袁志群， 黃飛健， 劉金武， 許西安

(1. 廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 廈門 361024；2. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

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汽車空氣濾清器進(jìn)氣阻力分析

袁志群1，2， 黃飛健1， 劉金武1， 許西安1

(1. 廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 福建 廈門 361024；2. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

摘要：為了降低汽車空氣濾清器進(jìn)氣阻力，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法建立殼體和濾芯的耦合數(shù)值計(jì)算模型.利用正交分析方法研究進(jìn)出氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣阻力的影響規(guī)律，總結(jié)進(jìn)氣阻力隨流量變化的關(guān)系式,通過濾芯的流量-壓降實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性.結(jié)果表明：進(jìn)氣阻力隨著流量的增加呈拋物線趨勢(shì)增加；在額定流量工況下，進(jìn)氣阻力隨著出氣口面積的增加而減小，負(fù)載時(shí)最大降幅達(dá)到37.2%；進(jìn)出氣口圓角半徑越大，進(jìn)氣阻力越小，負(fù)載時(shí)最大降幅分別達(dá)到16.6%和36.2%.

關(guān)鍵詞：空氣濾清器； 進(jìn)氣阻力； 結(jié)構(gòu)參數(shù)； 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)； 數(shù)值計(jì)算

進(jìn)氣系統(tǒng)性能是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要保障，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷將導(dǎo)致進(jìn)氣系統(tǒng)阻力增大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性.此外，進(jìn)氣阻力增加會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部真空度增加，對(duì)各接口密封性提出更高要求.空氣濾清器是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分.以往進(jìn)行空氣濾清器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)主要依靠經(jīng)驗(yàn)公式及工程師的經(jīng)驗(yàn)，通過試制的方法進(jìn)行.因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，而需要等到試制品完成后，通過實(shí)驗(yàn)的方法分析產(chǎn)品性能，耗時(shí)耗力.通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，能適時(shí)準(zhǔn)確判斷產(chǎn)品性能，并且獲得許多實(shí)驗(yàn)方法難以實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，及時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，從而降低成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期[1-6].文獻(xiàn)[7]研究進(jìn)出氣管管徑大小和插入長度對(duì)進(jìn)氣性能和消聲性能的影響.文獻(xiàn)[8-9]對(duì)空氣濾清器流動(dòng)阻力特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真研究.從現(xiàn)有研究成果來看，更多的工作主要是對(duì)不同車型的空氣濾清器進(jìn)行改進(jìn)，不具有通用性，無法全面反映空氣濾清器的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣阻力的影響規(guī)律.基于此，本文對(duì)乘用車常用的褶狀干式空氣濾清器進(jìn)氣阻力進(jìn)行分析與研究.

1數(shù)值計(jì)算模型的建立

為了總結(jié)空氣濾清器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣阻力影響的普遍性規(guī)律，建立乘用車常用的褶狀干式空氣濾清器幾何模型.該模型由上、下殼體及濾芯等3部分組成.利用UG建立內(nèi)流場(chǎng)1∶1幾何模型， 保留結(jié)構(gòu)全部特征.空氣濾清器數(shù)值分析模型與空氣實(shí)際流動(dòng)區(qū)域具有一致性，共分為上、下殼體自由流動(dòng)區(qū)域和中間濾芯多孔介質(zhì)流動(dòng)區(qū)域.

(a) 計(jì)算域　　　　　　(b) 面網(wǎng)格　圖1　空氣濾清器網(wǎng)格劃分Fig.1　Air filter mesh

在前處理軟件ICEM-CFD中,采用OCTREE方法對(duì)空氣流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行離散，如圖1所示.在空氣濾清器殼體表面拉伸出與其平行的三棱柱網(wǎng)格，以滿足壁面函數(shù)的需求，精確模擬殼體表面的附面層.在流動(dòng)變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，通過采用不同的網(wǎng)格數(shù)目驗(yàn)證了網(wǎng)格的無關(guān)性.數(shù)值分析模型網(wǎng)格達(dá)90萬.測(cè)試表明,劃分的網(wǎng)格單元數(shù)足以消除網(wǎng)格密度的影響.

為了簡化計(jì)算，對(duì)數(shù)值分析模型作如下3點(diǎn)假設(shè)：1) 空氣濾清器內(nèi)部流動(dòng)速度遠(yuǎn)小于音速，空氣密度變化基本為零，假設(shè)為不可壓縮流體；2) 在入口流量一定的情況下，空氣濾清器內(nèi)部流動(dòng)作定常處理；3) 濾芯內(nèi)部各物性參數(shù)各向同性.

