某發(fā)動機(jī)空氣濾清器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉連明

1 前言

空氣濾清器為發(fā)動機(jī)提供充足、干凈的空氣，其性能優(yōu)劣不但影響發(fā)動機(jī)的可靠性和使用壽命，而且很大程度上影響發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性[1]。如何改善濾清器內(nèi)部流場特性，降低流動阻力損失是提高過濾效率、延長過濾壽命、提高發(fā)動機(jī)動力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵[2,3]。

A.Al-Sarkhi等對多種不同結(jié)構(gòu)的空氣濾清器進(jìn)行了研究，通過計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)測量的方法獲得了速度分布情況結(jié)果并進(jìn)行科學(xué)分析，然后進(jìn)行相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了更加均勻的內(nèi)部流場[4]。韓青等模擬空氣濾清器內(nèi)部的空氣流動情況，發(fā)現(xiàn)有不均勻流動現(xiàn)象，通過改進(jìn)空氣濾清器外部殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，得到了更為均勻的內(nèi)部流場特性[5]。

本文通過對某發(fā)動機(jī)空濾器內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，依據(jù)所得的分析結(jié)果提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。對濾清器進(jìn)出氣口面積、進(jìn)氣口位置以及進(jìn)出氣管與殼體連接處的直角等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的濾清器進(jìn)氣阻力明顯降低。

2 原空氣濾清器分析

2.1 建立模型

應(yīng)用UG軟件建立原空氣濾清器的三維模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由進(jìn)氣口、出氣口、上殼體和下殼體組成，其中進(jìn)氣口管徑為80mm，出氣口管徑為75mm。由于濾芯也選定，且空氣濾清器進(jìn)氣阻力主要來源于殼體，濾芯影響較小，所以只考慮對空氣濾清器殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[6]。

圖1 空氣濾清器結(jié)構(gòu)

由于空氣濾清器內(nèi)的氣流流動是復(fù)雜多變的湍流形式，需要對模型先作必要的簡化和假設(shè)，所以作如下假設(shè)：①流體的物性參數(shù)為常數(shù)，是一種不可壓縮的單相牛頓流體；②假設(shè)該空氣濾清器模型內(nèi)的固體構(gòu)件分布均勻而且不發(fā)生形變；③當(dāng)空氣濾清器工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度基本保持不變，或者說溫度的變化可以忽略不計(jì)[7]。

2.2 邊界條件設(shè)定

設(shè)定濾清器的進(jìn)氣口為速度入口，出氣口為壓力出口。設(shè)空氣在濾清器進(jìn)氣口處的流動速度分布均勻，其空氣流量為600m3/h，速度為30m/s，水力直徑為88mm，湍流強(qiáng)度為1%，方向垂直于邊界；出氣口背壓為0Pa，水力直徑為80mm[8]。

2.3 仿真結(jié)果與分析

使用ANSYS-FLURNT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用RNG 非平衡壁面函數(shù)k-ε湍流模型，利用SIM?PLEC算法實(shí)現(xiàn)壓力與速度的耦合求解，得到如下結(jié)果。

（1）速度分析

濾清器內(nèi)部速度不均勻，對流動阻力和濾清效率影響較大。速度矢量如圖2所示，空氣經(jīng)進(jìn)氣口流入后，直接沖擊進(jìn)氣口對面的殼體，由于受到殼體的沖擊反彈作用氣流又向相反的方向流動。反彈的空氣與新進(jìn)入的空氣相互碰撞而產(chǎn)生渦流，渦流的產(chǎn)生使得此處發(fā)生了能量的損失。另外，由于空氣源源不斷地從進(jìn)氣口進(jìn)入，然后從出口流出，使得許多空氣在出口處堆積，造成出口處比較紊亂，產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，導(dǎo)致流動阻力變大。

圖2 速度矢量圖

出口處狀態(tài)如圖3所示，越靠近下方邊壁流動速度越慢，導(dǎo)致出口處下方與上方壓力不一致，當(dāng)出口的空氣流入發(fā)動機(jī)進(jìn)氣總管時(shí)，分布不均的壓力將導(dǎo)致出現(xiàn)紊流現(xiàn)象。

圖3 出口處速度矢量圖

（2）壓力分析

壓力云如圖4所示，由于進(jìn)氣口進(jìn)入空氣的直接沖擊，使得最高壓力出現(xiàn)在與進(jìn)氣口相對的邊壁上。高速氣流與殼體的沖擊以及渦流的產(chǎn)生使得能量損失較大，壓力在流動過程中逐漸地衰減。在出口處，由于流速比較急，又經(jīng)過一次能量損失，使得最低壓力出現(xiàn)在出氣口下緣。計(jì)算得到空氣濾清器內(nèi)的最大壓差約為4.36×103Pa。

圖4 壓力云圖

進(jìn)出氣口壓力散點(diǎn)圖數(shù)據(jù)如圖5所示，由壓力散點(diǎn)圖數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出該空氣濾清器的進(jìn)氣口和出氣口的壓差約為2.88kpa，壓差值明顯偏高。

