盧進軍， 杜莉莉， 喬夢華， 李文超， 陳克新

(中國北方車輛研究所, 北京 100072)

某系列輕型履帶式裝甲底盤在高原環(huán)境下存在著進氣系統(tǒng)阻力大、保養(yǎng)間隔時間短、發(fā)動機增壓器異常磨損等問題.通過故障分析，可以得到其故障原因與重型裝甲車輛基本一致，即空氣濾清器總成的1級濾清器、2級濾清器在設(shè)計中沒有充分考慮高原環(huán)境，同時濾芯結(jié)構(gòu)和濾清器流場布置存在缺陷.在高原環(huán)境空氣密度降低的條件下，要保證質(zhì)量流量不變化，發(fā)動機進氣體積流量就會增加，系統(tǒng)氣流速度就會增高，而空氣濾清器在高氣流速度時阻力增大，從而導(dǎo)致發(fā)動機輸出功率明顯下降，無法正常工作[1].

基于故障原理分析，提出解決方案可以從如下兩個方面出發(fā)：1)優(yōu)化濾清器流場，降低系統(tǒng)阻力；2)提高濾清容塵能力.改進效果將應(yīng)用仿真手段與試驗方法進行驗證.

1 新結(jié)構(gòu)仿真模型的建立

在文獻[1]研究的基礎(chǔ)上，形成3個改進措施，分別是取消了原空氣濾清器的集氣箱，濾芯形狀由圓柱形改為圓臺形，并在濾芯尾部加裝了導(dǎo)流錐.

改進后的空氣濾清器總成三維造型如圖1(a)所示，通過將1級濾清器模型和2級濾清器模型分別簡化為具備一定阻力特性的多孔介質(zhì)模型來建立三維仿真模型，同時對空氣濾清器復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡化處理，增加前端進氣道，分離濾芯前后端進氣腔，組合成為系統(tǒng)仿真模型，改進后的空氣濾清器系統(tǒng)仿真模型如圖1(b)所示.

圖1 空氣濾清器

將生成的系統(tǒng)仿真三維模型在ANSYSY Workbench的流體仿真模塊中進行前處理，即劃分網(wǎng)格和定義區(qū)域.依據(jù)流體計算域劃分為4個部分體結(jié)構(gòu)：濾芯前端氣腔、濾芯后端氣腔、濾芯體和1級濾清器體.定義濾芯體和1級濾體為多孔介質(zhì)單元Porous zone.原車濾清器濾芯前后端腔體網(wǎng)格數(shù)為1 400 042，圓柱形濾芯網(wǎng)格數(shù)為324 512，1級濾清器體內(nèi)旋流管多孔介質(zhì)體共65個，網(wǎng)格數(shù)為201 474.改進方案空氣濾清器濾芯前后端腔體增加了導(dǎo)流錐和圓臺形濾芯斜面，網(wǎng)格數(shù)量為1 482 567，圓臺形濾芯網(wǎng)格數(shù)為401 562.由于改進前后兩方案采用同一款1級濾清器，故1級濾清器網(wǎng)格數(shù)一致[2].

2 仿真參數(shù)的確定

在計算過程中多孔區(qū)域可以簡化為增加壓力降的流體區(qū)域，多孔區(qū)域流體速度-壓力降擬合公式為

(1)

(2)

(3)

式中：C2x為慣性阻力因子；ρ為空氣密度，kg/m3；△nx為單個旋流管長度或濾紙紙折厚度，m；αx是滲透特性系數(shù)；μ為空氣動力粘度，10-5Pa·s；Δpx為流體通過多孔介質(zhì)產(chǎn)生的壓力降，Pa；vx為通過多孔介質(zhì)的流速，m/s；下標x為t或f，t表示旋流管參數(shù)，f表示濾芯參數(shù).

將式(2)和式(3)代入式(1)中，可以得到待確定參數(shù)1/αx和C2x.該參數(shù)可在已知旋流管和濾芯的速度與壓力降試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過插值的方法求出[3].

設(shè)定發(fā)動機額定工況下進氣流量為1.2 kg/s，海拔0 m至4 500 m的大氣壓力、溫度和空氣密度通過查詢國際標準大氣數(shù)值得到.海拔越高, 空氣越稀薄, 空氣濾清器的性能隨海拔的升高而惡化的影響也就越明顯.將質(zhì)量流量依據(jù)空氣密度折算為不同的體積流量后，將不同海拔高度下的試驗結(jié)果進行擬合，將密度和尺寸參數(shù)代入擬合后的函數(shù)表達式，可以依次得到單個旋流管元件和單個濾芯在不同海拔環(huán)境下的多孔介質(zhì)參數(shù)(見表1).

