盧進(jìn)軍， 孫 陽(yáng)， 喬夢(mèng)華， 王建東， 陳克新

(中國(guó)北方車輛研究所, 北京 100072)

特種車輛工作環(huán)境惡劣，主要活動(dòng)區(qū)域內(nèi)沙塵濃度高，在無(wú)保護(hù)情況下，沙塵顆粒被內(nèi)燃機(jī)吸入進(jìn)氣道，可對(duì)壓氣機(jī)葉輪直接造成嚴(yán)重傷害[1]，嚴(yán)重時(shí)可以造成活塞環(huán)與缸套磨損，即通常說(shuō)的“拉缸”.空氣過(guò)濾技術(shù)是目前解決內(nèi)燃機(jī)安全進(jìn)氣的第一選擇，特種車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為空氣濾清器，空氣濾清器的作用在于將含塵空氣中的沙塵顆粒過(guò)濾掉，將潔凈空氣供給內(nèi)燃機(jī)燃燒使用.通常大流量空氣濾清器分為兩級(jí)：粗濾階段和精濾階段.粗濾階段通常采用慣性分離技術(shù)，粒徑、質(zhì)量較大的粉塵在粗濾階段被分離;精濾階段通常采用物理過(guò)濾，分為攔截過(guò)濾和吸附過(guò)濾.過(guò)濾材料是精濾階段的核心部件，是過(guò)濾技術(shù)的“心臟”[1].

過(guò)濾材料主要有植物纖維、復(fù)合材料和功能性材料.過(guò)濾材料過(guò)濾的基本機(jī)理基于材料對(duì)顆粒的攔截效應(yīng)、慣性效應(yīng)、靜電效應(yīng)、擴(kuò)散效應(yīng)，或是幾種效應(yīng)的協(xié)同與綜合.目前出現(xiàn)的功能性空氣過(guò)濾材料是針對(duì)特定行業(yè)，如耐高溫、耐腐蝕、抗靜電、阻燃、抗菌(病毒)、清除有害氣體等，可反向吹掃自清潔重復(fù)利用的材料是近年來(lái)空氣過(guò)濾材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn).研究該型過(guò)濾材料的重要意義在于，當(dāng)車輛處于污染環(huán)境中，過(guò)濾材料因?yàn)榛覊m沉積，壓力降迅速升高，達(dá)到極限壓力點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)即需要保養(yǎng)，從而降低過(guò)濾材料壓力降，使空氣濾清器重新進(jìn)入工作狀態(tài)，通常這一保養(yǎng)過(guò)程由人工來(lái)完成.而當(dāng)采用新型過(guò)濾材料后，保養(yǎng)功能性部件可內(nèi)嵌入空氣濾清器內(nèi)部，達(dá)到臨界阻力時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，保養(yǎng)功能部件在濾清器內(nèi)部對(duì)濾芯進(jìn)行保養(yǎng)(如應(yīng)用高壓氣流進(jìn)行反向吹掃自清潔)，從而延長(zhǎng)濾清器人工保養(yǎng)時(shí)間間隔，達(dá)到“免維護(hù)”的目標(biāo).可自清潔過(guò)濾材料必須滿足3項(xiàng)基本要求：表面容塵能力高、反向透氣性好、壓力降升高緩慢[5].

構(gòu)建新型材料的基礎(chǔ)是明晰過(guò)濾材料構(gòu)成，以及不同要素構(gòu)成對(duì)過(guò)濾材料性能的影響，以便在構(gòu)造材料時(shí)調(diào)配材料形成要素，形成合理有效的過(guò)濾材料.傳統(tǒng)研究過(guò)程主要依據(jù)微觀測(cè)量與流量測(cè)試，無(wú)法建立復(fù)雜的基于實(shí)際材料結(jié)構(gòu)的模型，由于材料復(fù)雜的構(gòu)造特性，無(wú)法科學(xué)解析流體穿過(guò)纖維幾何體的機(jī)理，所以引入微觀建模軟件GeoDict，應(yīng)用基于改進(jìn)的Stokes-Brinkman方程的流場(chǎng)計(jì)算模塊和過(guò)濾特性計(jì)算模塊，通過(guò)微觀集合模型得到過(guò)濾材料的孔隙率、平均纖維直徑、流速-壓力降曲線和過(guò)濾效率，多次累計(jì)粒子沉積仿真還可以得到過(guò)濾材料容塵能力數(shù)值計(jì)算結(jié)果.本研究針對(duì)一種防水纖維濾紙，對(duì)材料進(jìn)行三維電鏡掃描，并將切片照片導(dǎo)入建模軟件中，形成三維的纖維模型，在理論研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用仿真軟件對(duì)過(guò)濾材料進(jìn)行仿真分析，得到了材料的過(guò)濾特性，并與性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.