空氣濾清器內(nèi)部流場(chǎng)基本控制方程為三維不可壓縮雷諾時(shí)均方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程，殼體近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)進(jìn)行修正.計(jì)算采用二階迎風(fēng)格式，方程求解采用SIMPLE算法.入口采用速度入口邊界條件(根據(jù)廠家提供的額定空氣流量和入口面積轉(zhuǎn)化成速度數(shù)據(jù))，出口采用壓力邊界條件，殼體壁面采用無滑移壁面邊界條件，濾芯采用多孔介質(zhì)模型.流體流經(jīng)多孔介質(zhì)時(shí)遵循Darcy定律，多孔介質(zhì)流動(dòng)控制方程是在雷諾時(shí)均方程中增加一個(gè)負(fù)的動(dòng)量源項(xiàng)，由黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)兩部分組成.對(duì)動(dòng)量源項(xiàng)在濾芯厚度方向進(jìn)行積分，得到多孔介質(zhì)模型計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為

表1　濾芯壓降計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

式中:p為壓力；Δx為濾芯厚度；v為滲濾速度；α-1為粘性阻力系數(shù)；c2為慣性阻力系數(shù).

通過試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)得空氣濾清器濾芯的壓降(Δp)-流量(Q)變化關(guān)系，結(jié)合多孔介質(zhì)模型計(jì)算公式，得到計(jì)算所需參數(shù).通過數(shù)值分析的方法計(jì)算濾芯的壓降，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，誤差控制在6%以內(nèi)，結(jié)果如表1所示.表1中：η為誤差.表1驗(yàn)證了文中數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性.

濾芯試驗(yàn)在空氣濾清器性能試驗(yàn)臺(tái)架上完成，其測(cè)試原理如圖2所示.圖2中:左端連接灰塵噴射器，用于測(cè)驗(yàn)濾芯的粉塵過濾性能;右端連接流量控制閥和抽氣機(jī)，用于測(cè)驗(yàn)濾芯在不同流量下的性能.

圖2　濾芯壓降測(cè)試原理Fig.2　Testing principle of pressure dropin the filter element

2分析與討論

2.1空氣濾清器進(jìn)氣阻力分析

汽車空氣濾清器流動(dòng)性能的重要指標(biāo)是進(jìn)氣阻力，其大小直接影響進(jìn)氣效率.進(jìn)氣阻力[10]定義為：當(dāng)空氣流過總成時(shí)，其上、下游壓力損失.首先，應(yīng)確定上、下游壓力降，然后，根據(jù)上、下游由于管道截面積變化引起的流速變化所產(chǎn)生的動(dòng)壓加以修正.進(jìn)氣阻力的定義公式為

圖3　空氣濾清器進(jìn)氣阻力與流量關(guān)系Fig.3　Relationship between air intakeresistance and flow rate in the air filter

空氣濾清器的進(jìn)氣阻力試驗(yàn)需要以空氣濾清器的額定空氣體積流量為標(biāo)準(zhǔn)，按額定空氣體積流量的40%，60%，80%，100%，120%分別進(jìn)行測(cè)取.空氣濾清器在空載和負(fù)載情況下進(jìn)氣阻力與流量(Q)的變化關(guān)系，如圖3所示.由圖3可知：隨著進(jìn)氣量的增加，進(jìn)氣阻力呈拋物線關(guān)系增長;在負(fù)載工況下，增加趨勢(shì)更加明顯，殼體本身所引起的進(jìn)氣阻力占主要部分.因此，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于降低進(jìn)氣阻力至關(guān)重要.

應(yīng)用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得進(jìn)氣阻力與流量的關(guān)系式:1) 負(fù)載時(shí),Δpr=0.032 6Q2+1.355 1Q;2) 空載時(shí)，Δpr=0.027 2Q2+0.041 7Q.

入口截面壓力的分布云圖，如圖4所示.由圖4可知:空氣濾清器內(nèi)部壓力呈現(xiàn)遞減趨勢(shì).空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入上殼體以后，在正對(duì)入口截面的上殼體壁面上，氣流受到阻滯，速度下降，壓力上升.因此，出現(xiàn)局部的壓力升高.結(jié)合圖3數(shù)據(jù)分析可知：氣流在空氣濾清器內(nèi)部流動(dòng)過程中，壓力損失主要來自于殼體本身，濾芯所占比重較小，并且隨著流量的增加，趨勢(shì)越明顯.

空氣濾清器的三維流場(chǎng)，以及入口截面速度云圖與流線圖，分別如圖5，6所示.由圖5，6可知：空氣濾清器內(nèi)部流場(chǎng)主要存在2個(gè)渦系，分布在上殼體中，分別在平行和垂直于濾芯平面的截面上；渦系的存在使氣流不能順暢地通過濾芯，并且濾芯表面的速度分布不均勻；進(jìn)氣管與殼體過渡部分為直角，氣流從進(jìn)氣管進(jìn)入后，存在局部的分離渦系；下殼體氣流平均速度偏小，不能及時(shí)從出氣口流出.這些因素都降低了進(jìn)氣效率，造成進(jìn)氣阻力偏大.

