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(dòng)阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實(shí)物尺寸數(shù)據(jù)，在ICEM中建立幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？紤]空氣流量為600L/min，空氣流體通過(guò)濾清器空殼后的壓降問(wèn)題。在Ansys Fluent下進(jìn)行了計(jì)算流體仿真，得到了速度云圖、總壓云圖以及出入口壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線。

關(guān)鍵詞：濾清器空殼;CFD分析;壓降

中圖分類號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：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(dòng)機(jī)提供充足、干凈的空氣，其性能優(yōu)劣不但影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和使用壽命，而且很大程度上影響其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等。如何改善濾清器內(nèi)部流場(chǎng)特性，降低氣流流動(dòng)阻力是提高過(guò)濾效率、延長(zhǎng)過(guò)濾壽命、提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性與燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。然而，由于空氣濾清器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作時(shí)的工作狀況復(fù)雜多變，僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)來(lái)獲得濾清器內(nèi)部的真實(shí)氣流流動(dòng)特性是非常困難的，而且成本高，時(shí)間長(zhǎng)，不能獲得內(nèi)部氣流流動(dòng)的全面數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的普遍運(yùn)用，利用計(jì)算分析軟件來(lái)分析多變的內(nèi)部流場(chǎng)特性是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛一種手段。在進(jìn)行濾清器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computational Fluid Dynamics）分析軟件進(jìn)行仿真分析，大大提高了分析效率，分析結(jié)果更加準(zhǔn)確全面[1]。

曾洪濤[2]應(yīng)用Fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)空氣濾清器的內(nèi)部湍流流場(chǎng)進(jìn)行三維仿真計(jì)算，其中濾芯部分采用多孔介質(zhì)模型。經(jīng)計(jì)算，得到在不同入口流量下的仿真結(jié)果，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，具有工程指導(dǎo)意義。魏舒婷[3]基于多孔介質(zhì)理論，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)的宏觀蜂窩狀空氣濾清器的內(nèi)部流場(chǎng)和阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高其性能。何志霞[4]采用多孔介質(zhì)模型，針對(duì)某空氣濾清器及其管道的空氣動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展數(shù)值模擬，分析空氣濾清器及其管道的流動(dòng)阻力損失和空氣濾清器濾芯流動(dòng)均勻性，并進(jìn)一步研究采用插入管結(jié)構(gòu)、內(nèi)置擋板結(jié)構(gòu)后的流動(dòng)特性。

本文暫不采用多孔介質(zhì)模型用以替代濾芯的流動(dòng)阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實(shí)物尺寸數(shù)據(jù)，在ICEM中建立幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格?？紤]空氣流量為600L/min，流體通過(guò)濾清器空殼后的壓降問(wèn)題。在Ansys Fluent下進(jìn)行了計(jì)算流體仿真，得到了速度云圖、總壓云圖以及出入口壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線。

1 濾清器計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)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(dòng)阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實(shí)物尺寸數(shù)據(jù)，如圖所示。結(jié)合空氣濾清器的空殼尺寸數(shù)據(jù)，我們確定進(jìn)口直徑D為12mm，腔體直徑為70mm，有效長(zhǎng)度為95mm，出口直徑d為6mm。流量為600L/min的空氣氣體流入進(jìn)口直徑為12mm的進(jìn)口管路時(shí)，速度約為88m/s，詳細(xì)計(jì)算如下：

其中，v為速度，Q為流量，S為進(jìn)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(shí)物尺寸數(shù)據(jù)，我們?cè)贗CEM（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(qiáng)大的CAD模型修復(fù)能力、自動(dòng)中面抽取、獨(dú)特的網(wǎng)格“雕塑”技術(shù)、網(wǎng)格編輯技術(shù)以及廣泛的求解器支持能力。同時(shí)作為ANSYS家族的一款專業(yè)分析環(huán)境，ICEM作為fluent和CFX標(biāo)配的網(wǎng)格劃分軟件）中建立幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法（具體建模過(guò)程在這里不再詳細(xì)贅述），網(wǎng)格如入2所示。在這里，網(wǎng)格最小長(zhǎng)度為0.5mm，也就是說(shuō)12mm長(zhǎng)度上布有24個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 Fluent計(jì)算參數(shù)設(shè)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(rèn)。

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(qiáng)度為1%，湍流粘度率為10。

（3）定義壁面：采用默認(rèn)設(shè)置。

2.3 初始化和計(jì)算

（1）定義求解控制參數(shù)：選擇SIMPLE算法，采用默認(rèn)設(shè)置。

（2）定義松弛因子：采用默認(rèn)。

（3）初始化流場(chǎng)：選擇全部，初始化采用默認(rèn)。

（4）定義時(shí)間：時(shí)間間隔為110-6s，每個(gè)時(shí)間步迭代20步，各殘差均設(shè)為10-6?？倳r(shí)間步設(shè)為4000（可以更長(zhǎng)）。