1 仿真模型的構(gòu)建與仿真過(guò)程

通過(guò)掃描電鏡設(shè)備，生成過(guò)濾材料電鏡照片組，通過(guò)導(dǎo)入模塊導(dǎo)入軟件中，形成微觀過(guò)濾材料三維仿真模型.仿真模型在流場(chǎng)特性仿真模塊和過(guò)濾特性仿真模塊中，分別進(jìn)行流場(chǎng)特性仿真和過(guò)濾特性仿真，得到過(guò)濾在特定流場(chǎng)中的性能參數(shù)[2].

1.1 圖像的收集

所選樣品為某種防水拒油過(guò)濾紙，內(nèi)部代號(hào)為New-psu.材料掃描采用的是比利時(shí)生產(chǎn)的Sky scan 1074 Portable Micro—CT Scanner掃描儀，峰值電壓為120 kV，電流為1 500 A，功率為60 W，試驗(yàn)中每隔0.9 s對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)掃描.對(duì)樣品進(jìn)行連續(xù)掃描，并進(jìn)行MPR重構(gòu)得到樣品的三維圖像，然后在紙張的z向進(jìn)行等間距切割重構(gòu)，一共得到200張z向切片圖像.

分析軟件采用美國(guó)Media Cybernetics公司的Image Proclus Version 5.0版本.將采集好后的掃描圖像轉(zhuǎn)換成TIFF格式.

1.2 模型生成

過(guò)濾材料掃描后形成的TIFF格式照片組，通過(guò)GeoDict軟件中的import module工具導(dǎo)入到軟件中，累積形成過(guò)濾材料三維模型，生成三維模型后需進(jìn)行模型圖像的處理.首先進(jìn)行平均濾波，除去噪聲；然后用媒體過(guò)濾器對(duì)圖像進(jìn)行銳化過(guò)濾處理，減少背景干擾，提高圖像對(duì)比度；最后進(jìn)行高斯處理，進(jìn)行圖像糾正，形成如圖1所示的微觀三維模型，并在材料模型的厚度方向加入100個(gè)空白網(wǎng)格厚度作為流場(chǎng)計(jì)算域使用[3].

圖1 仿真軟件生成的三維模型

1.3 仿真流程

仿真模型生成后，首先在軟件中應(yīng)用CFD方法求解材料的流場(chǎng)特性計(jì)算，通常應(yīng)用FlowDict模塊計(jì)算流體通過(guò)材料模型得到模型的性能參數(shù)，如在特定流體介質(zhì)穿透下的壓力降、流阻和滲透率.其次，應(yīng)用FilterDict工具對(duì)模型進(jìn)行流場(chǎng)下加入粉塵粒子仿真，以期得到過(guò)濾材料模型對(duì)指定粒子的過(guò)濾效率數(shù)據(jù)，如果多次循環(huán)加粒子進(jìn)行效率仿真，還可以得到模型對(duì)粒子的容塵能力仿真結(jié)果[4].

