孫 陽，王建東，盧進(jìn)軍，喬夢華，陳克新，李文超，李繼新

(中國北方車輛研究所，北京，100072)

空氣濾清器是一種廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及空氣壓縮設(shè)備的進(jìn)氣過濾系統(tǒng)，其主要功能是濾除進(jìn)入動(dòng)力設(shè)備中的灰塵和雜質(zhì)，從而減少氣缸、活塞和活塞環(huán)的磨損，延長動(dòng)力設(shè)備的使用壽命.空氣濾清器的過濾效率、進(jìn)氣阻力和容塵量等性能參數(shù)直接影響動(dòng)力設(shè)備的動(dòng)力性、燃油(氣)經(jīng)濟(jì)性、使用可靠性[1].由于空氣濾清器是一種綜合過濾設(shè)備，包含有多種過濾元件，內(nèi)部流動(dòng)十分復(fù)雜，因此，依靠試驗(yàn)手段來研制空氣濾清器內(nèi)部流暢，無法將內(nèi)部流暢信息完全復(fù)現(xiàn).隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)被用來研究空氣濾清器的速度場、壓力場等問題[2].國外一些學(xué)者對褶型過濾器過濾壓力損失模型進(jìn)行研究[3-4]，并對空氣過濾器進(jìn)行 CFD數(shù)值模擬研究[5-6].

空氣濾清器由一級(jí)濾清器、抽塵裝置、殼體、濾芯等部分組成.其中一級(jí)濾清器是含有多個(gè)固定旋轉(zhuǎn)件的復(fù)雜離心分離裝置;抽塵裝置是含有高速旋轉(zhuǎn)件的離心泵;濾芯是由濾紙加工而成的過濾分離裝置.由此可以看出，各過濾元件的工作原理差異很大.同時(shí)，由于一級(jí)濾清器總成內(nèi)旋流管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、細(xì)微結(jié)構(gòu)數(shù)量多，如果用普通前處理方式，模型最大網(wǎng)格和最小網(wǎng)格的尺寸相差50～100倍，網(wǎng)格數(shù)量將達(dá)到108以上，這是目前仿真分析軟件很難完成的工作.

本研究通過分析過濾元件在空氣濾清器中不同的工作特性，將不同過濾元件按照工作特性進(jìn)行等效簡化，從而實(shí)現(xiàn)對空氣濾清器的仿真計(jì)算.通過試驗(yàn)臺(tái)架空氣濾清器阻力試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證明此種仿真分析方法的可行性.

1 空氣濾清器仿真分析流程

空氣濾清器仿真分析流程見圖1.

圖1 空氣濾清器仿真分析流程

2 一種空氣濾清器的仿真算例

本算例是一種工程車輛空氣濾清器，常用于空氣含塵量較大的環(huán)境中.主要部件包括帶有旋流管一級(jí)濾清器，梯形濾芯的二級(jí)濾清器和離心式抽塵泵.

由于空氣濾清器包括多種過濾元件，為進(jìn)行空氣濾清器的仿真計(jì)算，首先根據(jù)不同過濾元件的工作特性對空氣濾清器重新構(gòu)建簡化三維模型.

2.1 一級(jí)濾清器和抽塵裝置簡化模型的建立

如果將一級(jí)濾清器的各旋流管，視為在不同流量下，表現(xiàn)為不同阻力特性的過濾元件，則可將抽塵裝置對一級(jí)濾清器的阻力影響疊加在各旋流管元件上，這樣就可以將抽塵裝置在仿真模型中忽略，而只考慮旋流管的模型和阻力特性.通過一級(jí)濾清器和抽塵裝置的聯(lián)合試驗(yàn)，可以得到一級(jí)濾清器的阻力特性數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)將阻力特性分配到各旋流管元件上，就可以得到簡化后的一級(jí)濾清器的簡化模型，見圖2.

圖2 一級(jí)濾清器簡化模型

2.2 二級(jí)濾清器模型的建立

二級(jí)濾清器由殼體和空氣濾芯組成.空氣濾芯是由濾紙經(jīng)過折疊后粘接而成.濾紙的厚度一般為0.35～0.55 mm，濾紙紙褶間隙一般為 1.8 ～3 mm.由于濾紙幾何結(jié)構(gòu)很難在仿真分析中直接應(yīng)用，因此，通過將空氣濾芯看做具有一定阻力特性的阻力區(qū)域，可以將空氣濾芯模型簡化，同時(shí)也不會(huì)影響仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性.

通過簡化殼體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，可以得到不影響仿真計(jì)算結(jié)果殼體模型，見圖3.

圖3 二級(jí)濾清器簡化模型

2.3 空氣濾清器計(jì)算模型前處理

2.3.1 一級(jí)濾清器總成前處理

根據(jù)一級(jí)濾清器簡化模型的特點(diǎn)，可以將各旋流管視為多孔介質(zhì).多孔介質(zhì)模型的動(dòng)量方程是在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)量方程的后面加上動(dòng)量方程源項(xiàng).源項(xiàng)包含兩個(gè)部分:粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng).

在簡單、均勻的多孔介質(zhì)上，可以簡化模型并轉(zhuǎn)換為壓降和流速關(guān)系得到公式(1).

式中:α為粘性阻力系數(shù);C2為慣性阻力系數(shù);μ為空氣動(dòng)力粘度;△p為多孔介質(zhì)壓力降，Pa;△n為多孔介質(zhì)厚度，m.