圖4　入口截面壓力分布云圖 圖5　空氣濾清器三維流場(chǎng)Fig.4　Pressure distribution of inlet section Fig.5　3D airflow of air filter

(a) 速度云圖 (b) 流線圖圖6　入口截面速度云圖與流線圖Fig.6　Velocity contour and flow chart of inlet section

圖7　空氣濾清器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.7　Schematic diagram of the structuralparameter of the air filter

從以上分析可知，空氣濾清器上殼體渦系較為復(fù)雜，下殼體平均速度偏小，因此，進(jìn)氣效率低，進(jìn)氣阻力偏大.

2.2空氣濾清器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣阻力的影響

空氣濾清器結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，如圖7所示.以下將主要從對(duì)上下殼體流動(dòng)特性影響較大的進(jìn)出氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，分析進(jìn)出氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)，如進(jìn)出氣口面積比(S1/S2)、進(jìn)氣口圓角半徑(R1)和出氣口圓角半徑(R2)對(duì)進(jìn)氣阻力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖8所示.

2.2.1進(jìn)出氣口面積比保持進(jìn)氣口截面積S1不變的情況下，改變出氣口S2的大小，分析空氣濾清器在額定空氣流量工況下進(jìn)氣阻力隨進(jìn)出氣口面積比變化規(guī)律，如圖8(a)所示.由圖8(a)可知:隨著進(jìn)出氣口面積比的增加，空氣濾清器在空載和負(fù)載情況下進(jìn)氣阻力基本呈線性趨勢(shì)增加.這是因?yàn)檫M(jìn)出氣口面積比越大，出氣口面積相對(duì)較小，氣流從出氣口流出不順暢.因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能加大出氣口面積，提高空氣濾清器進(jìn)氣效率.

由圖8(a)還可知:進(jìn)出氣口面積比變化對(duì)濾芯的阻力基本無影響.此外，進(jìn)出氣口面積比由1.5減小為0.8，相應(yīng)的出氣口面積增加89.8%，則空氣濾清器空載時(shí)進(jìn)氣阻力降低49.6%，負(fù)載時(shí)進(jìn)氣阻力降低37.2%.

(a) 進(jìn)出氣口面積比　　　　　　　　(b) 進(jìn)氣口圓角半徑　　　　　　　　(c) 出氣口圓角半徑圖8　空氣濾清器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣阻力影響Fig.8　Influence of structural parameters of air filter on air intake resistance

2.2.2進(jìn)氣口圓角半徑保持進(jìn)出氣口面積比為定值1.5，改變進(jìn)氣口與殼體的圓角半徑R1，分析空氣濾清器在額定空氣流量工況下進(jìn)氣阻力隨進(jìn)氣口圓角半徑的變化規(guī)律，如圖8(b)所示.由圖8(b)可知:隨著進(jìn)氣口圓角半徑的增加，空氣濾清器在空載和負(fù)載情況下，進(jìn)氣阻力都隨著原角半徑的增加而降低；增加圓角半徑可以避免氣流從進(jìn)氣口流入殼體后出現(xiàn)局部的氣流分離，提高了進(jìn)氣效率；當(dāng)圓角半徑達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)氣阻力不再減小，圓角半徑的變化對(duì)濾芯阻力基本沒有影響.此外，當(dāng)進(jìn)氣口圓角半徑由0增加到10 mm時(shí)，空氣濾清器空載時(shí)，進(jìn)氣阻力降低20.4%；負(fù)載時(shí)，進(jìn)氣阻力降低16.6%.

2.2.3出氣口圓角半徑保持進(jìn)出氣口面積比為定值1.5，改變出氣口與殼體的圓角半徑R2，分析空氣濾清器在額定空氣流量工況下，進(jìn)氣阻力隨出氣口圓角半徑的變化規(guī)律，如圖8(c)所示.由圖8(c)可知:隨著出氣口圓角半徑的增加，空氣濾清器在空載和負(fù)載情況下， 進(jìn)氣阻力都隨著原角半徑的增加而降低.增加圓角半徑相當(dāng)于增加出氣口截面積，氣流從出氣口流出更加順暢，提高了進(jìn)氣效率.當(dāng)圓角半徑達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)氣阻力不再減小，圓角半徑的變化對(duì)濾芯阻力基本無影響.此外，出氣口圓角半徑由0增加到15 mm時(shí)，空氣濾清器空載時(shí)，進(jìn)氣阻力降低42.9%；負(fù)載時(shí)，進(jìn)氣阻力降低36.2%.