在進(jìn)行材料模型仿真計(jì)算之前，應(yīng)明確計(jì)算模型邊界條件，如進(jìn)口或出口流速、粒子直徑和質(zhì)量分布等仿真輸入，將空氣濾清器的總流量折合到單位面積濾材上，可以計(jì)算得到過(guò)濾材料的平均面流速，約為0.055 m/s，入流方向?yàn)?z方向，粉塵粒子質(zhì)量與體積分布采用ISO12103-A4 coarse dust粉塵，其分布符合ISO-12103標(biāo)準(zhǔn)，過(guò)濾材料仿真模型實(shí)際面積為1.46 cm2，靜態(tài)表面電量為1×10-6C/m2，測(cè)試灰塵的濃度為0.001 g/l.單次加塵一簇粒子數(shù)量為675 453個(gè)，累計(jì)加灰數(shù)量為10簇.邊界條件設(shè)置完畢后，設(shè)定計(jì)算精度、迭代次數(shù)、解算器種類等，開始計(jì)算.

過(guò)濾材料可視化仿真流程如圖2所示.該流程圖包括材料模型的創(chuàng)建、仿真、優(yōu)化和驗(yàn)證的全過(guò)程，是優(yōu)化開發(fā)新型過(guò)濾材料的仿真路線圖[5].

圖2 過(guò)濾材料可視化設(shè)計(jì)流程圖

2 仿真結(jié)果

在流場(chǎng)特性仿真過(guò)程中，實(shí)際仿真濾紙?jiān)谝?guī)定流速下仿真得到初始?jí)毫禐?7.46 Pa，經(jīng)過(guò)解算得到的滲透率為 0.99，過(guò)濾性能仿真計(jì)算后，材料對(duì)第一簇粒子的過(guò)濾效率即原始過(guò)濾效率為99.51%.

圖3為仿真過(guò)程中流體通過(guò)過(guò)濾材料時(shí)的速度流線圖.從圖中可以看出，流體以速度0.055 m/s從濾材上表面進(jìn)入濾材，在濾材內(nèi)部纖維中穿過(guò).由于濾材纖維的排布，流體因不斷收到阻擋變向，氣流速度不斷升高，其最高值達(dá)到了1.5 m/s.根據(jù)氣流速度與流體阻力的關(guān)系式，可以反映出材料阻力的變化規(guī)律，氣流從過(guò)濾材料底面流出材料后，根據(jù)流體仿真計(jì)算所遵循的第一守則——質(zhì)量守恒定律，氣流恢復(fù)均勻，其流速由高降低，最終恢復(fù)到0.055 m/s.

圖3 流體通過(guò)過(guò)濾材料速度流線圖

圖4為單次加灰后流體通過(guò)過(guò)濾材料的速度曲線.從圖中可以看到，不同粒徑的粒子以一簇的形式在流體的作用下噴向過(guò)濾材料.其中粒徑較大的粒子直接被攔截在濾材外表面，通常稱之為表面過(guò)濾狀態(tài)；粒徑較小的一部分進(jìn)入過(guò)濾材料內(nèi)部，被過(guò)濾材料的纖維組織攔截，粒徑由大到小附著在纖維的表面，這一狀態(tài)稱之為深度過(guò)濾狀態(tài).粒徑更小的一部分粒子，則在氣流的作用下穿過(guò)了過(guò)濾材料，沉積在流體仿真區(qū)域的底面上，這一部分的粒子是過(guò)濾后的粒子，其質(zhì)量與粒子總質(zhì)量之比可以得到單次過(guò)濾的質(zhì)量過(guò)濾效率，其數(shù)量與單簇粒子總數(shù)量之比可以得到單次過(guò)濾的顆粒數(shù)量過(guò)濾效率.

圖4 單次加灰后流體通過(guò)過(guò)濾材料的速度流線圖

圖5為單次加灰后過(guò)濾材料空間中粒子的分布狀態(tài)圖.該圖去除了過(guò)濾材料纖維和流線的顯示，只留下不同沉積狀態(tài)的粒子.從圖中可以更清晰地看到，粒徑由大到小從初始的表面過(guò)濾，進(jìn)入深度過(guò)濾，最后一部分小粒徑粒子通過(guò)過(guò)濾材料進(jìn)入材料后部.

