張清奎,王棟,*,徐敏,張學(xué)龍,程家磊,汪祥支
(1.安徽華菱汽車有限公司,安徽 馬鞍山 243061; 2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002)
汽車尾氣中含有大量顆粒物,隨意排放必將對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。將進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣通過空氣濾清器進(jìn)行過濾,得到的清潔空氣可以使燃料燃燒得更充分,排放的汽車尾氣中所含的顆粒物就會(huì)減少。此外,發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的磨損也會(huì)得到減輕,進(jìn)而延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[1-2]。但同時(shí),空氣濾清器也會(huì)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗,為此,眾多學(xué)者設(shè)法通過改進(jìn)空氣濾清器的結(jié)構(gòu)來獲得更小的壓力損失[3-4]。
AL-sarkhi等[5]通過在入口處加導(dǎo)管的方式來獲得更均勻地空氣濾清器速度場。趙樹恩等[6]將空氣濾清器出口處的端管由直拐角改成了圓滑倒角,同時(shí)將入口管位置下移,發(fā)現(xiàn)其壓力損失降低了7.97%。也有部分學(xué)者對空氣濾清器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化展開了研究,張惠等[7]在空氣濾清器濾芯內(nèi)部增加了一個(gè)喇叭口結(jié)構(gòu),喇叭口與出氣口相通,研究發(fā)現(xiàn),此舉可以改善內(nèi)部流場的均勻性,且能降低7%的壓力損失。何志霞等[8]在空氣濾清器的內(nèi)部增設(shè)了插入管結(jié)構(gòu)和內(nèi)置擋板結(jié)構(gòu),研究結(jié)果表明:插入管結(jié)構(gòu)和內(nèi)置擋板結(jié)構(gòu)均會(huì)破壞濾芯處流場的均勻性,但插入管結(jié)構(gòu)可降低壓力損失,而內(nèi)置擋板結(jié)構(gòu)卻會(huì)增加壓力損失。
除采用數(shù)值模擬來研究以外,也有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)對空氣濾清器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。李榮軍[9]對底部開口處增加排塵結(jié)構(gòu)的空氣濾清器進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)測試,測試結(jié)果表明,排塵結(jié)構(gòu)的增加可以有效提升過濾效率且減少壓損。盧進(jìn)軍等[10]對沙漠型空氣濾清器的過濾效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試,效率值為85.3%,然后在沙漠地區(qū)進(jìn)行實(shí)地測量,效率值為84.2%,二者相差很小。宋鈞[11]設(shè)計(jì)了一款新型空氣濾清器,并對壓力損失、過濾效率、使用壽命等性能指標(biāo)進(jìn)行了測試,結(jié)果表明各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足要求。
從現(xiàn)有的研究成果來看,更多的工作是針對空氣濾清器外殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,而從改進(jìn)內(nèi)部空腔的角度來解決問題的研究相對較少。因此,本文提出了一種帶錐體結(jié)構(gòu)的新型汽車空氣濾清器,其不僅可以降低壓力損失,還能提高過濾效率和減小體積。
對于現(xiàn)有的傳統(tǒng)空氣濾清器,其過濾效率與壓力損失難以兼顧,通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)提升了過濾效率也會(huì)相應(yīng)增加壓力損失,特別對于重型車,進(jìn)氣的壓力損失非常大。除此之外,濾清器中濾芯容易破損,這導(dǎo)致了產(chǎn)品壽命較短,不斷更換濾芯,也增加了車輛的保養(yǎng)成本。
為解決傳統(tǒng)空氣濾清器中客觀存在的上述問題,本文提出了在內(nèi)部增加錐體結(jié)構(gòu)來構(gòu)建一種新型濾清器的設(shè)想,其幾何模型如圖1所示。圖2為新型空氣濾清器的實(shí)物照片。當(dāng)空氣從濾清器的入口進(jìn)入后形成旋流,一部分會(huì)分散到主濾芯的四周,該部分空氣通過主濾芯進(jìn)行過濾,清潔空氣進(jìn)入濾筒內(nèi)部,進(jìn)而由出口排出;另一部分空氣流入到濾清器的底部,該部分氣體的過濾任務(wù)由錐體結(jié)構(gòu)承擔(dān),最后再通過出口排出。很顯然,這種過濾方式可有效增加過濾面積,對過濾效率的提升提供幫助,還能減低壓力損失。此外,過濾面積的增加也減小了單位面積濾芯的過濾負(fù)荷,客觀上會(huì)延長其使用壽命。
圖2 新型空氣濾清器的實(shí)物照片
建模時(shí),做了如下假設(shè):空氣為定常、不可壓縮流體;流體物性與濾芯(多孔介質(zhì))的分布為各向同性;恒溫流動(dòng)、無換熱。
計(jì)算內(nèi)部氣相流場時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,滿足下式:
