重型車空氣濾清器脈沖清灰數(shù)值模擬分析

龔 呈， 錢(qián)付平， 徐志成， 陳路敏， 劉 哲， 付躍虎

(1. 安徽工業(yè)大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院; b. 能源與環(huán)境學(xué)院, 安徽馬鞍山243002； 2. 上海邗越智能科技有限公司, 上海201400)

空氣濾清器作為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道的主要設(shè)備之一，被更換的頻率非常高。近些年來(lái)，汽車的快速發(fā)展間接的促進(jìn)了空氣濾清器的高速發(fā)展，提高了汽車行業(yè)對(duì)于空氣濾清器的需求?？諝鉃V清器是作為動(dòng)力設(shè)備和空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)，主要功能是濾除進(jìn)入動(dòng)力設(shè)備中的灰塵和雜質(zhì)，從而減少動(dòng)力設(shè)備及其零件的磨損，保證動(dòng)力設(shè)備能安全高效運(yùn)行，減少噪音的產(chǎn)生和延長(zhǎng)動(dòng)力設(shè)備的使用壽命[1-3]。

空氣濾清器的研究一般都集中在過(guò)濾性能方面，對(duì)其自清潔領(lǐng)域研究的較少。很多學(xué)者研究了空氣濾清器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響，對(duì)提高空氣濾清器的過(guò)濾性能提供了有效的方法與指導(dǎo)[4-6]。很多學(xué)者為了提高空氣濾清器的過(guò)濾效率和延長(zhǎng)濾芯的使用壽命，設(shè)計(jì)了具有自清潔能力的空氣濾清器。黎長(zhǎng)青等[7]設(shè)計(jì)了一種反吹自潔式空氣濾清器，可以通過(guò)檢測(cè)濾清器進(jìn)出口壓力以達(dá)到自動(dòng)控制清灰的裝置，有效地吹落附著在濾筒表面的灰塵。劉淑艷等[8]研究了6種結(jié)構(gòu)對(duì)旋轉(zhuǎn)自潔式空氣濾清器濾清效率的影響，確定了旋轉(zhuǎn)葉片的一種組合方式能使空氣濾清器的濾清效率穩(wěn)定在95%以上。李宇等[9]研究了一種新型脈沖噴射空氣濾清器，從噴吹時(shí)機(jī)、噴吹氣流壓力和噴吹持續(xù)時(shí)間3個(gè)方面研究了脈沖噴射對(duì)濾清效率的影響，得到最佳的組合方案，發(fā)現(xiàn)其能將濾清效率穩(wěn)定在99%以上。趙金國(guó)等[10]針對(duì)礦用車輛設(shè)計(jì)了一種自潔式空氣濾清器，空氣濾芯在電機(jī)的帶動(dòng)下，將濾芯和空氣中的粉塵顆粒甩到殼體上，以達(dá)到清灰的目的，實(shí)驗(yàn)表明，該空氣濾清器能提高進(jìn)氣效率，延長(zhǎng)空氣濾芯的使用周期。

關(guān)于空氣濾清器中的使用褶皺式濾筒進(jìn)行脈沖清灰的研究十分常見(jiàn)，很多學(xué)者研究了不同參數(shù)下的濾筒的清灰性能，為空氣濾清器的脈沖清灰研究提供了研究方法與理論指導(dǎo)。李建等[11]采用正交實(shí)驗(yàn)法，研究噴吹距離、噴吹壓力、噴吹孔徑和脈沖寬度對(duì)濾筒清灰效率的影響，發(fā)現(xiàn)噴吹壓力對(duì)清灰效率的影響最大，脈沖寬度的影響較小。Li等[12]研究了一定范圍內(nèi)的時(shí)間間隔對(duì)脈沖清灰的影響，結(jié)果表明，前后啟動(dòng)的射流會(huì)在濾芯內(nèi)部產(chǎn)生碰撞，碰撞氣流會(huì)延長(zhǎng)清灰的時(shí)間，可使清灰的覆蓋面積更大且清灰的強(qiáng)度與均勻性更好。

