楊神林

【摘 要】空氣濾清器除了要有良好的聲學(xué)性能外，同時要考慮其動力學(xué)性能，以保證發(fā)動機有良好的動力性能。本文基于流體動力學(xué)理論，利用CAD三維模型建立CFD仿真模型，通過對不同空氣流量下空氣濾清器空腔本體及含濾紙濾清器系統(tǒng)的內(nèi)部流場進行計算，深入了解該空氣濾清器阻力及內(nèi)部流場壓力、速度特性，并在此基礎(chǔ)上對其流阻特性進行評估。

【關(guān)鍵詞】空氣濾清器；CFD；流阻特性

對進氣系統(tǒng)的研究，過去主要著重于進氣效率、濾清效率以及壓力損失等方面，隨著技術(shù)的發(fā)展以及對汽車舒適性要求的提高，進氣系統(tǒng)的聲學(xué)特性方面的研究也越來越有必要?？諝鉃V清器除了要有良好的聲學(xué)性能外，同時要考慮其動力學(xué)性能，以保證發(fā)動機有良好的動力性能。

本文基于流體動力學(xué)理論，利用CAD三維模型建立計算流體動力學(xué)模型（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD），主要計算90m3/h、180m3/h、270m3/h、360m3/h、450m3/h、540m3/h空氣流量下含濾紙濾清器流阻與內(nèi)部流場。同時，為便于比較分析，還對上述空氣流量下該濾清器空腔本體流阻及內(nèi)部流場也進行了計算。

1.空氣濾清器內(nèi)流場分析模型的建立

根據(jù)空氣濾清器的三維模型，建立用于CFD計算的該空氣濾清器內(nèi)腔的三維實體模型，采用四節(jié)點四面體單元對該空氣濾清器實體模型進行網(wǎng)格離散，通過收斂性分析確定的合適單元尺寸，得到的內(nèi)腔網(wǎng)格模型，節(jié)點51788個，單元264448個，其實體模型及網(wǎng)格模型不做介紹。

假設(shè)空氣濾清器中的流動為恒溫、穩(wěn)態(tài)流動，已知空氣濾清器的流量，在計算中給定入口壓力邊界條件和出口速度邊界條件，濾紙給定多孔介質(zhì)邊界條件。設(shè)定壓力值為101325Pa，空氣流出速度可通過已知流量及出口截面面積等數(shù)據(jù)計算得到，如表1.1中所列。

表1.1 不同空氣流量下出口平均速度

設(shè)定濾紙多孔介質(zhì)的邊界條件，需要設(shè)置粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)慣性阻力系數(shù)兩個參數(shù)，粘性阻力系數(shù)1/α=150μ（1-ε）

Dε，慣性阻力系數(shù)C2=1.75ρ（1-ε）

Dε，代入多孔介質(zhì)的流阻特性經(jīng)驗公式?P=μv

α+C2v2，其中，μ是空氣的粘性阻力系數(shù)，D是濾紙的孔隙平均直徑，ε是濾紙的孔隙率。

2.空濾器本體空腔內(nèi)流場結(jié)果

在CFD求解器進行網(wǎng)格檢查和優(yōu)化處理后，定義流體物理參數(shù)、施加進出口邊界條件，不考慮濾紙影響，經(jīng)過多次計算迭代后得到收斂結(jié)果。不同流量下空氣濾清器本體空腔壓力場和速度場結(jié)果分別不同。

空氣濾清器內(nèi)進氣管（插入管）出口沖擊區(qū)域壓力較高。出氣管為突然收縮管，在與腔體連接處，壓力損失比較大。

表2.1 不同流量下空氣濾清器本體空腔進出口壓差計算結(jié)果

表2.1分別給出不同空氣流量下，濾清器本體空腔、即不含濾紙條件下的進出口壓力差結(jié)果?？梢钥闯觯M出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關(guān)系曲線表現(xiàn)出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。

3.帶濾紙空濾器內(nèi)流場結(jié)果

給定流體物理參數(shù)、進出口邊界條件，設(shè)置濾紙區(qū)域多孔介質(zhì)邊界條件，對不同流量下帶濾紙空氣濾清器的內(nèi)流場分別進行了計算。計算得到的內(nèi)腔壓力場和速度場也不同。

以360m3/h工況為例，過出口軸線平面內(nèi)的壓力場分布結(jié)果可以看出，濾紙下部腔內(nèi)壓力較高，濾紙區(qū)域自下而上壓力下降明顯；濾紙上部整個腔體內(nèi)壓力基本相等。由于截面突然收縮，在出口管處壓力梯度較大，壓力損失也較大。

過出口軸線平面內(nèi)的速度矢量結(jié)果、并參考無濾紙濾清器內(nèi)的速度場結(jié)果可以看出，濾紙對速度有阻礙作用，經(jīng)過濾紙后速度明顯減小，并且加濾紙后速度矢量在濾清器內(nèi)沒有折返現(xiàn)象。

表3.1 有濾紙空氣濾清器不同流量下進出口壓差計算結(jié)果

表3.1、給出不同空氣流量下，含濾紙濾清器進出口壓力差計算及實測結(jié)果?？梢钥闯觯捎脼V紙模擬方法計算得到的不同流量下含濾紙空氣濾清器進出口壓差與實測流阻結(jié)果基本吻合。含濾紙濾清器進出口壓差隨空氣流量增加而增大，且壓差-流量關(guān)系曲線表現(xiàn)出斜率隨空氣流量增加而變大的非線性特征。

由表3.1、中還可看出，雖然隨流量增加、濾紙對空氣流動的阻力會有增長，但濾紙對整個空濾系統(tǒng)流阻的貢獻率卻隨流量的增大而減小。采用CFD仿真結(jié)果可以計算得到，濾紙阻力在總流阻中所占比重由90m3/h時的45.83%下降至540m3/h時的7.35%左右。參考不帶濾紙結(jié)構(gòu)本體空腔流阻計算結(jié)果可知，該空氣濾清器本體空腔進氣阻力占系統(tǒng)總流阻的主要部分?？傮w來說，該空氣濾清器在發(fā)動機負(fù)荷范圍內(nèi)具有較好的流阻特性，計算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。

4.結(jié)論

本文基于流體動力學(xué)理論，利用CAD三維模型建立CFD仿真模型，通過對不同空氣流量下空氣濾清器空腔本體及含濾紙濾清器系統(tǒng)的內(nèi)部流場進行計算，深入了解該空氣濾清器阻力及內(nèi)部流場壓力、速度特性，并在此基礎(chǔ)上對其流阻特性進行評估。結(jié)果表明，濾清器在發(fā)動機負(fù)荷范圍內(nèi)具有較好的流阻特性，計算最大流量540m3/h下、濾清器出入口最大壓差約為2.4kPa，小于一般工程上最大允許壓差3kPa。計算得到了不同流量下濾清器內(nèi)部流場、壓力場結(jié)果，該結(jié)果對了解該空氣濾清器實際工作性能與狀態(tài)具有重要指導(dǎo)意義。同時，基于多方案的CFD計算可在概念與方案設(shè)計階段結(jié)構(gòu)型式與尺寸參數(shù)的確定提供數(shù)據(jù)支持，采用濾紙模擬模型具有較高精度，可在今后公司類似結(jié)構(gòu)濾清器流阻計算中采用。

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