孟萌，張秀娟,金苗

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

柴油機(jī)因擁有熱效率高、動(dòng)力強(qiáng)勁、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，但是，在某廠印尼項(xiàng)目中出現(xiàn)了工作現(xiàn)場(chǎng)的油煙較大，而且無法散開，導(dǎo)致柴油機(jī)中冷器吸入了大量的油污，堵塞其散熱片，造成空氣濾清器被抽癟，嚴(yán)重地影響了柴油機(jī)工作效能，帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，從而找到空氣濾清器被抽癟的原因是十分有必要的.目前，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的研究主要集中在空氣濾清器內(nèi)部流場(chǎng)分析[1]、濾芯結(jié)構(gòu)和濾芯材料研究[2-3]，進(jìn)氣道的綜合評(píng)價(jià)參數(shù)、流動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-8]，以及渦輪增壓器的渦輪流場(chǎng)、溫度場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等[9-10].然而，對(duì)整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行全面分析找出空氣濾清器抽癟原因的研究還未見報(bào)道.本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論，采用CREO3.0軟件建立正常工況和故障工況下進(jìn)氣系統(tǒng)的三維模型，導(dǎo)入到ANSYS FLUENT軟件中進(jìn)行流場(chǎng)分析，獲得進(jìn)氣系統(tǒng)的流場(chǎng)跡線圖、速度云圖和壓力分布云圖，并把流場(chǎng)分析結(jié)果作為空氣濾清器流固耦合分析的載荷條件導(dǎo)入到ANSYS WORKBENCH軟件中，分析空氣濾清器的應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況，并與某廠印尼項(xiàng)目中故障空氣濾清器進(jìn)行比對(duì)，從而找出空氣濾清器抽癟原因.

1 理論研究基礎(chǔ)

1.1 流場(chǎng)分析理論

根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析理論[11]，離散后的連續(xù)性方程與動(dòng)量方程分別為：

(ρuΔy)e-(ρuΔy)w+(ρuΔy)n-(ρuΔy)s=0

(1)

(2)

式中：ρ為密度；u為速度矢量；Δy為方向變化量；e、w、n、s為二維四個(gè)方向；動(dòng)量方程中pp-pE、pp-pn可以用來計(jì)算作用在速度u的控制容積上的壓力合力；de、dn為面積與質(zhì)量源的比值；ue、vn為方向速度；ue*、vn*為速度修正量；根據(jù)方程(2)得到壓力場(chǎng)，代入動(dòng)量方程得到相應(yīng)的速度.

1.2 流固耦合分析理論

由于流體流動(dòng)引起固體振動(dòng)、移動(dòng)的固體控制方程[11]為：

(3)

在進(jìn)行流固耦合分析時(shí)，耦合交界面處的流體和固體需要滿足相應(yīng)的守恒定律：

τf·nf=τs·ns

(4)

df=ds

(5)

式中,τf和τs分別是流體和固體的應(yīng)力；df和ds分別為流體和固體位移；ns和nf為固體和流體微元.

2 進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)分析

在ANSYS FLUENT軟件中對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行正常工況和故障工況的流場(chǎng)分析，獲得了其流動(dòng)跡線圖、速度云圖和壓力云圖，為空氣濾清器流固耦合分析做準(zhǔn)備.