以上研究并沒(méi)有將脈沖清灰用于空氣濾清器的自清潔， 而本文中將二者結(jié)合， 希望得到清灰效果最佳的自潔式空氣濾清器結(jié)構(gòu)。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的投資持續(xù)高漲， 工程機(jī)械的需求也日益高漲， 礦區(qū)或其他重度灰塵工作下的工程機(jī)械對(duì)其空氣濾清器的自潔功能的需求日益突出。 礦用汽車的運(yùn)行條件最為惡劣， 通常在山地等土質(zhì)區(qū)域工作， 汽車的輪胎及發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇會(huì)卷起大量的灰塵[13]。 空氣濾清器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的過(guò)濾工作后， 濾芯外表面的灰塵不斷增加， 在表面堆積甚至凝結(jié)， 使得空氣濾清器進(jìn)氣阻力增大， 當(dāng)進(jìn)氣阻力達(dá)到一定值時(shí)， 空氣濾清器無(wú)法正常工作， 導(dǎo)致動(dòng)力設(shè)備所需的進(jìn)氣量減少， 直接影響動(dòng)力設(shè)備的正常工作， 此時(shí)， 必須對(duì)濾芯進(jìn)行清灰或更換。 為了減少更換濾芯的成本并延長(zhǎng)濾芯的使用壽命， 工程師設(shè)計(jì)出具有自清潔能力的空氣濾清器。 本文中研究的空氣濾清器為自潔式空氣濾清器， 自帶有脈沖清灰結(jié)構(gòu)， 能有效的清理濾芯表面的灰塵。 基于此， 通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件對(duì)重型車空氣濾清器模型進(jìn)行數(shù)值模擬， 并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 分析模型的可行性； 同時(shí)， 采用壁面峰值壓力和速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)， 分析噴吹管長(zhǎng)度、 噴嘴直徑和脈沖壓力對(duì)空氣濾清器脈沖清灰性能的影響。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 空氣濾清器的三維模型與網(wǎng)格

圖1為空氣濾清器結(jié)構(gòu)模型圖。清灰氣流從噴吹入口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)變化的噴吹管，到內(nèi)外濾芯的之間，對(duì)外濾芯進(jìn)行清灰。對(duì)空氣濾清器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保障脈沖清灰流場(chǎng)的精確度，使網(wǎng)格的細(xì)節(jié)部分更加精細(xì)，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.3以上，得到的模型網(wǎng)格數(shù)量在340萬(wàn)左右，如圖2所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文中做出以下假設(shè)：氣體為不可壓縮流體；采用無(wú)滑移邊界條件。連續(xù)性方程及動(dòng)量方程為

·(ρu)=0，

(1)

(2)

式中：p為靜壓，Pa；t為時(shí)間，s；u為氣相速度，m/s；ρ為氣相密度，kg/m3；x為方向向量；gi和Fi分別為i方向上重力體積力和外部體積力，N；τij為應(yīng)力張量，Pa。

圖1 空氣濾清器結(jié)構(gòu)模型與氣流流向圖Fig.1 Diagram of air filter structural model and air flow direction

圖2 空氣濾清器網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model of air filter

1.3 邊界條件與湍流模型

1.4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證空氣濾清器的數(shù)值模型的可靠性，利用實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，圖3所示為實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖。主要設(shè)備有主體空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)，壓力傳感器和信息采集系統(tǒng)；空氣濾清器的噴嘴直徑為20 mm，噴吹管長(zhǎng)度為265 mm，脈沖清灰壓力為0.7 MPa，脈沖時(shí)間為100 ms。利用壁面峰值壓力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)濾芯不同方位和長(zhǎng)度方向上的6個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證模型的可行性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到外濾芯內(nèi)表面的峰值壓力，分析峰值壓力的大小，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的峰值壓力達(dá)到3 320 Pa，能達(dá)到有效清灰的目的。