Workbench Fluent工作模塊的Setup連接Fluent求解器，在環(huán)境設(shè)置中選取平原和高原兩種環(huán)境設(shè)置，設(shè)置不同的溫度和空氣粘度.設(shè)置模型的邊界條件為壓力入口和速度出口，壓力入口在一級濾清器前端氣道，依據(jù)兩種地域的海拔高度的空氣密度數(shù)據(jù)，計算空氣濾清器的出口流量.在出口面積一定的條件下，出口流速即可確定.在兩種多孔介質(zhì)模型設(shè)置中選擇圓形多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)模型的粘性阻力系數(shù)1/α和慣性阻力系數(shù)C2依據(jù)表1輸入，不隨海拔高度變化而變化[4].

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表1 不同海拔高度下濾清器的試驗數(shù)據(jù)與多孔介質(zhì)參數(shù)[1]

3 仿真結(jié)果與分析

通過仿真計算，得到了兩種海拔高度(0 m和4 500 m)下，空氣濾清器濾芯的流場分布圖、空氣濾清器總成的速度云圖、濾芯流速分布云圖和空氣濾清器總成速度分布矢量圖，如圖2～圖8所示.

圖2 原空氣濾清器圓柱形濾芯速度流場分布圖(平原 )

圖3 改進方案圓臺形濾芯速度流場分布圖(平原)

圖4 改進方案空氣濾清器總成流速分布圖(平原)

圖5 改進方案空氣濾清器總成流速分布圖(高原)

圖6 改進方案空氣濾清器總成流速剖面圖(平原)

圖7 改進方案空氣濾清器總成流速剖面圖(高原)

通過讀取特定截面仿真數(shù)據(jù)，得到仿真數(shù)值結(jié)果如表2所示，從表2中可以看到改進前后的壓力降仿真結(jié)果.

圖8 改進方案濾芯流速云圖(高原)

參數(shù)名稱參數(shù)值原空濾器(平原)改進方案(平原)原空濾器(高原)改進方案(高原)空氣流量V/(m3·h-1)3370337039603960出口流速v/(m·s-1)5.024.677.636.05系統(tǒng)壓力降P/kPa4.83.85.44.2濾芯面流速vf/(m·s-1)12.25.814.36.5

通過對空氣濾清器總成的結(jié)構(gòu)計算和仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

1)原方案由于流場不均勻造成濾芯表面流速不均勻，加上集氣箱的流體擴展空間體積小，出氣口收口無過渡等因素，所以在平原和高原兩種狀態(tài)下，最大進氣量時的流速和阻力均較高，平原地區(qū)阻力達到了4.8 kPa，高原地區(qū)阻力更是高達5.4 kPa.而改進方案在采用了前述兩方法優(yōu)化流場后，最大進氣量時，平原地區(qū)系統(tǒng)阻力為3.8 kPa；在高原地區(qū)發(fā)動機最大進氣量時，系統(tǒng)阻力為4.2 kPa.改進后的空氣濾清器阻力較原方案降低了22%，系統(tǒng)阻力的降低滿足了發(fā)動機增壓器前端阻力需求.

2)圓臺形濾芯和錐形導(dǎo)流裝置，達到了降低系統(tǒng)壓力降的目標.系統(tǒng)初始阻力的降低，帶來了容塵過程中阻力增長余量的提高，特別是容塵初始階段，系統(tǒng)阻力增加緩慢，極大提高了系統(tǒng)容塵總質(zhì)量，提高了空氣濾清器的使用壽命.

3)從仿真圖中可以看到，原空氣濾清器圓柱形濾芯局部面流速在高原狀態(tài)最高達到了14.3 m/s，有局部擊穿的風險.改進方案通過改變?yōu)V芯形狀、加裝導(dǎo)流裝置等方式優(yōu)化流場，降低了濾芯表面流速，改進方案在高原狀態(tài)濾芯表面最大面流速為6.5 m/s.

4 高原測試

4.1 測試方案

空氣濾清器性能和環(huán)境參數(shù)的測試工具，包括壓力傳感器、風速傳感器和數(shù)據(jù)記錄裝置.該測試場海拔4 500 m，現(xiàn)場溫度10 ℃，大氣壓力59 kPa.主要測試項目如下：

2)空氣濾清器進氣流量測試；

3)空氣濾清器容塵能力的監(jiān)測.

