曹海宇，李明華，徐洪斌，陳克新

(中國(guó)北方車(chē)輛研究所， 北京 100072)

1 引言

狹長(zhǎng)梯形濾芯具有更高的容塵量體積比，在緊湊車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，但其狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為脈沖清灰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)難度。常規(guī)的圓形濾筒由于其更大的氣流擴(kuò)散空間，濾筒軸向天然的均勻性清灰特性，其噴吹機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更為容易，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)圓形濾筒噴吹機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究、仿真研究以及性能優(yōu)化，其主要有拉瓦爾噴嘴類(lèi)[1]、錐形散射器類(lèi)[2]、多孔材料散射類(lèi)[3]以及文氏引流管[4]等類(lèi)型，其設(shè)計(jì)理念均為將高壓超音速氣流迅速散射成錐形結(jié)構(gòu)并在濾筒內(nèi)部施加清灰力[5]。一種典型結(jié)構(gòu)的圓筒濾芯用脈沖反吹清灰噴嘴結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型結(jié)構(gòu)的圓筒濾芯用脈沖反吹清灰噴嘴 結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于狹長(zhǎng)梯形濾芯，圓筒濾芯成熟的噴嘴結(jié)構(gòu)完全不能通用。狹長(zhǎng)梯形濾芯氣流擴(kuò)散空間小，噴吹機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，噴吹效果難以實(shí)現(xiàn)與圓筒濾芯等同的水平，特別是在本研究的高緊湊空間下，更難以實(shí)現(xiàn)較好的噴吹效果，故開(kāi)發(fā)適合于狹長(zhǎng)梯形濾芯的清灰噴嘴有較高的實(shí)用價(jià)值。

結(jié)合濾芯狹長(zhǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文選擇了長(zhǎng)錐雙側(cè)開(kāi)孔噴嘴(a)、直管+導(dǎo)流板噴嘴(b)以及爆炸頭(c)3種噴嘴，圖2所示為3種噴嘴結(jié)構(gòu)。其中直管+導(dǎo)流板噴嘴的導(dǎo)流板可分為橫置與豎置2種典型結(jié)構(gòu)，共組成長(zhǎng)錐雙側(cè)開(kāi)孔噴嘴、直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴、直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴、爆炸頭噴嘴4種典型結(jié)構(gòu)的噴嘴，本文對(duì)4種噴嘴進(jìn)行清灰試驗(yàn)并選擇了前3種噴嘴進(jìn)行流場(chǎng)特性分析。

其中，直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴、直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴具有完全相同的結(jié)構(gòu)尺寸，其噴吹距離受到空氣濾殼體的限制，統(tǒng)一確定為導(dǎo)流板末端距離濾芯0 mm，導(dǎo)流板錐角設(shè)計(jì)為40°；長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴嘴結(jié)構(gòu)參考了工業(yè)袋式除塵器的設(shè)計(jì)[6]，采用孔徑越來(lái)越小，管徑越來(lái)越小的設(shè)計(jì)，沿錐管取左右各兩排管，孔徑設(shè)計(jì)為10～8 mm，孔數(shù)9個(gè)；爆炸頭噴嘴為新型噴嘴，其頭部為類(lèi)球形，其上具有若干小孔用于散射氣流，設(shè)計(jì)孔徑為8 mm，孔數(shù)為20個(gè)。

本研究所使用濾芯為豎折布置，其對(duì)于清灰力分布的需求是沿濾芯長(zhǎng)度方向的清灰力盡可能平均，濾芯高度方向的清灰力分布允許分布不均；濾芯出口附近的過(guò)濾氣流流速高，積灰多，需要比遠(yuǎn)離出口方向更大的清灰力。

2 研究方法

本文主要通過(guò)濾芯離線噴吹試驗(yàn)研究，結(jié)合CFD流場(chǎng)分析，獲得四種典型結(jié)構(gòu)的反吹清灰噴嘴的清灰特性，比較并優(yōu)選出一種反吹清灰噴嘴，并將其安裝于原空氣濾清器進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