表1 邊界條件

圖3 試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of test bed

圖4為空氣濾清器的實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬值對(duì)比圖。由圖可以看出，模擬值與實(shí)驗(yàn)值趨勢(shì)一致，且最大誤差在15%以內(nèi)，說(shuō)明本文中所采用的數(shù)值計(jì)算模型可靠，相應(yīng)的數(shù)值模擬方法可以用來(lái)模擬該重型車空氣濾清器的脈沖清灰。

圖4 空氣濾清器實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比Fig.4 Comparison of experimental results and simulated values of air filter

2 模擬結(jié)果與分析

為研究不同空氣濾清器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)脈沖清灰性能的影響，在原有的空氣濾清器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，改變空氣濾清器噴吹管末端的長(zhǎng)度、噴嘴直徑和脈沖噴吹壓力，建立相關(guān)的模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。

濾筒在清灰過(guò)程中壁面峰值壓力對(duì)清灰起決定性作用，因此可以取濾筒壁面峰值壓力來(lái)評(píng)價(jià)脈沖清灰的效果[16-17]。同時(shí)，為了分析不同工況下的外濾芯內(nèi)表面的流場(chǎng)的均勻程度，利用速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv[18]表征流場(chǎng)均勻程度，外濾芯內(nèi)表面的流場(chǎng)越均勻，壁面不同區(qū)域的清灰效果越接近，出現(xiàn)清灰效果較差的情況越少。Cv表示外濾芯內(nèi)表面的速度流場(chǎng)在各個(gè)點(diǎn)處的離散程度，離散程度越低，流場(chǎng)均勻性越好；反之，流場(chǎng)均勻性越差，所以用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差表示不同工況下的外濾芯內(nèi)表面流場(chǎng)均勻性。在本研究中，利用壁面峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同結(jié)構(gòu)對(duì)空氣濾清器的脈沖清灰的清灰性能的影響。

(3)

2.1 噴吹管長(zhǎng)度對(duì)清灰的影響

在該空氣濾清器模型中，噴吹管長(zhǎng)度增加會(huì)有效的壓縮內(nèi)、 外2個(gè)濾芯之間氣流流動(dòng)的空間，使得從內(nèi)濾芯流過(guò)的空氣量減少，同時(shí)，高速氣流進(jìn)入濾芯中間時(shí)，較小的空間有利于氣流沖擊在外濾芯的內(nèi)表面，提高其清灰的能力。

在只改變噴吹管長(zhǎng)度， 其他條件不變的情況下， 采用壁面峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)， 對(duì)其進(jìn)行比較分析。 原有的空氣濾清器噴吹管末端長(zhǎng)度為265 mm， 改變其長(zhǎng)度， 分別對(duì)噴吹管末端長(zhǎng)度為245、 265、 285、 305、 325、 345 mm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。 圖5為噴吹管示意圖， 由黃色、 紅色和藍(lán)色的管道組成了噴吹管道，噴吹氣流從噴吹入口(噴嘴)進(jìn)入黃色噴吹管， 再經(jīng)過(guò)紅藍(lán)噴吹管進(jìn)入內(nèi)外濾芯之間。 為了使外濾芯在噴吹管出口處能有效清灰， 不改變藍(lán)色部分的噴吹管長(zhǎng)度， 防止藍(lán)色噴吹管阻擋氣流流動(dòng)， 使得清灰氣流無(wú)法或者較少地到達(dá)外濾芯上部， 所以只改變紅色部分的噴吹管末端長(zhǎng)度。