圖5 粒子單次過(guò)濾后在過(guò)濾材料流場(chǎng)中的分布圖

圖6為過(guò)濾材料多次加粉塵進(jìn)行過(guò)濾過(guò)程仿真的效果圖.顯示了過(guò)濾材料模型從無(wú)粉塵沉積到堵塞的過(guò)程，粒子在模型中的體積分量逐步增大，可以概括出粒子沉積的3個(gè)過(guò)程：1)大多數(shù)粒子進(jìn)入過(guò)濾材料內(nèi)部并被捕獲，這是深度過(guò)濾階段;2)濾材表面積聚一層粒子，濾餅開始形成，表面過(guò)濾效果增強(qiáng)，濾餅加厚;3)濾餅過(guò)濾效果達(dá)到最大，粒子不能通過(guò)濾餅進(jìn)入到模型內(nèi)部，這時(shí)過(guò)濾材料阻力進(jìn)入迅速增長(zhǎng)，進(jìn)入堵塞階段.3種狀態(tài)的加灰量-壓力降曲線如圖7所示.

圖6 多次加灰后粉塵在過(guò)濾材料表面與內(nèi)部堆積效果圖

圖7 過(guò)濾過(guò)程3種狀態(tài)的加灰量-壓力降曲線

通過(guò)多次過(guò)濾過(guò)程計(jì)算得到了粒子沉積量與過(guò)濾效率變化的對(duì)應(yīng)曲線以及粒子沉積量與模型壓力降的對(duì)應(yīng)曲線.在后文的過(guò)濾材料試驗(yàn)中，要與過(guò)濾材料加灰過(guò)程的阻力變化與效率變化情況進(jìn)行對(duì)比分析.

3 過(guò)濾材料性能測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比

過(guò)濾材料性能試驗(yàn)臺(tái)符合GB/T 6719:2009和ISO 11057: 2011等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能完成濾料潔凈、老化、穩(wěn)定過(guò)程的阻力、效率、容塵能力等綜合性能測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示.

圖8 過(guò)濾材料性能試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)過(guò)程包括過(guò)濾材料流場(chǎng)性能測(cè)試、過(guò)濾材料針對(duì)定量粉塵的過(guò)濾效率性能測(cè)試和過(guò)濾材料在多次加入試驗(yàn)粉塵條件下的容塵能力測(cè)試.同樣，設(shè)定流速為0.055 m/s，過(guò)濾材料在設(shè)定流速下試驗(yàn)得到初始?jí)毫禐?9.08 Pa，經(jīng)過(guò)解算得到的滲透率為0.98，試驗(yàn)中添加標(biāo)準(zhǔn)ISO12103-A4 coarse dust粉塵，進(jìn)行過(guò)濾性能試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)粒子數(shù)采集分析，可以得到材料對(duì)定量ISO12103-A4 coarse dust粉塵粒子的過(guò)濾效率即原始過(guò)濾效率為99.64%.濾材多次加灰試驗(yàn)，記錄濾材兩端壓力降變化，同時(shí)監(jiān)測(cè)濾材試驗(yàn)下游通道中的粒子濃度和粒徑分布.

將試驗(yàn)得到的灰塵沉積量-壓力降曲線和灰塵沉積量-質(zhì)量過(guò)濾效率以及灰塵沉積量-計(jì)數(shù)過(guò)濾效率曲線與仿真過(guò)程得到的同類型曲線進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9～圖11所示.

圖9 過(guò)濾材料灰塵沉積量-壓力降試驗(yàn)數(shù)據(jù)與 仿真數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

圖10 過(guò)濾材料灰塵沉積量-質(zhì)量過(guò)濾效率 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

圖11 過(guò)濾材料灰塵沉積量-計(jì)數(shù)過(guò)濾效率 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

