基于CFD流場分析的某濾清器空殼壓降測試

陳磊 徐輝 胡益燦 丁正龍 尹宗軍 蘇蓉

摘 要：文章暫不采用多孔介質(zhì)模型用以替代濾芯的流動阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實物尺寸數(shù)據(jù)，在ICEM中建立幾何拓撲結構，并劃分結構化網(wǎng)格?？紤]空氣流量為600L/min，空氣流體通過濾清器空殼后的壓降問題。在Ansys Fluent下進行了計算流體仿真，得到了速度云圖、總壓云圖以及出入口壓強隨時間的變化曲線。

關鍵詞：濾清器空殼;CFD分析;壓降

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）21-160-03

Abstract： In this paper， the porous media model is not used to replace the flow resistance effect of the filter element. Based on the physical size data of the empty shell of the air filter， the geometric topology structure is established in ICEM， and the structured grid is divided. Considering the air flow rate of 600 L/min， the pressure drop of air fluid passing through the filter shell is considered. The computational fluid simulation was carried out in ANSYS fluent. The velocity nephogram， total pressure nephogram and the curve of inlet and outlet pressure with time were obtained.

Keywords： Filter shell; CFD analysis; Pressure drop

CLC NO.： U464 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-160-03

前言

空氣濾清器為發(fā)動機提供充足、干凈的空氣，其性能優(yōu)劣不但影響發(fā)動機的可靠性和使用壽命，而且很大程度上影響其動力性、經(jīng)濟性和排放性等。如何改善濾清器內(nèi)部流場特性，降低氣流流動阻力是提高過濾效率、延長過濾壽命、提高發(fā)動機動力性與燃油經(jīng)濟性的關鍵。然而，由于空氣濾清器的內(nèi)部結構以及工作時的工作狀況復雜多變，僅僅通過實驗或經(jīng)驗來獲得濾清器內(nèi)部的真實氣流流動特性是非常困難的，而且成本高，時間長，不能獲得內(nèi)部氣流流動的全面數(shù)據(jù)。隨著計算機技術在工業(yè)研發(fā)設計領域的普遍運用，利用計算分析軟件來分析多變的內(nèi)部流場特性是現(xiàn)在應用最為廣泛一種手段。在進行濾清器結構優(yōu)化設計時，運用計算流體力學CFD（Computational Fluid Dynamics）分析軟件進行仿真分析，大大提高了分析效率，分析結果更加準確全面[1]。

曾洪濤[2]應用Fluent流體力學計算軟件，采用標準k-ε湍流模型和標準壁面函數(shù)對空氣濾清器的內(nèi)部湍流流場進行三維仿真計算，其中濾芯部分采用多孔介質(zhì)模型。經(jīng)計算，得到在不同入口流量下的仿真結果，結果與實驗數(shù)據(jù)基本一致，具有工程指導意義。魏舒婷[3]基于多孔介質(zhì)理論，采用標準k-ε湍流模型對不同結構的宏觀蜂窩狀空氣濾清器的內(nèi)部流場和阻力特性進行數(shù)值模擬，從而進行結構優(yōu)化，提高其性能。何志霞[4]采用多孔介質(zhì)模型，針對某空氣濾清器及其管道的空氣動力學特性開展數(shù)值模擬，分析空氣濾清器及其管道的流動阻力損失和空氣濾清器濾芯流動均勻性，并進一步研究采用插入管結構、內(nèi)置擋板結構后的流動特性。

本文暫不采用多孔介質(zhì)模型用以替代濾芯的流動阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實物尺寸數(shù)據(jù)，在ICEM中建立幾何拓撲結構，并劃分結構化網(wǎng)格。考慮空氣流量為600L/min，流體通過濾清器空殼后的壓降問題。在Ansys Fluent下進行了計算流體仿真，得到了速度云圖、總壓云圖以及出入口壓強隨時間的變化曲線。

1 濾清器計算模型與網(wǎng)格劃分

1.1 計算模型的建立

本文暫不采用多孔介質(zhì)模型用以替代濾芯的流動阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實物尺寸數(shù)據(jù)，如圖所示。結合空氣濾清器的空殼尺寸數(shù)據(jù)，我們確定進口直徑D為12mm，腔體直徑為70mm，有效長度為95mm，出口直徑d為6mm。流量為600L/min的空氣氣體流入進口直徑為12mm的進口管路時，速度約為88m/s，詳細計算如下：

其中，v為速度，Q為流量，S為進口截面面積。

1.2 網(wǎng)格劃分的建立

依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實物尺寸數(shù)據(jù)，我們在ICEM（ICEM是一種專業(yè)的CAE前處理軟件。作為專業(yè)的前處理軟件ICEM為所有世界流行的CAE軟件提供高效可靠的分析模型。它擁有強大的CAD模型修復能力、自動中面抽取、獨特的網(wǎng)格“雕塑”技術、網(wǎng)格編輯技術以及廣泛的求解器支持能力。同時作為ANSYS家族的一款專業(yè)分析環(huán)境，ICEM作為fluent和CFX標配的網(wǎng)格劃分軟件）中建立幾何拓撲結構，使用結構化網(wǎng)格劃分方法（具體建模過程在這里不再詳細贅述），網(wǎng)格如入2所示。在這里，網(wǎng)格最小長度為0.5mm，也就是說12mm長度上布有24個節(jié)點。