圖5 噴吹管末端示意圖Fig.5 Schematic diagram of end of the injection pipe

由于空氣濾清器的脈沖清灰過(guò)程是非穩(wěn)態(tài)的，因此數(shù)值模擬時(shí)，設(shè)置噴吹時(shí)間為100 ms。為便于得到詳細(xì)的脈沖清灰過(guò)程中的濾芯壁面壓力隨時(shí)間的變化，每5 ms記錄一次數(shù)據(jù)。選取濾芯內(nèi)表面上一測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)在100 ms內(nèi)的壓力變化，得到其出現(xiàn)峰值壓力的時(shí)刻，測(cè)點(diǎn)處壓力隨噴吹時(shí)間的變化圖如圖6所示。從圖中可以看出，測(cè)點(diǎn)壓力在5 ms時(shí)達(dá)到峰值，并且在13 ms時(shí)有一個(gè)低谷，緊接著有一段上升，之后便趨于穩(wěn)定，所以壁面峰值壓力出現(xiàn)時(shí)刻選取5 ms時(shí)較合理。以下云圖都是選取的脈沖噴吹時(shí)刻為5 ms。

圖7為不同噴吹管長(zhǎng)度的外濾芯內(nèi)表面的壓力云圖。由圖可知，不同長(zhǎng)度的噴吹管，隨著噴吹管長(zhǎng)度的增加，壁面的峰值壓力明顯變大，高壓區(qū)域面積也相應(yīng)的增大，原因是噴吹管長(zhǎng)度的增加使得從內(nèi)濾芯的通過(guò)的氣流減少，壓縮了氣流流動(dòng)的空間，較多的氣流通過(guò)外濾芯，使得峰值壓力變大。外濾芯內(nèi)表面的壓力分布呈現(xiàn)出沿濾芯長(zhǎng)度方向上的分層，在濾芯的中下部分，壓力明顯較高，在濾芯上部分，壓力較小，且表現(xiàn)出越往底部壓力越大的現(xiàn)象，原因是高速氣流進(jìn)入濾芯內(nèi)部時(shí)，氣流沿濾芯長(zhǎng)度方向上移動(dòng)，隨著噴吹的持續(xù)，較多氣流在底部堆積，造成底部壓力較大；頂部壓力較小，原因是藍(lán)色噴吹管的阻擋，只有少量氣流進(jìn)入所造成的。在濾芯1/3處出現(xiàn)小部分低壓現(xiàn)象，噴吹氣流從噴吹管進(jìn)入到濾芯時(shí)，高速的噴吹氣流較少的經(jīng)過(guò)該低壓區(qū)，由于下部高壓區(qū)的氣流的慣性作用，使低壓區(qū)的空氣隨著高速氣流流動(dòng)，造成該區(qū)域的壓力較小。

圖6 測(cè)點(diǎn)處壓力隨噴吹時(shí)間的變化Fig.6 Variation of pressure at measuring point with injection time

a)245 mmb)265 mmc)285 mmd)305 mme)325 mmf)345 mm圖7 不同長(zhǎng)度噴吹管下的濾芯內(nèi)壁面壓力云圖Fig.7 Pressure distribution of inner wall of filter element under different injection pipe length

圖8為不同噴吹管長(zhǎng)度的外濾芯內(nèi)壁面的速度云圖。由圖可知，不同長(zhǎng)度的噴吹管，其速度分布幾乎一致，且速度較大的位置出現(xiàn)在噴吹管的出口正對(duì)的外濾芯內(nèi)表面附近，原因是噴吹產(chǎn)生的射流直接與該區(qū)域壁面接觸，部分氣流慣性流動(dòng)，該區(qū)域受到的氣流沖擊較為明顯，造成速度較大的現(xiàn)象。隨著噴吹氣流的自上而下，沿濾芯的長(zhǎng)度方向向下，壁面的速度越來(lái)越小，且在濾芯的頂部，出現(xiàn)壁面速度較小的現(xiàn)象，原因是射流自上而下，部分氣流向下，到濾芯底部時(shí)，部分氣流從內(nèi)濾芯流出，通過(guò)外濾芯的氣流減少，且只有很少的氣流向上，造成頂部速度很小。在外濾芯的1/3處出現(xiàn)了一個(gè)低速區(qū)，所在位置和壓力云圖中的低壓區(qū)一致，原因是噴吹氣流從噴吹管進(jìn)入到濾芯時(shí)，高速的射流經(jīng)過(guò)該低速區(qū)時(shí)，較少的氣流通過(guò)濾芯，且由于氣流的慣性作用，使得低速區(qū)的空氣隨著高速氣流流動(dòng)，造成低速區(qū)通過(guò)濾芯表面的空氣較少。

