湯哲鶴

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330000)

基于FLUENT的汽油濾清器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬

湯哲鶴

(江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330000)

基于FLUENT流體分析軟件，研究某車型汽油濾清器的內(nèi)部流場(chǎng)，通過(guò)數(shù)值模擬既能掌握濾清器內(nèi)部流動(dòng)特性，也能為優(yōu)化濾清器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。在汽油濾清器工作時(shí)，濾紙能過(guò)濾汽油中孔徑較大的顆粒與水，從而導(dǎo)致濾清器內(nèi)部存在較大的壓降。數(shù)值模擬結(jié)果表明：當(dāng)t=0.01 s時(shí)，進(jìn)出口的壓差Δp=136 kPa，但是隨著時(shí)間的推移壓降快速下降；當(dāng)t=0.1 s時(shí)，壓降減少的幅度降低，此時(shí)Δp=17 kPa；當(dāng)t=0.15 s以后，壓降趨于穩(wěn)定，Δp=11 kPa。數(shù)值模擬結(jié)果表明：此款濾清器在壓降性能方面表現(xiàn)良好，滿足低壓燃油系統(tǒng)對(duì)濾清器的要求(≤20 kPa)。

濾清器；內(nèi)部流場(chǎng)；壓降；FLUENT仿真

0 引言

汽油濾清器作為燃油系統(tǒng)的重要配件之一，其性能直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能和工作壽命。同時(shí)，還關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。其主要工作原理是依靠其內(nèi)部濾芯的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)將汽油中有害發(fā)動(dòng)機(jī)的較大顆粒物質(zhì)和水分離，并且將干凈的汽油輸送到氣缸內(nèi)燃燒。與此同時(shí)，濾清器以一定回油方式(短回油、長(zhǎng)回油或者無(wú)回油)，將多余的燃油返回到油箱。圖1所示為Bosch某款電噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，汽油在系統(tǒng)中的流動(dòng)方向如圖所示。

從圖1可知，濾清器通常布置在高壓油泵和低壓油泵之間，這種布置方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)。這主要是由于濾清器通常需要工作在較高的壓力下，這樣才能有效去除燃油中的雜質(zhì)和水，并且保證過(guò)濾后的燃油仍具有較高壓力抵達(dá)高壓油泵。

目前，我國(guó)濾清器行業(yè)發(fā)展迅猛，但是和發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在較大的差距。國(guó)內(nèi)OEM的配套已大部分實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但是正向研發(fā)的全新產(chǎn)品極少，基本停留在對(duì)國(guó)外產(chǎn)品樣件的測(cè)繪階段。較有名的濾清器廠家目前分布在安徽蚌埠、河南新鄉(xiāng)和浙江溫州等地，其設(shè)計(jì)大多是基于國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法需要投入較大的成本和周期。

圖1 博世電噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

但是，國(guó)際上實(shí)力較強(qiáng)的濾清器公司先后在國(guó)內(nèi)建立合資或外資企業(yè)，如SOFIMA、弗列加、Donaldson等公司，在國(guó)際市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和研發(fā)能力等方面都很強(qiáng)[1]，特別與OEM的匹配優(yōu)勢(shì)使其在國(guó)內(nèi)占盡先機(jī)，并且其配套范圍是不斷擴(kuò)大，對(duì)國(guó)內(nèi)濾清器行業(yè)形成擠壓態(tài)勢(shì)。

近年來(lái)，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)與高等院校對(duì)汽油濾清器的研究大多停留在臺(tái)架試驗(yàn)方面，比如上海第二工業(yè)大學(xué)的科研工作者們通過(guò)搭載臺(tái)架試驗(yàn)，采用采集濾清器數(shù)據(jù)和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，主要通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口與出口的流量，分析一定壓力和流量條件下，濾清器過(guò)濾雜質(zhì)的性能參數(shù)[2]。隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件分析技術(shù)的逐漸發(fā)展，許多高校與企業(yè)的科研工作者們開始逐步使用它進(jìn)行流場(chǎng)問(wèn)題的分析。濾清器的過(guò)濾介質(zhì)即濾紙，可以看作流體中的多孔介質(zhì)模型，因此可以將濾清器的流場(chǎng)問(wèn)題用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬。據(jù)調(diào)查，目前運(yùn)用FLUENT進(jìn)行濾清器內(nèi)部流場(chǎng)分析還是比較少，但是在空氣濾清器領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟，如吉林大學(xué)成凱教授成功運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)車輛空氣供給系統(tǒng)做了流場(chǎng)分析模擬，山東工業(yè)學(xué)院王仁人課題組用FLUENT對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中空氣濾清器進(jìn)行氣固兩相流數(shù)值模擬[3]。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流體力學(xué)基本控制方程

汽油在濾清器的流動(dòng)受到物理方程控制，其主要的控制方程有質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程等。