空氣濾清器的阻力、進氣流量和容塵能力的測試方法均參照文獻[1]中采用的方法，即應(yīng)用壓力傳感器測量壓力降、應(yīng)用風速傳感器測量風速，通過進氣截面積的換算得到進氣流量，以及通過記錄空氣濾清器保養(yǎng)間隔得到容塵能力的方法.

空氣濾清器數(shù)據(jù)記錄盒的連接狀態(tài)與壓力傳感器的安裝形式如圖9、圖10所示.

圖9 數(shù)據(jù)記錄盒 圖10 壓力傳感器

4.2 測試結(jié)果

經(jīng)過高原測試，得到了空氣濾清器高原工作狀態(tài)下各測試點的靜壓分布，其中出口處的靜壓值減去入口處的靜壓值即為空氣濾清器出口處的壓力降.空氣濾清器進氣流量測試得到的單管流速數(shù)值，通過旋流管數(shù)量和截面積的換算，得到了試驗測試的空氣濾清器進氣量數(shù)據(jù)見圖11.在同一流量下對比仿真和試驗測試的壓力降數(shù)值，可以得出在海拔4 500 m的高原條件下，空氣濾清器壓力降仿真結(jié)論與試驗結(jié)果之間的對比關(guān)系，同時可以驗證仿真的準確程度.

圖11 空氣濾清器在不同單管流速時出口處壓力降仿真與實驗對比

通過將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析可以看到：以濾清器進氣流量為基準得出的空氣濾清器壓力降曲線，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果在趨勢上是一致的，只是在數(shù)值上，試驗結(jié)果比仿真結(jié)果高出5%～8%.通過分析，是因為模型簡化了空氣濾清器進氣腔中的線纜等障礙物和加工過程中產(chǎn)生的腔體表面粗糙等因素，使得流場更趨于理想，阻力相對實測值要小一些.

通過對高原裝甲車輛跑車過程的全程監(jiān)控和濾芯保養(yǎng)時間的統(tǒng)計分析，得到了改進后的空氣濾清器在高原地區(qū)的維護保養(yǎng)平均時間約為20 h，改進前空氣濾清器的維護保養(yǎng)平均時間約為16 h，改進后的空氣濾清器保養(yǎng)周期提高了25%.

5 結(jié) 論

從某系列輕型履帶式裝甲車輛空氣濾清器高原地區(qū)實際使用問題出發(fā)，在理論分析研究的基礎(chǔ)上，提出了提升空氣濾清器高原性能的方向與3個改進措施，分別是取消了原空氣濾清器的集氣箱，濾芯形狀由圓柱形改為圓臺形，并在濾芯尾部加裝了導(dǎo)流錐.通過改進措施的實施，空氣濾清器的阻力和容塵能力性能得到了提升.其中，改進前后空氣濾清器的阻力降低了約22%，改進后的空氣濾清器保養(yǎng)周期提高了25%，表面濾清器的容塵能力也得到了提高.

加工了試驗樣機產(chǎn)品，赴高原試驗場進行了場地試驗，通過試驗數(shù)據(jù)的采集與分析得到試驗結(jié)果，證明了性能改進是有效的.主要表現(xiàn)在：改進措施有效地降低了空氣濾清器高原地區(qū)使用過程中的系統(tǒng)阻力，保證了發(fā)動機功率的有效輸出，解決了長期困擾高原地區(qū)裝甲車輛使用中的難題.高原試驗與仿真結(jié)果對比分析表明，試驗結(jié)果與仿真結(jié)論的誤差處于可接受的范圍內(nèi)，驗證了仿真結(jié)論的正確性，同時也表明，仿真方法可以真實地模擬空氣濾清器部件和系統(tǒng)在不同流場條件下的工作狀態(tài)，得到可信度較高的性能曲線，初步達到代替野外試驗的目的.

[1] 盧進軍，李繼新，孫 陽，等． 高原環(huán)境下某裝甲車輛空氣濾清器性能仿真分析與試驗[J]． 兵工學報，2015,36(8)： 1556-1561.

[2] Lucki T，F(xiàn)issan H． The prediction of filtration perform-ance of high efficiency gas filter elements[J]． Chemical Engineering Science，1996，51(8):1199-1208.

[3] Fluent Inc. FLUENT 6.3 user's guide[M]． NH，Lebanon: Fluent Inc. 2006．

[4] Fabbro D L，Laborde J C，Merlin P，et al． Air flows and pressure drop modeling for different pleated industrial filters[J]． Filtration & Separation，2002，39( 1) : 34-40．