唐蓮花，肖鵬程，姜榮賀，穆盈盈

(河北億利橡塑集團(tuán)有限公司，河北邢臺 054800)

0 引言

商用車的行駛工況比較復(fù)雜，如果在多塵的環(huán)境下行駛，發(fā)動機則會吸入含有大量灰塵等雜質(zhì)的空氣，會對其內(nèi)部的零部件造成磨損，影響其使用壽命。因此，需要在發(fā)動機前端安裝一套進(jìn)氣系統(tǒng)，主要分為進(jìn)氣道和空氣濾清器兩部分，其功能是盡可能多地為發(fā)動機提供清潔、干燥的空氣。而進(jìn)氣道的主要作用是在盡可能小的壓力損失狀態(tài)下保證空氣進(jìn)入空氣濾清器之前就對空氣中的雨水和灰塵起到一個分離作用，這樣既可以增加分離雨水、灰塵的效率，也可以延長空氣濾清器濾芯的使用壽命。

除了傳統(tǒng)的實驗方法，CFD數(shù)值仿真分析已經(jīng)成為產(chǎn)品研究設(shè)計的主要手段，它可部分替代實驗，可大大縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)費用，可重復(fù)性強[1]。作者采用FLUENT中的DPM(Discrete Phase Model)模型對某商用車進(jìn)氣道的流場特點和灰塵分離效率進(jìn)行改善[2-3]。

1 進(jìn)氣道原始結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣道原始結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原始結(jié)構(gòu)

試驗結(jié)果表明：原始結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率比較低，為66.3%，灰塵隨氣流從格柵進(jìn)入后，除了進(jìn)氣道底座處可以沉積一部分灰塵外，沒有別的灰塵分離結(jié)構(gòu)，使得灰塵直接進(jìn)入空氣濾清器，造成進(jìn)氣系統(tǒng)整體灰塵分離效率低下。

2 新集塵結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到灰塵進(jìn)入進(jìn)氣道后垂直運動，不會有集塵效果，但如果增加灰塵顆粒的旋轉(zhuǎn)切向速度，再增加灰塵收集結(jié)構(gòu)，從而增加灰塵分離效率。

作者基于這種理念，為達(dá)到表1所示的設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計開發(fā)了雙旋風(fēng)筒式進(jìn)氣道，并對底座進(jìn)行一定的優(yōu)化，通過CFD仿真計算得出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場、灰塵分離效率。

表1 設(shè)計目標(biāo)

2.1 數(shù)學(xué)模型

計算時將空氣作為連續(xù)相，灰塵顆粒作為離散相，采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型建立連續(xù)相和兩相流中的DPM模型耦合的控制方程組進(jìn)行計算。

2.1.1 連續(xù)相數(shù)學(xué)模型[4-5]

采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行計算。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程為：

(3)

ε方程為：

(4)

方程(3)和(4)中：Pk表示由速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Pb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中過渡的擴散產(chǎn)生的波動。其余經(jīng)驗系數(shù)見表2。

表2 經(jīng)驗系數(shù)表

2.1.2 離散相顆粒的控制方程

FLUENT中通過積分拉式坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。對每個單顆粒求解運動控制方程：

(5)

式中：vk為顆粒k的運動速度；mk為該顆粒的質(zhì)量； (∑F)k表示顆粒所受的合力。

顆粒的軌跡方程：

(6)

顆粒的運動方程為：

(7)

其中：FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力，并且：

(8)

在所有相間力中，曳力相對最重要。因為涉及離散相液滴崩裂的非穩(wěn)態(tài)流動模型，所以選用動態(tài)曳力模型，以液滴形狀變化的動態(tài)形式確定曳力系數(shù)。

球形曳力系數(shù)表達(dá)式：

Cd,sphere=0.424(Re>1 000)

(9)

(10)

非球形曳力系數(shù)表達(dá)式：

Cd=Cd,sphere(1-2.632y)

(11)

其中：y為液滴的變形值，由下式?jīng)Q定：

(12)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及CFD仿真計算

2.2.1 模型

按照車廠的安裝空間要求，在進(jìn)氣格柵后增加了導(dǎo)流筋，在進(jìn)氣道中增加兩個旋風(fēng)筒，并且在每個旋風(fēng)筒中安裝一個旋風(fēng)葉片，適當(dāng)增加底座下沉體積。新結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道

2.2.2 網(wǎng)格生成

由于新結(jié)構(gòu)不規(guī)則，故采用四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格數(shù)量為290萬左右。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2.3 邊界條件設(shè)置