如圖3所示為反吹空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)，在常規(guī)空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，增加了脈沖信號(hào)控制裝置，用于對(duì)脈沖閥門(mén)開(kāi)閉進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。本研究通過(guò)反吹空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)制備帶灰濾芯進(jìn)行反吹效果試驗(yàn)并將加裝優(yōu)選噴嘴的空氣濾清器樣機(jī)進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

1-粉塵噴射器；2-進(jìn)口測(cè)壓管；3-空壓機(jī)；4-氣動(dòng)三聯(lián)件；5-儲(chǔ)氣罐；6-脈沖閥；7-被試反吹空氣濾清器總成；8-脈沖控制儀；9-出口測(cè)壓管；10-絕對(duì)濾清器；11-空氣流量計(jì)；12-空氣流量控制裝置；13-抽氣機(jī)；14-壓力計(jì)(壓差計(jì))

圖3 反吹空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)示意圖

Fig.3 Schematic diagram of pulse-jet air filter test bench

梯形濾芯反吹如圖4所示，反吹氣流通過(guò)反吹噴嘴由濾芯出口進(jìn)入濾芯內(nèi)壁清灰。

圖4 梯形濾芯反吹示意圖

2.1 制備帶灰濾芯

采用某狹長(zhǎng)濾芯空氣濾清器殼體帶預(yù)濾器在反吹空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)上制備帶灰濾芯，共制備12個(gè)狹長(zhǎng)梯形帶灰濾芯，每種噴嘴使用3個(gè)濾芯進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn)。計(jì)劃濾芯加灰量750 g，試驗(yàn)粉塵為270目石英砂。制備完成的12個(gè)濾芯增重結(jié)果如表1所示。

表1 制備帶灰濾芯增重結(jié)果

2.2 靜態(tài)清灰效果試驗(yàn)

使用上述帶灰濾芯在反吹空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行離線清灰效果試驗(yàn)，反吹空氣濾清器試驗(yàn)件如圖5所示，將帶灰濾芯裝入空氣濾中進(jìn)行噴吹，以此模擬實(shí)車(chē)中的噴吹效果。試驗(yàn)分為清灰效果試驗(yàn)(1)與清灰拍攝試驗(yàn)(2)。

圖5 反吹空氣濾清器試驗(yàn)件圖

試驗(yàn)(1)為4種典型結(jié)構(gòu)噴嘴安裝于反吹空氣濾清器(帶預(yù)濾器)分別使用3個(gè)帶灰濾芯進(jìn)行了3次重復(fù)性試驗(yàn)，每個(gè)濾芯連續(xù)噴吹3次，記錄每次噴吹前后濾芯的質(zhì)量變化，噴吹參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)(2)為4種噴嘴安裝于反吹空氣濾清器(不帶預(yù)濾器)，在開(kāi)蓋狀態(tài)下拍攝清灰過(guò)程試驗(yàn)，并記錄出灰位置。

表2 靜態(tài)噴吹參數(shù)

2.3 CFD流場(chǎng)分析方法

采用CFD對(duì)4種典型結(jié)構(gòu)噴嘴的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，其中直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴、直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴、爆炸頭3種噴嘴由于管路很短，瞬態(tài)特性不明顯，故采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算。長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴嘴由于管路較長(zhǎng)，管內(nèi)可能會(huì)存在震蕩的壓力波動(dòng)[7-9]，故采用Profile壓力階躍信號(hào)入口的瞬態(tài)計(jì)算先進(jìn)行試算，發(fā)現(xiàn)其瞬態(tài)特性不明顯，故最終4種噴嘴均采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

濾芯區(qū)域簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)區(qū)域，阻力系數(shù)計(jì)算方法來(lái)自于濾芯流阻特性曲線擬合[10]，穩(wěn)態(tài)計(jì)算仿真基本參數(shù)如表3所示。

表3 穩(wěn)態(tài)計(jì)算仿真基本參數(shù)