由一級(jí)濾清器阻力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)，可以得到旋流管元件的多孔介質(zhì)參數(shù).

表1 一級(jí)濾清器阻力特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.2 濾芯前處理

參照文獻(xiàn)[8]中對圓形濾芯和梯形濾芯多孔介質(zhì)模型的選擇[8]，這里梯形濾芯的多孔介質(zhì)計(jì)算模型采用公式(2).

從湖湘學(xué)派知行觀到馬克思主義的中國化典范代表《實(shí)踐論》，充分證明馬克思主義的文化理性與中國傳統(tǒng)文化理性在根本是相通的。在兩者的融合碰撞中，毛澤東站在時(shí)代潮頭，充分運(yùn)用自己深厚的中國傳統(tǒng)文化積淀和對馬克思主義哲學(xué)的理解，在探索、積累社會(huì)變革理論和踐行救國圖存的道路上，開辟出了一條全新的道路，形成了自己獨(dú)特的哲學(xué)理論體系?！秾?shí)踐論》，不僅繼承和發(fā)揚(yáng)了中國的哲學(xué)，而且也豐富了馬克思主義認(rèn)識(shí)論，是馬克思主義與中國傳統(tǒng)哲學(xué)相融合的典范。

式中:C0和C1為根據(jù)濾芯阻力特性計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù).在冪函數(shù)模型中，壓降是各向同性的，C0和C1的單位為國際標(biāo)準(zhǔn)單位.

2.3.3 空氣濾清器總成模型前處理

將生成的三維模型在Gambit軟件中進(jìn)行前處理，通過操作，將流體計(jì)算域劃分為四個(gè)流體計(jì)算域:濾芯后的腔體、濾芯體、濾芯外和一級(jí)濾之間的腔體、一級(jí)濾體.

設(shè)定邊界條件為壓力入口和速度出口.

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

空氣濾清器出口壓力為5 500 Pa，壓力分布圖見圖4.濾芯流速分布圖見圖5.空氣濾清器速度流線分布圖見圖6.

通過空氣濾清器仿真分析可以看出:

1)空氣濾清器的阻力分配較為合理，各過濾元件工作在合理的范圍內(nèi).

3)濾芯的流速范圍較為合理，但有繼續(xù)優(yōu)化的空間.

圖4 空氣濾清器壓力分布圖

圖5 濾芯速度分布圖

圖6 空氣濾清器速度流線分布圖

3 仿真結(jié)果的驗(yàn)證

3.1 空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)架的建立

為了驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果，將空氣濾清器布置在標(biāo)準(zhǔn)的空氣濾清器性能試驗(yàn)臺(tái)上.按照《JB/T 9747－2005內(nèi)燃機(jī)空氣濾清器性能試驗(yàn)方法》中阻力特性試驗(yàn)要求和步驟進(jìn)行試驗(yàn).

3.2 空氣濾清器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比

通過臺(tái)架試驗(yàn)，得到空氣濾清器在額定流量下出口處阻力為5 370 Pa.

臺(tái)架試驗(yàn)測試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的誤差為2.4%.

由此可以看出，這種空氣濾清器仿真分析方法能夠準(zhǔn)確對測試結(jié)果進(jìn)行預(yù)測.

4 結(jié)論

采用一種新型空氣濾清器仿真分析方法，實(shí)現(xiàn)了對空氣濾清器的系統(tǒng)仿真計(jì)算，并通過臺(tái)架試驗(yàn)對仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.由此可以得到以下結(jié)論:

1)采用新的空氣濾清器仿真計(jì)算方法可以較為準(zhǔn)確地仿真計(jì)算得到空氣濾清器阻力特性;

2)這種仿真分析方法可以將過濾元件單元化，為今后空氣濾清器過濾元件數(shù)據(jù)庫建立提供了方向.

[1] 陳曉玉.摩托車空氣濾清器性能檢測方法探討[J]，摩托車技術(shù)，2005，(7):25-26

[2] 韓 青.空氣濾清器內(nèi)三維紊流數(shù)值計(jì)算與分析[D].山東:山東輕工業(yè)學(xué)院，2008.

[3] DELL，F(xiàn)ABBRO，LABORDE J C，et al.Air flows and pressure drop modelling for different pleated industrial filters[J].Filtration＆Separation，2002，39(1):34-40.

[4] LUCKE T，F(xiàn)ISSAN H.The prediction of filtration performance of high efficiency gas filter elements[J].Chemical Engineering Science，1996，51(8):1199-1208.

[5] SUBRENAT A，BELLETTRE J，LE C P.3-D numerical simulations of flows in a cylindrical pleated filter packed with activated carbon cloth[J].Chemical Engineering Science，2003，58(22):4965-4973.

[6] NASSEHI V，HANSPAL N S，WAGHODE A N，et a1.Finite-element modelling of combined free/porous flow regimes:simulation off low through pleated cartridge filters[J].Chemical Engineering Science，2005，60(4):995-1006.

[7] Fluent Inc..Fluent User’s Guide[M].Fluent Inc.，2003.

[8] Yang sun，Jin Jun Lu，Li Ping Cheng.The applicability investigation on two models for porous air filters[C].//FILTECH 2013－G10－POSTERⅡ，The Germany，2013:8-9.