2.1 有限元模型建立

如圖1所示，柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型包括進(jìn)氣道、空氣濾清器、渦輪增壓器和中冷器四部分.渦輪增壓器的計(jì)算域也就是氣體流經(jīng)渦輪葉片的區(qū)域，首先進(jìn)行渦輪增壓器的實(shí)體建模，然后運(yùn)用布爾運(yùn)算將整個(gè)區(qū)域與實(shí)體模型做相交運(yùn)算，然后減去相交部分，剩下的部分為渦輪增壓器流體區(qū)域.進(jìn)氣道采用對(duì)數(shù)螺線螺旋室，氣道曲線如式(6)所示，喉口突出高度為5 mm，喉口直徑為32mm，入口高度為42 mm，入口寬度為32 mm，螺旋室高度為40 mm，螺旋包角為260°[4]；渦輪增壓器[10]葉輪為封閉式葉輪，葉片為前傾后彎型，葉輪內(nèi)、外徑分別為35 mm和46 mm，總高度為52 mm，底座厚度為2 mm，底座直徑為85 mm.葉片高度為49 mm，弧度半徑為30 mm，葉片數(shù)為15片.葉片內(nèi)徑為90 mm，外徑為125 mm，厚度為20mm，葉槽弧徑為15 mm，葉槽弦長為20 mm；空氣濾清器[12]濾芯外徑為300 mm，內(nèi)徑為190 mm，高度為458 mm，厚度為2.5 mm，濾芯折褶角為3.5°，濾片片數(shù)為40.中冷器[9]的流道直徑12mm，進(jìn)出口高度和直徑為70 mm和40 mm，厚度和寬度為22 mm和288 mm，長度為270 mm，流道長度為240 mm，外端弧徑為50 mm.

(a)正常工況 (b)故障工況

(6)

正常工況下，流場(chǎng)分析模型如圖1(a)所示，進(jìn)口壓力為101 kPa，出口壓力為33.5 kPa，流體介質(zhì)采用不可壓縮氣體，壁面設(shè)定為絕熱無滑移，在渦輪增壓器內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)域和靜止域交接面處，采用interface邊界條件將渦輪增壓器壓氣機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)為100 500 rad/s[7].故障工況時(shí)，根據(jù)某廠項(xiàng)目的實(shí)際工況，中冷器散熱片被油污堵塞，氣體無法進(jìn)入進(jìn)氣道，因此，建立模型時(shí)，如圖1(b)所示，進(jìn)氣道部分被去除，空氣濾清器的進(jìn)口壓力為101 kPa，中冷器出口壓力為0，中冷器內(nèi)部壁面設(shè)定為絕熱無滑移，葉輪轉(zhuǎn)速為100 500 rad/s，在渦輪增壓器內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域交接面處，采用interface邊界條件，流體介質(zhì)為空氣，密度為1.225 kg/m3[8].

2.2 流場(chǎng)分析結(jié)果

正常工況下流場(chǎng)分析結(jié)果表明氣體由空氣濾清器進(jìn)入渦輪增壓器和中冷器，最終進(jìn)入進(jìn)氣道，各特征位置的氣體速度和壓力如表1所示，氣體從空氣濾清器流出，進(jìn)入渦輪增壓器后，在葉輪的推動(dòng)下，壓力和速度增高，流入中冷器進(jìn)行冷卻，由于螺旋進(jìn)氣道曲面較為復(fù)雜，因此氣體的流動(dòng)不穩(wěn)定，氣門處的流體截面面積的突變導(dǎo)致氣門附近的速度較大.進(jìn)氣系統(tǒng)最大壓力和最大流速均發(fā)生于渦輪增壓器壓氣機(jī)的葉輪葉片處，其值分別為550 m/s 和155 kPa.

表1 進(jìn)氣系統(tǒng)各組件的氣體速度值和動(dòng)壓力值

故障工況的流場(chǎng)分析結(jié)果表明氣體通過中冷器倒流至渦輪增壓器，在增壓器轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪的離心力作用下加速的氣體順著渦殼流道被推入到空氣濾清器中，氣體出現(xiàn)了逆向流動(dòng)現(xiàn)象，且氣體的流動(dòng)速度從中冷器經(jīng)渦輪增壓器到空氣濾清器數(shù)值呈遞減趨勢(shì)；系統(tǒng)的最大速度發(fā)生于渦輪增壓器中，數(shù)值為515 m/s.故障工況下分析結(jié)果最大壓力發(fā)生在渦輪增壓器葉輪處，其值為141 kPa.空氣濾清器出口壓力也較大，其值為98.9 kPa，而進(jìn)口壓力為49.4 kPa.這說明由于系統(tǒng)內(nèi)的氣體逆向流動(dòng)，使得空氣濾清器內(nèi)產(chǎn)生了較大的負(fù)向壓差.