本文選取氣流在濾芯內(nèi)壁的總壓衡量氣流清灰力的大小[11]。對(duì)介于剛性濾料與柔性濾袋之間的過(guò)濾介質(zhì)，清灰力為慣性清灰力與反吹氣流清灰力共同作用效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滲透氣流[12]、有效清灰加速度[13]、徑向速度[14]、織物中的迅速扭曲[15]、以及反向氣流壓力峰值和壓力上升速度[16]等噴吹效果影響機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，總壓參數(shù)可以包含包括氣流速度、流體密度以及濾芯振動(dòng)加速度等多種影響因素，故本研究選取氣流在濾芯內(nèi)壁的總壓衡量氣流清灰力的大小，仿真計(jì)算后統(tǒng)計(jì)濾芯內(nèi)壁氣流總壓參數(shù)。

2.4 加裝優(yōu)選反吹噴嘴的脈沖反吹空氣濾清器壽命試驗(yàn)

為測(cè)試優(yōu)選噴嘴對(duì)于原空氣濾清器的壽命的實(shí)際提升效果，在原空氣濾清器結(jié)構(gòu)加裝氣罐與反吹優(yōu)選噴嘴，如圖5所示，壽命試驗(yàn)在圖3所示的反吹空氣濾清器試驗(yàn)臺(tái)上完成，表4是空氣濾清器壽命試驗(yàn)參數(shù)，表5是壽命試驗(yàn)噴吹參數(shù)，噴吹策略為試驗(yàn)初期每運(yùn)行2 h噴吹一次，試驗(yàn)后期到達(dá)終了阻力后即刻噴吹，直到兩次噴吹間隔小于半小時(shí)，終止試驗(yàn)，即認(rèn)為達(dá)到濾芯壽命。

表4 空氣濾清器壽命試驗(yàn)參數(shù)

表5 壽命試驗(yàn)噴吹參數(shù)

3 清灰效果試驗(yàn)結(jié)果與流場(chǎng)特性

3.1 4種典型結(jié)構(gòu)噴嘴的清灰試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上文試驗(yàn)方法，對(duì)4種噴嘴分別使用3個(gè)帶灰濾芯進(jìn)行了3次重復(fù)性清灰效果試驗(yàn)，每個(gè)濾芯連續(xù)噴吹3次，以及對(duì)4種噴嘴分別進(jìn)行1次清灰拍攝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1.14種典型結(jié)構(gòu)噴嘴清灰效果試驗(yàn)結(jié)果

表6是4種典型結(jié)構(gòu)噴嘴清灰效果試驗(yàn)結(jié)果，其中，連續(xù)噴吹次數(shù)為對(duì)每個(gè)濾芯進(jìn)行的連續(xù)3次噴吹，平均清灰量為3次重復(fù)性試驗(yàn)的清灰量平均值，平均累積清灰率為3次重復(fù)性試驗(yàn)的累積清灰率的平均值；圖6為4種噴嘴累積清灰率平均值，可見(jiàn)對(duì)于狹長(zhǎng)梯形濾芯，僅看清灰率指標(biāo)，清灰效果為直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴>直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴>長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴管>爆炸頭噴嘴。

表6 4種典型結(jié)構(gòu)噴嘴清灰效果試驗(yàn)結(jié)果

圖6 4種噴管累積清灰率平均值曲線

如圖6所示，累積清灰率曲線的斜率可以一定程度上反映噴嘴的清灰潛力。對(duì)于直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴、直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴以及長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴管來(lái)說(shuō)，隨著噴吹次數(shù)的增加，累積清灰效率繼續(xù)增加，斜率維持穩(wěn)定，本試驗(yàn)的氣量限制了3種噴嘴的清灰能力，如果換裝更大容積的氣罐，單次噴吹效果還將繼續(xù)提升；對(duì)爆炸頭噴嘴，累積清灰效率斜率為0，本試驗(yàn)氣量已經(jīng)榨干噴嘴的清灰能力，繼續(xù)提高氣量并不能提高清灰能力。