a)245 mmb)265 mmc)285 mmd)305 mme)325 mmf)345 mm圖8 不同長(zhǎng)度噴吹管下的濾芯內(nèi)壁面速度云圖Fig.8 Velocity distribution of inner wall of filter element under different injection pipe length

圖9為不同噴吹管長(zhǎng)度的壁面峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)比圖。 由圖可知， 在噴吹管長(zhǎng)度為245、 265、 285 mm時(shí)， 空氣濾清器的外濾芯內(nèi)表面的峰值壓力相差不大， 沒(méi)有明顯的變化， 但是在噴吹管長(zhǎng)度為305、 325、 345 mm時(shí)，壁面峰值壓力有了明顯的提升，原因是隨著噴吹管長(zhǎng)度的增加， 到285 mm之后， 噴吹管的長(zhǎng)度增加會(huì)壓縮空氣在噴吹管與濾芯之間的流動(dòng)空間， 氣流進(jìn)入到兩者之間的空間后， 較小的空間會(huì)產(chǎn)生較大的壓力， 同時(shí)也可以使更多的氣流通過(guò)外濾芯， 減少通過(guò)內(nèi)濾芯的氣流量， 使得峰值壓力變大。 通過(guò)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差， 比較外濾芯內(nèi)表面的流場(chǎng)均勻性， 由圖9可以看出， 345 mm長(zhǎng)度的噴吹管的流場(chǎng)均勻性最好。結(jié)合壁面峰值壓力的大小，綜合比較，發(fā)現(xiàn)在6種工況中，噴吹管長(zhǎng)度為345 mm時(shí)，其峰值壓力最高且流場(chǎng)均勻性最好，清灰性能最佳。

圖9 不同噴吹管長(zhǎng)度的峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差圖Fig.9 Peak pressure and relative standard deviation of different injection pipe length

2.2 噴嘴直徑對(duì)清灰的影響

脈沖噴吹時(shí)噴嘴直徑R對(duì)噴吹過(guò)程中形成的氣流量有很重要的作用[19]，對(duì)于不同的噴吹孔徑，孔徑越大，氣流量越大，誘導(dǎo)氣流量越大，但是為了使空氣濾清器的過(guò)濾功能能正常使用，脈沖噴吹結(jié)構(gòu)都是密封的，無(wú)法產(chǎn)生誘導(dǎo)氣流。較大的氣流量會(huì)在濾芯中間形成壓力，氣流量越大，所造成的壁面峰值壓力越大。

通過(guò)改變空氣濾清器的噴嘴直徑，在原有的噴嘴直徑上增加幾個(gè)工況，分析噴嘴直徑對(duì)清灰性能的影響，噴嘴示意圖如圖10所示。將空氣濾清器的噴嘴直徑分為5個(gè)工況，分別為14、 16、 18、 20、 22 mm，分別建立5個(gè)工況結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，采用濾芯壁面峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析這5個(gè)工況結(jié)構(gòu)對(duì)清灰性能的影響。