3 結(jié)果討論

經(jīng)過(guò)Fluent計(jì)算參數(shù)設(shè)置后，開(kāi)始迭代計(jì)算。得到了速度云圖、總壓云圖以及出入口壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線。圖3所示為空氣流體的速度變化圖，在時(shí)間節(jié)點(diǎn)0.007ms時(shí)，空氣流體剛通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入濾清器空腔，此時(shí)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(shí)間間隔0.57ms到2.57ms，流體由瞬態(tài)流動(dòng)逐步變?yōu)榉€(wěn)態(tài)流動(dòng)，流體慢慢從進(jìn)口段徑濾清器空腔到達(dá)出口段。在3.57ms后，流體速度傳播到出口段，氣體流動(dòng)成為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，取這個(gè)時(shí)間段的流體壓強(qiáng)可作為壓降的參考?jí)簭?qiáng)。

圖4所示為空氣流體的壓強(qiáng)變化圖，在時(shí)間節(jié)點(diǎn)0.007ms時(shí)，空氣流體剛通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入濾清器空腔，由于出口管管徑較小造成流體擠壓，整個(gè)濾清器空腔壓力都較大，大約有3000pa（3kpa）。隨著流體的流動(dòng)，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(qiáng)逐漸波動(dòng)到出口段。在時(shí)間0.57ms、1.57ms以及2.57ms可以明顯見(jiàn)到壓強(qiáng)的波送。在時(shí)間節(jié)點(diǎn)3.57時(shí)，壓強(qiáng)的變化基本達(dá)成穩(wěn)態(tài)，可以看出在出口段和出口濾清器空腔側(cè)四個(gè)地方壓力仍比較高。一個(gè)可能的原因是，氣流流速的快速轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致壓強(qiáng)的急劇變化。

圖5所示為出入口壓力隨時(shí)間變化走勢(shì)圖，紅色為進(jìn)口壓力，綠色為出口壓力。由于設(shè)置出口壓力為壓力出口0pa（相當(dāng)于一個(gè)大氣壓），出口壓力幾乎保持為0pa。而進(jìn)口壓力出現(xiàn)反復(fù)的變化，具體為先下，再升，再下后保持穩(wěn)定。這種變化趨勢(shì)是有理可循的?？諝饬黧w剛通過(guò)進(jìn)氣管進(jìn)入濾清器空腔時(shí)，內(nèi)部流體不流動(dòng)，阻滯進(jìn)口氣體，造成進(jìn)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(jìn)口處氣體逐漸傳送出口段，壓力逐漸上升，達(dá)到出口段時(shí)，由于濾清器空腔右端壁面的阻滯，流體只能通過(guò)出口段流出，導(dǎo)致進(jìn)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(dòng)逐步形成穩(wěn)態(tài)，進(jìn)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(jié)論為：我們分析了氣體從剛進(jìn)入濾清器空腔到氣流穩(wěn)定整個(gè)的動(dòng)力學(xué)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(shì)，我們得到氣體充滿濾清器空腔后形成的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)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(dòng)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(cè)濾紙的存在，會(huì)極大增加壓降。但濾紙的存在也會(huì)引起速度渦旋，這種渦旋可能稍微削弱因?yàn)V紙而增加的壓降。

4 結(jié)論

本文暫不采用多孔介質(zhì)模型用以替代濾芯的流動(dòng)阻力效果，而僅僅依據(jù)所給空氣濾清器的空殼實(shí)物尺寸數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明，600L/min流量的空氣氣體通過(guò)濾清器空殼腔后，空氣流體會(huì)徑直沖向出口，由于缺少濾芯，未見(jiàn)空腔內(nèi)速度渦旋，在進(jìn)口處的兩側(cè)端流體幾乎靜止不動(dòng)。結(jié)合出入口壓強(qiáng)變化曲線，我們得到流體流過(guò)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(huì)減少壓降損失。此外，應(yīng)該添加多孔介質(zhì)模型用以模擬濾芯的流動(dòng)阻力效果可進(jìn)一步增加計(jì)算準(zhǔn)確度。

參考文獻(xiàn)

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[2] 曾洪濤，付杰，郭驤，史凱旋，肖志懷.基于CFD的某型號(hào)空濾器數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，51（12）：1105- 1113.

[3] 魏舒婷，錢(qián)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(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2019，19（02）：271-278.

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