1.1.1 質(zhì)量守恒定律

任何流體的流動(dòng)都必須滿足質(zhì)量守恒定律。其表達(dá)式如式(1)所示:

(1)

式中：u為流體在x方向上的速度，m/s;v為流體在y方向上的速度，m/s；w為流體在z方向的速度，m/s。

1.1.2 動(dòng)量守恒定律

流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要滿足動(dòng)量守恒定律，如式(2)所示：

(2)

1.2 多空介質(zhì)模型理論基礎(chǔ)

多空介質(zhì)是指具有多孔骨架構(gòu)成的空隙空間中充滿單相或者多相的復(fù)雜介質(zhì)，比如燃油系統(tǒng)中濾清器的濾芯、碳罐的碳粉[4-5]等。從廣義上說(shuō)，大部分材料都屬于多孔介質(zhì)。

濾清器的工作原理主要是通過(guò)濾紙過(guò)濾掉有害發(fā)動(dòng)機(jī)的較大顆粒雜質(zhì)和水，因此濾紙就是多孔介質(zhì)。從本質(zhì)上說(shuō)，多孔介質(zhì)模型就是在動(dòng)量方程(2)中增加一個(gè)代表動(dòng)量的消耗源項(xiàng)，如式(3)所示:

(3)

式中：μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；α為多孔介質(zhì)的滲透性；C2為慣性阻尼因子；vmag為絕對(duì)速度，m/s；vi為i方向上的速度，m/s。

流體在流過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)，通常被看成是層流流動(dòng)，壓降正比于速度。如果常數(shù)C2=0，忽略對(duì)流加速和擴(kuò)散，多孔介質(zhì)就簡(jiǎn)化為Darcy定律[6]，如式(4)所示：

(4)

2 有限元模型的建立

文中分析的濾清器內(nèi)部流場(chǎng)是以某車型上的濾清器為研究對(duì)象，實(shí)物如圖2所示。采用3D軟件CATIA V5將此實(shí)物建成3D數(shù)模，如圖3所示。

圖2 濾清器實(shí)物圖 圖3 幾何圖形

將所建立的幾何模型保存為stp格式，并導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺(tái)中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于此幾何圖形比較規(guī)則，因此網(wǎng)格劃分比較簡(jiǎn)單，但是需注意對(duì)幾何圖形的壁面進(jìn)行邊界層處理，加入inflation命令，并控制好邊界層的層數(shù)和比例。當(dāng)網(wǎng)格劃分完畢，建立的有限元模型如圖4所示。其中節(jié)點(diǎn) 168 492個(gè)，單元 357 414個(gè)。流體的材料為93號(hào)汽油(國(guó)V92號(hào))，入口速度1.09 m/s，出口壓力500 kPa。

圖4 有限元模型

3 邊界條件設(shè)定

當(dāng)流體從入口進(jìn)入濾清器時(shí)，此時(shí)為湍流流動(dòng)[7]，但是在濾清器的濾芯流動(dòng)時(shí)為層流流動(dòng)。由于文中只分析濾清器的內(nèi)部流場(chǎng)，因此不會(huì)與周圍進(jìn)行能量交換，在FLUENT軟件的設(shè)置面板上不需要打開能量方程。

3.1 速度邊界條件

此車型的濾清器采用的是短回油的回油方式，低壓油泵提供的流量Q=110 L/h,因此速度v如式(5)所示：

v=Q/S

(5)

式中：S為濾清器入口的橫截面積，m2。

3.2 出口壓力

除了主要的速度邊界，濾清器的出口處安裝背壓閥pback=500 kPa，保證提供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油壓力在一定的范圍內(nèi)。

3.3 其他邊界

其他邊界條件全部設(shè)置成wall，各流體與多孔介質(zhì)的交界面設(shè)置成interior。

4 模型驗(yàn)證與仿真結(jié)果分析

4.1 模型驗(yàn)證

文中所建立模型的正確性驗(yàn)證是通過(guò)OEM提供的DVP上的初始?jí)翰瞀≤20 kPa和供應(yīng)商對(duì)濾清器2D圖紙的技術(shù)要求內(nèi)對(duì)初始?jí)翰畹囊?guī)定來(lái)判斷的。

4.2 內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)果與分析

將建好的有限元模型導(dǎo)入FLUENT軟件[8]中，同時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，就可以計(jì)算出詳細(xì)的結(jié)果。圖5為濾清器內(nèi)部的流線圖?？梢钥闯觯喝加蛷娜肟谶M(jìn)入濾清器內(nèi)部時(shí)，先是將濾清器進(jìn)口與隔板之間的空腔填滿，將濾清器內(nèi)的空氣排出，然后隨著進(jìn)入燃油的增多，燃油通過(guò)濾芯過(guò)濾，從出口處流出，抵達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓油泵。