圖10 噴嘴示意圖Fig.10 Diagram of nozzle

圖11為不同噴嘴直徑的外濾芯內(nèi)表面的壓力云圖。從圖中可以看出，噴嘴直徑越大，外濾芯內(nèi)表面的壓力越大，原因是噴嘴直徑越大，導(dǎo)致噴射的氣流量越多，氣流對(duì)外濾芯內(nèi)表面的沖擊越強(qiáng)，且氣流堆積更多，從外濾芯通過(guò)的氣流越多。在濾芯1/3處出現(xiàn)小部分負(fù)壓現(xiàn)象，主要是空氣濾清器的噴吹管結(jié)構(gòu)所引起的，噴吹氣流從噴吹管進(jìn)入到濾芯時(shí)，高速的噴吹氣流較少的經(jīng)過(guò)該負(fù)壓區(qū)，由于下部高壓區(qū)的氣流的慣性作用，使負(fù)壓區(qū)的空氣隨著高速氣流流動(dòng)，造成該負(fù)壓區(qū)的壓力在5 ms時(shí)為負(fù)壓。

a)R=14 mmb)R=16 mmc)R=18 mmd)R=20 mme)R=22 mm圖11 不同噴嘴直徑的濾芯內(nèi)壁面壓力云圖Fig.11 Pressure distribution of inner wall of filter element with different nozzle diameters

圖12為不同噴嘴直徑的外濾芯內(nèi)表面的速度云圖。由圖可知，不同直徑的噴嘴，外濾芯內(nèi)表面的速度分布有著明顯差異，如圖12 a)—12 c)所示，R為14、16、 18 mm時(shí)，其壁面最大速度明顯小于R為20、 22 mm，且其高速區(qū)的面積也較小，原因是較大的噴嘴直徑產(chǎn)生的氣流量越多，較多氣流對(duì)外濾芯內(nèi)表面的沖擊越強(qiáng)，反之，噴嘴直徑越小，氣流量越少，沖擊越弱。速度較大的位置出現(xiàn)在噴吹管的出口正對(duì)的外濾芯內(nèi)表面附近，沿著長(zhǎng)度方向上存在明顯的分布差異，且在外濾芯的1/3處出現(xiàn)了一個(gè)低速區(qū)，原因和噴吹管長(zhǎng)度的影響一致。

圖13為在不同噴嘴直徑下壁面峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的對(duì)比圖。由圖可知，壁面峰值壓力隨著噴嘴直徑的增大而變大，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，主要原因是噴嘴直徑的增大會(huì)使進(jìn)入到濾芯中間的氣流量增大，造成濾芯內(nèi)表面的峰值壓力增大。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著噴嘴直徑的增大而變小，R=14 mm的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，其流場(chǎng)均勻性最差，R=22 mm的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，其流場(chǎng)均勻性最好。綜合比較，在5個(gè)噴嘴直徑工況中，R=22 mm時(shí)，是空氣濾清器脈沖清灰的最優(yōu)工況。

a)R=14 mmb)R=16 mmc)R=18 mmd)R=20 mme)R=22 mm圖12 不同噴嘴直徑的濾芯內(nèi)壁面速度云圖Fig.12 Velocity distribution of inner wall of filter element with different nozzle diameters

圖13 不同噴嘴直徑的峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差圖Fig.13 Peak pressure and relative standard deviation of different nozzle diameters

2.3 脈沖清灰壓力對(duì)清灰的影響

為了研究脈沖清灰壓力對(duì)清灰的影響，建立空氣濾清器模型，在原有的脈沖壓力(0.7 MPa)工況下，增加3個(gè)工況，在數(shù)值模擬時(shí)，分別將脈沖壓力設(shè)置為0.5、 0.6、 0.7、 0.8 MPa這4種工況，比較不同脈沖壓力下的壁面峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化，分析脈沖壓力對(duì)清灰的影響。