圖9為壓力降數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果隨灰塵沉積量增加而變化的對(duì)比圖，數(shù)值結(jié)果是通過(guò)3次仿真計(jì)算平均值得到的.實(shí)際測(cè)試結(jié)果曲線是多點(diǎn)測(cè)試并后期擬合得到的，因?yàn)樵趯?shí)際試驗(yàn)中，氣流不能像仿真過(guò)程那樣始終保持在一個(gè)恒定值，隨著粉塵在材料中堆積的越來(lái)越多，氣流通道越來(lái)越窄，單位面積流速升高.所以，在對(duì)比過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)壓力降數(shù)據(jù)依據(jù)初始與終了氣流速率做了處理.在深度過(guò)濾與表面過(guò)濾階段，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果達(dá)到了很好的一致性.在堵塞階段，試驗(yàn)材料壓力降增長(zhǎng)速度略高于仿真過(guò)程，原因可能在于仿真過(guò)程的細(xì)微纖維在掃描形成照片后，在圖像處理階段被處理掉了，而在實(shí)際材料中這些細(xì)纖維是發(fā)揮作用的，特別是在堵塞過(guò)濾階段，濾餅過(guò)濾后的微小顆粒很容易被細(xì)纖維捕獲，而這一效應(yīng)在仿真階段是被忽略的，所以，試驗(yàn)得到的阻力在堵塞階段要大于仿真數(shù)值，綜合分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的壓力降平均誤差低于10%.

圖10、圖11中過(guò)濾效率隨灰塵沉積量變化，無(wú)論是質(zhì)量過(guò)濾效率還是計(jì)數(shù)過(guò)濾效率，其趨勢(shì)都是隨著灰塵沉積量的增加，過(guò)濾效率逐步增加.試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)在趨勢(shì)是完全一致的，數(shù)據(jù)上也達(dá)到了一定的一致性，具體表現(xiàn)在試驗(yàn)效率略高于仿真數(shù)據(jù).主要原因在于為了計(jì)算量的考慮，仿真過(guò)程的數(shù)學(xué)模型采用了降噪處理后的照片，使得有一部分細(xì)微的材料構(gòu)造部分被忽略掉了，而在實(shí)際過(guò)濾過(guò)程中，這一部分是起作用的，而且其作用是逐步增強(qiáng)的.因?yàn)橄鄬?duì)于粉塵顆粒來(lái)說(shuō)，小顆粒更容易被細(xì)微的纖維捕集.但是由于仿真模型大部分還原了真實(shí)過(guò)濾材料結(jié)構(gòu)特性，故試驗(yàn)過(guò)程和仿真計(jì)算得到的濾清效率值，其誤差扔處于可以接受的范圍內(nèi).

4 結(jié) 論

為了研究過(guò)濾材料的構(gòu)造特性在材料性能中所表現(xiàn)出來(lái)的影響，從而在材料結(jié)構(gòu)研究中合理調(diào)配材料纖維要素，構(gòu)造合理有效的過(guò)濾材料，滿足特殊的使用要求，那么需要在傳統(tǒng)研究過(guò)程即微觀測(cè)量、流量測(cè)試和容塵測(cè)試之前，構(gòu)造材料的三維仿真結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真的方法，對(duì)材料的性能進(jìn)行估計(jì).

依據(jù)SkyScan電鏡掃描設(shè)備和GeoDict軟件建立復(fù)雜的基于實(shí)際材料結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用流體力學(xué)計(jì)算模型，解析流體穿過(guò)纖維幾何體的滲透特性和流阻特性，考慮粒子與虛擬纖維的作用模式，計(jì)算材料模型在虛擬粒子的作用下，材料的過(guò)濾效率特性和容塵能力特性.結(jié)果表明，仿真計(jì)算結(jié)果與材料的試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，誤差均控制在10%以下.

另外，通過(guò)某一過(guò)濾材料特性的建模仿真與試驗(yàn)室試驗(yàn)研究，建立了一種過(guò)濾材料可視化優(yōu)化設(shè)

計(jì)的設(shè)計(jì)流程.可以在新型高效低阻長(zhǎng)壽命周期空氣濾清器的研發(fā)過(guò)程中，突破靠選型進(jìn)行優(yōu)化配置過(guò)濾材料的困境，這一新型研發(fā)流程的建立，可以顯著降低材料加工投入和試驗(yàn)成本，加速新材料優(yōu)化研發(fā)進(jìn)程.