基于仿真的空濾出氣口圓角尺寸對流阻的影響

馬靜靜，徐 磊

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

空濾的流阻值是主機(jī)廠考察空濾方案是否滿足的一個關(guān)鍵指標(biāo)，如何降低流阻也就成為空濾方案優(yōu)化的一個重要考慮因素。對于大多數(shù)空濾方案[1]，通常都需要進(jìn)行降低流阻優(yōu)化，而降低流阻最明顯的方案就是改變空濾結(jié)構(gòu)，但同時也會帶來數(shù)模的重復(fù)修改，增加一定的工作量，所以既減少數(shù)模的大規(guī)范修改，又能起到降低流阻的方案是目前探討的方向。修改空濾出氣口圓角相對比較容易操作，同時也會對流阻產(chǎn)生一定影響[2]。本文基于仿真分析的方法，論述空濾出氣口圓角對流阻的影響。

1 確定方案

本文以某主機(jī)的概念空濾為模板，對空濾出氣口進(jìn)行圓角修改，通過CFD計算分析，得出虛擬流阻值?？諡V模型容積為6 L，進(jìn)出口直徑均為70 mm，額定流量0.12 kg/s。圖1為出氣口無圓角的空濾方案。

圖1 空濾方案三維模型

表1為出氣口圓角修改方案和修改位置，其中圓角方案分為R1、R3、R5、R7，通過圓角尺寸的遞增來探尋流阻變化的趨勢。

表1 出氣口位置圓角方案

2 計算過程

模型計算采用流量進(jìn)口、壓力出口邊界，流體材質(zhì)默認(rèn)為空氣。模型的計算過程一般包括幾何處理、網(wǎng)格劃分、計算設(shè)置、結(jié)果處理幾個步驟[3]。如圖2所示。

圖2 計算分析過程圖示

3 結(jié)果分析

經(jīng)過計算后的流阻值見圖3流阻曲線圖所示，出氣口位置增加圓角后流阻降低。隨著圓角尺寸越大，流阻降幅越大。

圖3 各方案流阻值曲線圖 （單位：Pa）

圖4 為相鄰方案的流阻降幅變化線性圖，即圓角尺寸每增加2 mm對應(yīng)的流阻變化。可見增加R1圓角后流阻降低59 Pa，從R1增加到R3后流阻降低33 Pa，從R3到R5流阻降低29 Pa，從R5到R7流阻降低22 Pa，可以看出隨著圓角增加，流阻降幅變化趨勢下降。

圖4 流阻降幅變化曲線 （單位：Pa）

從流阻降低曲線看，隨著圓角增大，流阻降幅越大，但增加到一定值后，流阻變化不明顯。增加圓角會對氣流起到導(dǎo)向作用，使氣流過度平滑，從而使流阻降低。對于出氣口位置安裝流量傳感器的空濾來說，出氣口的速度均勻性更是關(guān)鍵參數(shù)。

為方便對出氣口位置的流體速度分布進(jìn)行分析，運(yùn)用CFD后處理軟件對空濾和出氣管進(jìn)行了剖面速度云圖顯示[4]，圖5為空濾出氣口截圖說明，其中A為空濾延長管部分，B為空濾測量管，C-C為空濾出氣口橫截面，D為空濾部分。表2中展示了出氣管道和出氣口橫截面的速度云圖，其中出氣管道速度云圖為A.B.D部分的剖面顯示，出氣口橫截面云圖就是空濾出氣口C-C的速度顯示。

圖5 空濾出氣口截圖位置

從表2各方案的速度云圖可以看出，由R1圓角到R7圓角，隨著圓角尺寸增加，出氣管道中氣流越均勻，如圖中R1方案出氣管中，上層為紅色區(qū)域，下層為橙色區(qū)域，上下層分層明顯，表示管道上層氣流速度大，下層氣流速度小。從出氣口的橫截面速度云圖也可以看出相同結(jié)論，隨著圓角增大，出氣口（圓形）截面云圖中紅色區(qū)域面積增大，代表通過出氣口截面的氣流更加均勻，截面的上下部分氣流流速基本一致。

表2 空濾出氣口速度云圖

如圖6為軟件計算得出的速度均勻性系數(shù)曲線，更加直觀地論證了出氣口均勻性的變化趨勢。出氣口截面的速度均勻性系數(shù)基本呈線性變化。R7方案的出氣口速度均勻性系數(shù)為0.940 6，依次大于R5、R3、R1、無圓角方案的速度均勻性系數(shù)。

圖6 空濾出氣口截面的速度均勻性系數(shù)曲線

4 結(jié)論

本文通過對無圓角、R1、R3、R5、R7五種空濾方案的流體仿真分析，計算得出了各方案的流阻值、速度云圖以及 出氣口位置的速度均勻性系數(shù)。通過對流阻變化趨勢分析、空濾出氣口的速度云圖和速度均勻性系統(tǒng)對比，可以得出以下結(jié)論：

（1）從流阻變化趨勢可以得出，在空濾出氣口位置添加圓角，可以降低流阻；

（2）從流阻變化趨勢可以得出，圓角尺寸越大，空濾流阻降幅越大；

（3）從流阻變化趨勢可以得出，隨著圓角尺寸增大，空濾流阻變化趨勢降低；

（4）從空濾速度云圖可以得出，圓角尺寸越大，出氣口位置速度均勻性越好。