流體相：連續(xù)相為空氣。

顆粒相：灰塵顆粒為ISO-A2細(xì)灰。

進(jìn)口邊界條件如表3所示，其中不同直徑顆粒的體積百分比如圖4所示。

圖4 灰塵直徑分布圖

出口邊界條件：出口定義為壓力出口。

壁面邊界條件：連續(xù)相采用無滑移固體壁面邊界條件，計算時為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；顆粒相在壁面處不滿足無滑移條件，設(shè)置與集塵臺壁面、底座底部壁面的碰撞類型為escape類型。

2.2.4 仿真結(jié)果及分析

(1)壓力分布

從圖5中可以看出：氣流經(jīng)過旋風(fēng)筒的壓降比較大，并且氣流在從格柵進(jìn)入后由于慣性向腔體的右側(cè)運動，由于在腔體中間增加了導(dǎo)流筋，使得左右兩側(cè)的旋風(fēng)筒內(nèi)的壓力分布比較均勻。

(2)速度分布

從圖6—7中可以看出：由于導(dǎo)流筋阻礙了氣流流動的方向，因此附近出現(xiàn)渦流，由于旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)，使得氣流沿進(jìn)口到出口方向的速度降低，增加了氣流的切向速度，底座經(jīng)過結(jié)構(gòu)改善后沉下去的體積更大了，因此出現(xiàn)更大的低速區(qū)，氣體流量更少。

圖6 截面的速度分布云圖

圖7 截面的速度分布矢量圖

(3)粒子噴射軌跡

通過觀察灰塵顆粒的運動軌跡，可以判斷不同直徑顆粒的分離效果，再通過加權(quán)算法計算出灰塵總的分離效率。

灰塵分離效率η計算公式為：

式中：m1為被格柵反彈的灰塵質(zhì)量；m2為收集在旋風(fēng)筒底部的灰塵質(zhì)量；m3為排塵口逸出的灰塵質(zhì)量；m為灰塵總質(zhì)量。

不同直徑灰塵分離效率如圖8所示。

從圖8—9可以看出：灰塵直徑越大，分離效率越大，直徑超過80 μm的灰塵，基本上100%被過濾掉了?；覊m顆粒隨氣流運動，灰塵顆粒在經(jīng)過旋風(fēng)葉片時甩到集塵臺里，并且分布到兩個旋風(fēng)筒的顆粒數(shù)量也比較均勻，這樣總的灰塵分離效率有所提高。

從以上各項仿真結(jié)果及表4來看，雙旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)有助于提高灰塵分離效率滿足設(shè)計目標(biāo)，可以進(jìn)行樣件制作。

圖8 不同直徑灰塵分離效率

圖9 不同直徑灰塵顆粒軌跡圖

壓力損失/kPa3.2總的灰塵分離效率/%85.8

3 新結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率的試驗

通過仿真驗證此結(jié)構(gòu)符合設(shè)計目標(biāo)，快速樣件制作完成后進(jìn)行了相關(guān)性能的試驗驗證?；覊m分離效率試驗臺如圖10所示， 灰塵分離效率試驗現(xiàn)場圖片如圖11所示。

圖10 灰塵分離效率試驗臺

圖11 灰塵分離效率試驗

在1 900 m3/h的工況下對前進(jìn)氣道進(jìn)行了兩次試驗，取平均值。從表5可以看出：總的灰塵分離效率達(dá)到82.3%，大于設(shè)計目標(biāo)80%，說明這種帶旋風(fēng)筒式的新結(jié)構(gòu)能明顯提高前進(jìn)氣道的除塵效果。

表5 灰塵分離效率試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)雙旋風(fēng)筒式新結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率比原結(jié)構(gòu)提高了將近23%，滿足了設(shè)計要求(≥80%)，并且流場穩(wěn)定，沒有明顯的渦流區(qū)，臺架驗證試驗也證明了這種新結(jié)構(gòu)的可行性。

(2)增加雙旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)后壓力損失會有一定的增大，但是灰塵分離效率有很好的提高，可以在保證分離效率的情況下再適當(dāng)對旋風(fēng)筒進(jìn)行改善，盡可能降低壓力損失。

(3)文中通過仿真與試驗相結(jié)合的方法對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，兩種結(jié)果的誤差控制在5%以內(nèi)，證明運用這種DPM的仿真模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的方法是可行的，可大量節(jié)省研發(fā)設(shè)計時間與費用，對以后的研究具有較大的參考意義。

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