[2]尹超.汽油濾清器內(nèi)部流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].淮南:安徽理工大學，2014.

[3]王震興，田華，葛安林.汽車空氣濾清器前進氣管的雨水分離率計算分析[J].吉林大學學報(工學版)，2005，35(2)：127-130.

WANG Z X,TIAN H,GE A L.Computation and Analysis of Rain Separating Rate in the Front Intake Pipe of Air Cleaner[J].Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition),2005，35(2)：127-130.

[4]ANSYS Inc.Fluent 6.3 User’s Guide[M].ANSYS Inc.,2006.

[5]李佳，劉震濤，劉忠民，等.空氣濾清器流動過程仿真與試驗分析[J].浙江大學學報(工學版)，2012，46(2)：327-332.

LI J,LIU Z T,LIU Z M,et al.Simulation and Test of Flow Process in Airfilter[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2012，46(2)：327-332.