圖14為不同脈沖清灰壓力的外濾芯內(nèi)表面的壓力云圖。從圖可以看出，脈沖壓力越大，外濾芯內(nèi)表面分布的壓力越大，在脈沖壓力為0.8 MPa時(shí)，高壓區(qū)明顯高于其他工況的，原因是高壓氣流產(chǎn)生的高速氣流對(duì)外濾芯內(nèi)表面的沖擊作用較強(qiáng)，通過(guò)外濾芯內(nèi)表面的脈沖氣流較多。

圖15為不同脈沖壓力下的外濾芯內(nèi)表面速度云圖。由圖可以看出，外濾芯內(nèi)表面的速度分布沒(méi)有明顯差異，都是速度較大的位置出現(xiàn)在噴吹管的出口正對(duì)的外濾芯附近，且沿濾芯的長(zhǎng)度方向向下，壁面的速度越來(lái)越小。

圖16為不同脈沖清灰壓力的壁面峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比圖。 由圖可知， 壁面峰值壓力隨著脈沖壓力的增加而變大， 原因?yàn)槊}沖壓力越大， 氣包所承載的氣體越多， 在脈沖清灰時(shí)進(jìn)入到濾芯內(nèi)部的氣流量越多， 較多的氣流量在濾芯內(nèi)部堆積會(huì)使得壁面壓力增大， 同時(shí)， 高壓氣流產(chǎn)生的高速氣流對(duì)壁面的沖擊作用也更大。 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著脈沖壓力的增大而減小， 在脈沖壓力為0.8 MPa時(shí)， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小， 流場(chǎng)均勻性最好； 在脈沖壓力為0.5 MPa時(shí)， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大， 流場(chǎng)均勻性最差。

a)0.5 MPab)0.6 MPac)0.7 MPad)0.8 MPa圖14 不同脈沖壓力下的濾芯內(nèi)壁面壓力云圖Fig.14 Pressure distribution of inner wall of filter element with different injection pressures

a)0.5 MPab)0.6 MPac)0.7 MPad)0.8 MPa圖15 不同脈沖壓力下的濾芯內(nèi)壁面速度云圖Fig.15 Velocity distribution of inner wall of filter element with different injection pressures

圖16 不同脈沖壓力的峰值壓力和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差圖Fig.16 Peak pressure and relative standard deviation of different injection pressures

3 結(jié)論

對(duì)重型車空氣濾清器的脈沖清灰進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，研究了噴吹管長(zhǎng)度、噴嘴直徑和脈沖壓力對(duì)清灰性能的影響，采用壁面峰值壓力和速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出以下結(jié)論。

1)采用多孔介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程湍流模型計(jì)算的空氣濾清器的壁面峰值壓力值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明所建立的數(shù)值計(jì)算模型可以用于該重型車空氣濾清器的數(shù)值模擬。

2)通過(guò)改變噴吹管長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)噴吹管較短時(shí)，峰值壓力變化較小，噴吹管較長(zhǎng)時(shí)，峰值壓力變化呈現(xiàn)急劇增大趨勢(shì)；相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在噴吹管長(zhǎng)度為265 mm時(shí)最大，在噴吹管長(zhǎng)度為345 mm時(shí)最小。噴吹管長(zhǎng)度為345 mm的峰值壓力最高且流場(chǎng)均勻性最好，所以其清灰性能最佳。

3)通過(guò)改變噴嘴直徑，發(fā)現(xiàn)隨著噴嘴直徑的增加，壁面峰值壓力越大，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小。噴嘴直徑為22 mm時(shí)，壁面峰值壓力最大且流場(chǎng)均勻性最好，所以，噴嘴直徑為22 mm時(shí)清灰性能最佳。

4)通過(guò)改變脈沖清灰壓力，發(fā)現(xiàn)壁面峰值壓力隨著脈沖壓力的增加而變大，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差隨著脈沖壓力的增加而減小。在脈沖壓力為0.8 MPa時(shí)，壁面峰值壓力最高且流場(chǎng)均勻性最好，所以，在4種壓力工況下，壓力為0.8 MPa時(shí)的清灰性能最佳。