式中:xi、xj為位移矢量,m;ρ為流體的密度,kg/m3;ui、uj為速度矢量,m/s;υ為運(yùn)動(dòng)粘度,m2/s;p為流體壓力,Pa;i和j為張量指標(biāo),取值范圍為(1,2,3)。
濾紙采用多孔介質(zhì)模型,在方程(2)中加入動(dòng)量源項(xiàng),可得出空氣流過濾芯過程中的壓力損失[12]。
式中:α為多孔介質(zhì)滲透率;C2為慣性阻力因子;μ為動(dòng)力黏度,Pa·s。
模擬時(shí),利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分??紤]到錐體結(jié)構(gòu)中包含有部分曲面,同時(shí),研究的重點(diǎn)為錐體濾芯和主濾芯,所以,劃分網(wǎng)格時(shí)對該類部件進(jìn)行了加密處理,而壁面等非重點(diǎn)區(qū)域相對稀疏,最終的網(wǎng)格模型如圖3所示。
圖3 網(wǎng)格模型
依據(jù)工程實(shí)際情況,濾清器的進(jìn)氣量取1500m3/h,進(jìn)氣口直徑為170mm,可計(jì)算得出雷諾數(shù)Re=2×105>2000,為湍流,故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型。
邊界條件為:入口為速度入口;出口為壓力出口,取0Pa[13];壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理,壁面無滑移邊界條件。
圖4給出了兩種空氣濾清器的速度云圖。具有一定初速度的氣流進(jìn)入到濾清器時(shí),必然會(huì)對濾芯產(chǎn)生沖擊,一定時(shí)間后,就會(huì)造成濾芯破損。由圖4可以看出,相比于傳統(tǒng)濾清器,新型濾清器由于增加了一個(gè)椎體結(jié)構(gòu),減小了風(fēng)速,這將使得濾芯的壽命得到延長。此外,由圖4還可以看出,傳統(tǒng)濾清器的殼體四周,氣流的速度分布很不均勻,而增加了椎體結(jié)構(gòu)以后,起到了分流作用,很好地改善了均勻性,這也意味著氣流得到了更好的分布,充滿了整個(gè)濾清器,過濾效率將會(huì)得到提升。
圖4 兩種空氣濾清器的速度云圖
圖5 給出了兩種濾清器靜壓分布云圖。由圖5可以看出,對于傳統(tǒng)濾清器,氣流從入口處進(jìn)入后,分布到了殼體周圍,壓力較高,當(dāng)通過濾芯后,由于阻力較大,產(chǎn)生明顯壓力損失,氣體在排出濾清器時(shí),由于出口處截面突然變小,氣流的靜壓轉(zhuǎn)變成動(dòng)壓,壓力減小。而在濾清器增加了椎體結(jié)構(gòu)以后,加快了氣流擴(kuò)散,減少了氣體聚集,壓力分布明顯更為均勻。
圖5 兩種空氣濾清器的靜壓分布云圖
圖6 顯示了不同進(jìn)氣量條件下,兩種空氣濾清器的壓力損失對比情況。由圖6可知,隨著進(jìn)氣量的增加,兩種濾清器的壓力損失都在變大,但新型濾清器的壓力損失明顯更小,大約是傳統(tǒng)濾清器的80%。這是由于增加了增加錐體結(jié)構(gòu)后,使得氣流可擴(kuò)散到濾清器的四周及底部,可以充分地利用濾芯進(jìn)行過濾,相當(dāng)于增大了過濾面積;同時(shí),椎體結(jié)構(gòu)本身也是由濾芯構(gòu)成,進(jìn)一步增加了過濾面積。過濾面積的增加必然會(huì)減小過濾時(shí)的風(fēng)速,進(jìn)而降低了過濾時(shí)的壓力損失。
綜合以上的分析可知,錐體結(jié)構(gòu)的增加可以產(chǎn)生2方面的效果:提高流場均勻性;降低壓力損失。
圖6 兩種濾清器的壓力損失
根據(jù)汽車行業(yè)空氣濾清器試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)[14],在實(shí)驗(yàn)臺上對空氣濾清器進(jìn)出口的壓力損失進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,以驗(yàn)證本文數(shù)值計(jì)算方法的可行性與準(zhǔn)確性。試驗(yàn)臺主要由抽氣設(shè)備、空氣流量測量系統(tǒng)、空氣流量控制系統(tǒng)、靜壓和壓力降測量系統(tǒng)、空氣濾清器等組成,如圖7所示。根據(jù)壓力損失的定義,當(dāng)空氣流過總成之時(shí),壓力損失就是其上、下游規(guī)定測壓點(diǎn)處管道內(nèi)氣流的全壓差。因此,在確定壓力損失時(shí),先確定被試總成上、下游測壓點(diǎn)之間的全壓值。
圖7 進(jìn)氣總成綜合實(shí)驗(yàn)裝置
圖8 新型空氣濾清器實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比
圖8 顯示了新型空氣濾清器壓力損失的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比情況,很顯然,隨著進(jìn)氣量的增加,壓力損失也在增加,模擬值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢一致,但存在著一定誤差,誤差大小不超過11.32%。這也表明:采用k-ε模型及多孔介質(zhì)模型對空氣濾清器流場進(jìn)行模擬具有可行性。
(1)本文提出了的帶有內(nèi)部錐體結(jié)構(gòu)的新型空氣濾清器可提升流場的均勻性,這有利于提高過濾效率,減小過濾負(fù)荷,延長產(chǎn)品使用壽命;
(2)新型空氣濾清器可顯著降低壓力損失,降幅可達(dá)20%;
(3)采用k-ε模型及多孔介質(zhì)模型對空氣濾清器流場進(jìn)行模擬具有可行性,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間誤差不超過11.32%。