2 Fluent計算參數(shù)設置

2.1 定義求解模型

（1）定義求解參數(shù)：選擇基于壓力的瞬態(tài)求解器。

（2）定義湍流模型：選擇k-ε湍流模型。

（3）定義材料：流體為空氣，密度和粘度保持默認。

2.2 定義邊界條件

（1）定義入口：速度入口，速度為88m/s。

（2）定義出口：出口選擇為outflow，湍流強度為1%，湍流粘度率為10。

（3）定義壁面：采用默認設置。

2.3 初始化和計算

（1）定義求解控制參數(shù)：選擇SIMPLE算法，采用默認設置。

（2）定義松弛因子：采用默認。

（3）初始化流場：選擇全部，初始化采用默認。

（4）定義時間：時間間隔為110-6s，每個時間步迭代20步，各殘差均設為10-6?？倳r間步設為4000（可以更長）。

3 結果討論

經(jīng)過Fluent計算參數(shù)設置后，開始迭代計算。得到了速度云圖、總壓云圖以及出入口壓強隨時間的變化曲線。圖3所示為空氣流體的速度變化圖，在時間節(jié)點0.007ms時，空氣流體剛通過進氣管進入濾清器空腔，此時出口段流體速度急劇升高，最高為240m/s，這是由于出口管管徑較小造成。在時間間隔0.57ms到2.57ms，流體由瞬態(tài)流動逐步變?yōu)榉€(wěn)態(tài)流動，流體慢慢從進口段徑濾清器空腔到達出口段。在3.57ms后，流體速度傳播到出口段，氣體流動成為穩(wěn)態(tài)流動，取這個時間段的流體壓強可作為壓降的參考壓強。

圖4所示為空氣流體的壓強變化圖，在時間節(jié)點0.007ms時，空氣流體剛通過進氣管進入濾清器空腔，由于出口管管徑較小造成流體擠壓，整個濾清器空腔壓力都較大，大約有3000pa（3kpa）。隨著流體的流動，出口段流速逐步穩(wěn)定，濾清器空腔內(nèi)不再堆積氣體，空腔內(nèi)壓力降低，入口處的壓強逐漸波動到出口段。在時間0.57ms、1.57ms以及2.57ms可以明顯見到壓強的波送。在時間節(jié)點3.57時，壓強的變化基本達成穩(wěn)態(tài)，可以看出在出口段和出口濾清器空腔側四個地方壓力仍比較高。一個可能的原因是，氣流流速的快速轉變，導致壓強的急劇變化。

圖5所示為出入口壓力隨時間變化走勢圖，紅色為進口壓力，綠色為出口壓力。由于設置出口壓力為壓力出口0pa（相當于一個大氣壓），出口壓力幾乎保持為0pa。而進口壓力出現(xiàn)反復的變化，具體為先下，再升，再下后保持穩(wěn)定。這種變化趨勢是有理可循的?？諝饬黧w剛通過進氣管進入濾清器空腔時，內(nèi)部流體不流動，阻滯進口氣體，造成進口處壓力上升。隨著出口段流體的流體，壓力迅速降低，隨著進口處氣體逐漸傳送出口段，壓力逐漸上升，達到出口段時，由于濾清器空腔右端壁面的阻滯，流體只能通過出口段流出，導致進口段壓力又上升，這是合理的情境。隨著流體在空腔內(nèi)的逐步穩(wěn)定，氣體流動逐步形成穩(wěn)態(tài)，進口處壓力下降，形成穩(wěn)態(tài)?？梢钥闯龇€(wěn)態(tài)壓降為3.2kpa。我們的結論為：我們分析了氣體從剛進入濾清器空腔到氣流穩(wěn)定整個的動力學行為和氣體穩(wěn)態(tài)特性，我們給出壓力變化的原因和變化趨勢，我們得到氣體充滿濾清器空腔后形成的穩(wěn)態(tài)流動的壓降為

3.2kpa。但暫不采用多孔介質(zhì)模型用以替代濾芯的流動阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼，所得數(shù)據(jù)不延伸至有濾紙的情形，我們猜測濾紙的存在，會極大增加壓降。但濾紙的存在也會引起速度渦旋，這種渦旋可能稍微削弱因濾紙而增加的壓降。

4 結論

本文暫不采用多孔介質(zhì)模型用以替代濾芯的流動阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實物尺寸數(shù)據(jù)。仿真結果表明，600L/min流量的空氣氣體通過濾清器空殼腔后，空氣流體會徑直沖向出口，由于缺少濾芯，未見空腔內(nèi)速度渦旋，在進口處的兩側端流體幾乎靜止不動。結合出入口壓強變化曲線，我們得到流體流過濾清器空殼腔的壓降為3.2kpa，小于給予的臨界值8kpa。改變出口位置和直徑可能會減少壓降損失。此外，應該添加多孔介質(zhì)模型用以模擬濾芯的流動阻力效果可進一步增加計算準確度。

參考文獻

[1] 劉連明.汽車空氣濾清器流場分析與結構優(yōu)化[D].江西農(nóng)業(yè)大學， 2018.

[2] 曾洪濤，付杰，郭驤，史凱旋，肖志懷.基于CFD的某型號空濾器數(shù)值模擬及結構改進[J].武漢大學學報（工學版），2018，51（12）：1105- 1113.

[3] 魏舒婷，錢付平，程家磊，肖鵬程，唐蓮花，姜榮賀.蜂窩狀空氣濾清器的流場分析及結構優(yōu)化[J].過程工程學報，2019，19（02）：271-278.

[4] 何志霞，蔣兆晨，王碩，王謙，玄鐵民.空氣濾清器的空氣動力學仿真及優(yōu)化[J].中南大學學報（自然科學版），2012，43（03）：1179-1184.