表2　正交分析方案和進(jìn)氣阻力結(jié)果

2.3進(jìn)出氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)正交分析法

應(yīng)用正交分析方法分析進(jìn)出氣口面積比(S1/S2)、進(jìn)氣口圓角半徑(R1)、出氣口圓角半徑(R2)等3個(gè)影響因素的主次關(guān)系以及相互作用規(guī)律.選用L9(33)三因素三水平正交分析方案，水平選取遵循等間距原則，計(jì)算得到9種方案進(jìn)氣阻力(Δpr)，如表2所示.

按極差分析法得到正交試驗(yàn)結(jié)果分析，如表3所示.表3中：Yj，k表示j影響因子的k水平所對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣阻力平均值，由Yj，k大小可以判斷j影響因素的優(yōu)水平；Rj為j影響因素水平變動(dòng)時(shí)進(jìn)氣阻力的變動(dòng)幅度，Rj越大，說明該因素對(duì)進(jìn)氣阻力影響越大. 由表3及前述分析可知： 組合優(yōu)化方案比單因素優(yōu)化方案效果更好.

表3　正交分析表

本次試驗(yàn)對(duì)進(jìn)氣阻力大小影響的主次因素依次是：進(jìn)出氣口面積比、進(jìn)氣口圓角半徑、出氣口圓角半徑.最優(yōu)組合是進(jìn)出氣口面積比(S1/S2)為0.8，進(jìn)氣口圓角半徑(R1)為15 mm，出氣口圓角半徑(R2)為15 mm.

3結(jié)論

通過對(duì)乘用車常用的褶狀干式空氣濾清器進(jìn)氣阻力進(jìn)行分析與研究，得出以下5點(diǎn)結(jié)論.

1) 空氣濾清器進(jìn)氣阻力隨著流量的增加呈拋物線趨勢(shì)增加.利用最小二乘法擬合出空氣濾清器進(jìn)氣阻力與流量的關(guān)系式，對(duì)結(jié)構(gòu)和尺寸相似的空氣濾清器初期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)進(jìn)氣阻力大小具有一定指導(dǎo)意義.

2) 在流量一定的情況下，空氣濾清器進(jìn)氣阻力主要來自于殼體自身，濾芯所占比重較小，隨著流量增加，這種趨勢(shì)越明顯.因此，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其中，進(jìn)出氣口結(jié)構(gòu)參數(shù)影響最大.

3) 進(jìn)氣阻力隨著出氣口面積和出氣口圓角的增加而降低.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)先考慮增加出氣口圓角半徑，當(dāng)圓角半徑達(dá)到約15 mm時(shí)，進(jìn)氣阻力基本保持不變，空載和負(fù)載時(shí)，降低幅度分別達(dá)到42.9%和36.2%.

4) 進(jìn)氣阻力隨著進(jìn)氣口圓角半徑增加而降低.當(dāng)圓角半徑達(dá)到10 mm左右時(shí)，進(jìn)氣阻力基本保持不變，空載和負(fù)載時(shí)，降低幅度分別達(dá)到20.4%和16.6%.

5) 組合優(yōu)化方案優(yōu)于任意單因素優(yōu)化方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合實(shí)際情況選擇進(jìn)出氣口面積比及進(jìn)出氣口圓角半徑.對(duì)進(jìn)氣阻力影響的主次因素依次為：進(jìn)出氣口面積比、進(jìn)氣口圓角、出氣口圓角.

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(責(zé)任編輯： 錢筠 英文審校： 楊建紅)

Analysis on Air Intake Resistance of Automotive Air Filter

YUAN Zhiqun1，2， HUANG Feijian1， LIU Jinwu1， XU Xi′an1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China；2. School of Traffic and Transportation Engineering， Central South University， Changsha 410075， China)

Abstract：To reduce the air intake resistance of automotive air filter, a coupled numerical model of shell and filter element was established by using computational fluid dynamics technique. The influence of the inlet and outlet structure parameters on air intake resistance was analyzed by orthogonal analyses method, and the relationship between the air intake resistance and the mass flow rate was summarized. The reliability of the numerical calculation method is verified by the experiment of flow rate versus pressure drop in the filter element. The results showed that the air intake resistance increased at parabola trend with the increasing mass flow rate. Under rated flow conditions, the air intake resistance decreased with the increasing outlet area and the maximum drop was 37.2% under load conditions. The air intake resistance decreased with the increasing inlet and outlet fillet radius, the maximum drop was 16.6% and 36.2% under load conditions.

Keywords：air filter； air intake resistance； structure parameters; computational fluid dynamics； numerical analysis

中圖分類號(hào)：TK 402

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405517, 51405411)； 福建省教育廳科技項(xiàng)目(JB13151)； 福建省廈門市重大科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20100080)

通信作者：袁志群(1983-)，男，講師，博士研究生，主要從事車輛空氣動(dòng)力學(xué)的研究.E-mail:yzqhnu@163.com.

收稿日期：2015-11-23

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0268

文章編號(hào)：1000-5013(2016)03-0268-05