圖5 濾清器流線圖

圖6為濾清器內(nèi)部隔板處的流線放大圖，可以看出：濾清器在隔板處的流動(dòng)不像其他地方溫和且分布非常不均勻，出現(xiàn)較大的湍流現(xiàn)象，并且在此處出現(xiàn)一定的回流，甚至存在漩渦現(xiàn)象。存在漩渦必然會(huì)出現(xiàn)能量損失，導(dǎo)致出口壓力降低。因此在設(shè)計(jì)濾清器時(shí)可以著重優(yōu)化隔板，減少回流和漩渦的產(chǎn)生。

圖6 隔板處局部放大圖

圖7為各時(shí)刻燃油濾清器內(nèi)部在x=0處剖面的壓降情況。

圖7 各時(shí)刻x=0的截面壓力圖

可以看出：剛開始時(shí)，濾清器入口處汽油剛進(jìn)入時(shí)，進(jìn)出口的壓差比較大，這是由于濾清器剛開始工作，進(jìn)入的汽油將濾清器內(nèi)部的空氣排出，此時(shí)濾清器還沒(méi)有穩(wěn)定工作，出口處的壓力比大氣壓大；隨著時(shí)間推移，當(dāng)t=0.07 s時(shí)，進(jìn)出口處的壓差急劇下降為22 kPa，開始接近供應(yīng)商提供的數(shù)值，也說(shuō)明此時(shí)濾清器快進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)；當(dāng)t=0.1 s時(shí)，壓降非常小，并小于供應(yīng)商提供的壓差Δp=20 kPa，說(shuō)明此款濾清器的工作性能較好，在壓降方面完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖7(f)為濾清器在t=0.15 s時(shí)，濾清器橫截截面z=0方向上，從壁面到濾芯處的壓降情況，可以看出：壓力從壁面到濾芯逐漸降低，因此可以說(shuō)濾芯兩側(cè)存在壓差，滿足多空介質(zhì)滲流特性。圖8為t=0.01 s、t=0.07 s、t=0.15 s各時(shí)刻，z=0橫截面，沿著y方向(壁面到濾芯)各點(diǎn)的壓力曲線圖。可以看出：不管濾清器工作在什么時(shí)刻，濾芯均存在相近的壓降，壓降大概為6.5 kPa。同時(shí)，也說(shuō)明t=0.15 s以后，濾清器的主要壓降基本上是濾芯導(dǎo)致的。因此在設(shè)計(jì)濾清器時(shí)，濾芯的優(yōu)化是最關(guān)鍵的。

圖8 各時(shí)刻沿y方向的壓力曲線

5 結(jié)論

運(yùn)用FLUENT流體分析軟件對(duì)實(shí)際使用在某款車型上的濾清器進(jìn)行數(shù)值模擬，得出結(jié)論如下：

(1)從濾清器的流線圖可以看出，汽油從濾清器的進(jìn)口到出口，在隔板處的流線位置最紊亂，并且出現(xiàn)一定漩渦，產(chǎn)生較大的能量損失，這為以后濾清器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

(2)濾清器剛開始工作時(shí)，壓差較大。隨著時(shí)間推移，當(dāng)t=0.15 s時(shí)，壓降逐漸穩(wěn)定，壓差為11 kPa且此時(shí)的壓差大多在濾芯處，這為濾清器的性能設(shè)計(jì)提供相應(yīng)理論基礎(chǔ)。

(3)濾清器在工作過(guò)程中，汽油通過(guò)濾紙即多孔介質(zhì)是一系列復(fù)雜的過(guò)程，采用更為合理的多孔介質(zhì)模型，主要是黏滯阻力和慣性阻力等相關(guān)系數(shù)確定，這需要借助一定的試驗(yàn)。因此，相應(yīng)的試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析軟件相結(jié)合是濾清器未來(lái)研發(fā)的必然趨勢(shì)。

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Numerical Simulation of the Internal Flow Field of Gasoline Filter Based on FLUENT

TANG Zhehe

(Jiangling Motors Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330000,China)

The objective of this study was to analyze the internal flow field of gasoline filter, then to grasp the internal flow field clearly and to provide theoretical basis for optimizing structure design. When the filter is operated, filter paper can filter the bigger particle and water out, there should be pressure drop. The numerical simulation results show that att=0.01 s,Δpis about 136 kPa, but it will decrease sharply with the time going on; att=0.1 s,Δp=17 kPa, the pressure drop is decreasing slowly; att=0.15 s,Δp=11 kPa, after that time, the pressure drop is steady, although the time is going on. From the numerical simulation results, it is known that this filter has a good performance in pressure drop. It can meet the fuel system requirements in gasoline filter.

Gasoline filter; Internal flow field; Pressure drop; FLUENT simulation

2016-10-11

湯哲鶴(1989—)，碩士研究生，目前主要從事燃油系統(tǒng)工作。E-mail:85875842@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.010

U463.1

A

1674-1986(2017)02-039-05