圖5 進(jìn)出口壓力散點(diǎn)圖

最后，對優(yōu)化前的空氣濾清器試制樣品進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示原始進(jìn)氣阻力為3.28kpa，大于標(biāo)準(zhǔn)允許值2.4kpa。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

為了改善其內(nèi)部流動狀態(tài)，降低壓力損失，綜合考慮從進(jìn)出氣口截面積、進(jìn)出氣口空間位置和進(jìn)出氣管與殼體連接處的圓角設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化，具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案如下：

（1）增大進(jìn)出口面積

進(jìn)氣口管徑增大為85mm，降低氣流進(jìn)入濾清器內(nèi)腔后的速度，減弱高速氣流沖擊壁面后反彈形成渦流而發(fā)生能量損失；出氣口管徑增大為80mm，減少氣體在出口處堆積。

（2）調(diào)整進(jìn)出氣口位置

根據(jù)流體流動特性，空氣濾清器的進(jìn)氣口的空間位置應(yīng)盡可能低一些，而出氣口空間位置應(yīng)盡可能高一些，以更充分地利用濾清器腔體內(nèi)的容積。如圖6 所示，將進(jìn)氣口設(shè)置在出氣方向相對的側(cè)面，且增設(shè)了引管,使其位置盡可能低，布置更靠近邊壁，對氣流起到一定的引導(dǎo)作用；出氣口往上抬起，使其盡可能的高一些，更符合氣流流動特性。

圖6 進(jìn)出氣口位置調(diào)整后的模型

（3）進(jìn)出口處的圓角處理

如圖7所示，對進(jìn)氣口與殼體連接處進(jìn)行圓角設(shè)計(jì)，進(jìn)氣更平順，減小進(jìn)氣阻力，提高進(jìn)氣效率。如圖8 所示，將出氣口與殼體交接處也進(jìn)行圓角設(shè)計(jì)，使氣流從出氣口流出時(shí)就更加地順暢，減少氣體堆積。

圖7 進(jìn)氣口圓角設(shè)計(jì)

圖8 出氣口圓角設(shè)計(jì)

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

對優(yōu)化后的濾清器模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出相應(yīng)結(jié)果。

（1）速度分析

如圖9所示，優(yōu)化后的氣流沒有高速沖擊進(jìn)氣口對面的殼體，而是沿著邊壁向出氣口的方向往上流動，內(nèi)部湍流強(qiáng)度明顯減弱，流場分布更為均勻。

圖9 優(yōu)化后速度矢量圖

出口處速度分布如圖10 所示，氣流比較順暢地從出氣口流出，沒有大量的空氣在出口處堆積而造成紊亂現(xiàn)象。

圖10 優(yōu)化后出口處速度矢量圖

（2）壓力分析

壓力云如圖11所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，濾清器內(nèi)部沒有大面積的高壓區(qū)，氣流流動阻力明顯變小，總成最大壓差約為3.17×103Pa，流動阻力損失明顯降低。

圖11 優(yōu)化后壓力云圖

優(yōu)化后的進(jìn)出氣口壓力散點(diǎn)圖數(shù)據(jù)如圖12 所示，計(jì)算得到優(yōu)化后進(jìn)出口壓差約為1.50kpa。

圖12 進(jìn)出口壓力散點(diǎn)圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證濾清器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的合理性，根據(jù)優(yōu)化后的濾清器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了樣品實(shí)物試制，如圖13所示。

圖13 優(yōu)化后的濾清器樣品實(shí)物

依據(jù)QC/T32-2006《汽車用空氣濾清器試驗(yàn)方法》對試制樣品進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的空氣濾清器原始進(jìn)氣阻力為1.92kpa，優(yōu)化后的原始進(jìn)氣阻力小于標(biāo)準(zhǔn)允許值2.4kpa，符合規(guī)定。

優(yōu)化前后空氣濾清器的壓力值變化情況見表1。通過對比可知，優(yōu)化后濾清器內(nèi)部的最大壓差、進(jìn)出口壓差和原始進(jìn)氣阻力都明顯減小，且主要評價(jià)指標(biāo)原始進(jìn)氣阻力的降幅達(dá)41.46%，達(dá)到了降低空氣濾清器原始進(jìn)氣阻力的目的。

表1 優(yōu)化前后壓力變化情況

5 結(jié)束語

利用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算，分析了空氣濾清器內(nèi)部的速度場和壓力場，依據(jù)分析結(jié)果對濾清器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過增大進(jìn)出氣口管徑、調(diào)整進(jìn)出氣口位置、對進(jìn)出氣口與殼體連接處進(jìn)行圓角設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的空氣濾清器內(nèi)部流場分布更為均勻，湍流強(qiáng)度明顯減弱。對試制樣品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明原始進(jìn)氣阻力小于標(biāo)準(zhǔn)允許值，由此證明，空氣濾清器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效。