3 空氣濾清器流固耦合分析

通過在ANSYS FLUENT軟件中對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行正常工況和故障工況的流場(chǎng)分析，獲得了兩種工況下空氣濾清器的靜壓力分布情況，將其導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件中，進(jìn)行空氣濾清器流固耦合分析.

3.1 分析模型建立

其流固耦合有限元分析模型如圖2所示，濾清器的濾芯為纖維紙，其密度為1.25 kg/m3，泊松比為0.16，楊氏模量為18.9 GPa，屈服強(qiáng)度為44.1 MPa，抗拉強(qiáng)度為83.4 MPa；濾網(wǎng)為不銹鋼，屈服強(qiáng)度σs為205 MPa，抗拉強(qiáng)度σb為520MPa，密度為7 900 kg/m3，泊松比為0.305，楊氏模量為190 GPa.兩種工況的流固耦合分析的邊界條件相同，濾清器內(nèi)壁設(shè)為流固耦合面，然后選擇CFD Surface為流體壁面Wall，對(duì)其入口截面施加全約束.

(a)故障工況載荷 (b)正常工況載荷 (c)邊界條件

3.2 分析結(jié)果

正常工況下濾清器的等效應(yīng)力分析結(jié)果，各處最大等效應(yīng)力數(shù)值如表2所示，濾網(wǎng)處等效應(yīng)力值最大，其值為105.03 MPa，未超出濾網(wǎng)材料的屈服極限205 MPa，故濾清器未發(fā)生塑性變形.各特征位置的等效應(yīng)變值如表2所示，濾網(wǎng)的等效應(yīng)變最大，數(shù)值為0.002 0.

表2 正常工況濾清器各位置等效應(yīng)力和應(yīng)變值

故障工況濾清器的等效應(yīng)力分析結(jié)果，各處最大等效應(yīng)力數(shù)值如表3所示，濾網(wǎng)處等效應(yīng)力值最大，其值為465.97 MPa，已經(jīng)超出濾網(wǎng)材料的屈服極限205 MPa，故濾網(wǎng)發(fā)生了較大的塑性變形.故障工況下濾清器各特征位置的等效應(yīng)變值如表3所示，濾網(wǎng)的等效應(yīng)變最大，數(shù)值為0.0026.從分析結(jié)果可以看出濾清器中部的濾芯發(fā)生了較大的塑性變形，變形量已經(jīng)達(dá)到0.774mm.這與某廠印尼項(xiàng)目的濾清器被抽癟的實(shí)際工況相符，現(xiàn)場(chǎng)抽癟的濾清器如圖3所示.

表3 濾清器各位置等效應(yīng)力和應(yīng)變值

圖3 現(xiàn)場(chǎng)抽癟的濾清器

4 結(jié)論

通過對(duì)正常工況和故障工況進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)分析和流固耦合分析對(duì)比，可知某廠印尼項(xiàng)目的濾清器被抽癟的原因,在于柴油機(jī)工作時(shí)，產(chǎn)生了很多油煙，且無法散開，導(dǎo)致中冷器散熱裝置吸入了大量的油污.油泥堵塞了中冷器的散熱片，造成進(jìn)氣系統(tǒng)中的氣體無法進(jìn)入進(jìn)氣道，從而產(chǎn)生了逆向流動(dòng).氣體通過渦輪增壓器進(jìn)入空氣濾清器，使得濾清器承受較大的負(fù)向壓力，發(fā)生了較大的塑性變形，嚴(yán)重時(shí)甚至被抽癟了.本文的研究對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)有一定的理論意義.