3.1.24種典型結(jié)構(gòu)噴嘴清灰過(guò)程直觀對(duì)比分析

圖7 為4種典型結(jié)構(gòu)噴嘴清灰過(guò)程拍攝截圖，拍攝時(shí)刻為脈沖信號(hào)開(kāi)始時(shí)刻后的20 ms和24 ms，可觀察粉塵從濾芯上掉落的位置，并可定性的推斷分析出各個(gè)噴嘴氣流流場(chǎng)的分布情況。如圖7各個(gè)分圖所示，照片左側(cè)為濾芯出口方向，將其定義為前方；右側(cè)為遠(yuǎn)離濾芯出口方向，將其定義為后方。下面對(duì)4種噴嘴分別分析。

1) 長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴嘴：由圖7(a)(b)可觀察到，濾芯出灰位置沿濾芯長(zhǎng)度方向分布在宏觀上是均勻的，且可以明顯看出積灰為成股下落，分別對(duì)應(yīng)9個(gè)噴孔處的集中射流；但可以觀察到，每股掉落的積灰股與股之間并不連續(xù)，在濾芯的折距尺度上，濾芯的出灰位置并不均勻；且較長(zhǎng)的管長(zhǎng)所導(dǎo)致的脈沖氣流的瞬態(tài)特性并未明顯影響到各個(gè)噴孔位置的清灰到達(dá)時(shí)間。

2) 直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴：由圖7(c)(d)可觀察到，濾芯出灰位置沿濾芯長(zhǎng)度方向分布在宏觀上是均勻的，且積灰出灰形態(tài)為均勻的粉狀彌散態(tài)，觀察不到任何粉塵集中掉落的現(xiàn)象；濾芯沿長(zhǎng)度方向可分為明顯的3個(gè)區(qū)域：前1/3長(zhǎng)度方向范圍內(nèi)出灰從無(wú)到有；前1/3到2/3長(zhǎng)度方向范圍內(nèi)出灰較少，沿濾芯長(zhǎng)度方向出灰均勻；后1/3長(zhǎng)度方向范圍內(nèi)出灰較前部增多。總體來(lái)看濾芯沿長(zhǎng)度方向出灰量為從無(wú)到有，逐漸變多。

3) 直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴：由圖7(e)(f)可觀察到，濾芯出灰位置沿濾芯長(zhǎng)度方向分布不均勻，濾芯沿長(zhǎng)度方向可分為明顯的2個(gè)區(qū)域：濾芯前1/2長(zhǎng)度范圍積灰出灰形態(tài)為大股扇形出灰，出灰量較大；濾芯后1/2長(zhǎng)度范圍為均勻的粉狀彌散態(tài)出灰，出灰量較少。該清灰力分布形態(tài)剛好滿(mǎn)足濾芯出口需要更大的清灰力的清灰力分布需求，故雖其在整個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)沒(méi)有直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴的清灰力分布均勻，但其清灰效果為最佳。

4) 爆炸頭噴嘴：由圖7(g)(h)可觀察到，出灰位置主要是濾芯前側(cè)極小部分成股出灰，以及濾芯中后部成粉狀彌散態(tài)出灰，總體出灰量極少。

3.2 3種結(jié)構(gòu)噴嘴的流場(chǎng)特性CFD分析

根據(jù)前期3.1噴吹效果試驗(yàn)研究結(jié)果，爆炸頭噴嘴的噴吹效果極差，故流場(chǎng)研究放棄爆炸頭噴嘴，只研究其余3種噴嘴噴吹流場(chǎng)特性。如圖8所示為3種噴嘴濾芯內(nèi)壁總壓分布圖，使用垂直于濾芯面的總壓衡量氣流的機(jī)械能與清灰效果，將濾芯出口定義為濾芯長(zhǎng)度等于0處，遠(yuǎn)離濾芯出口方向?yàn)闉V芯長(zhǎng)度增加方向。

圖7 4種典型結(jié)構(gòu)噴嘴清灰過(guò)程圖

圖8 3種噴嘴濾芯內(nèi)壁總壓分布圖

3.2.1直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴

如圖8(a)所示為直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴濾芯內(nèi)壁總壓分布圖，橫置噴嘴垂直于濾芯面總壓分布沿濾芯長(zhǎng)度方向會(huì)呈現(xiàn)出穩(wěn)定高壓區(qū)、以及過(guò)渡區(qū)、超低負(fù)壓區(qū)4個(gè)區(qū)域，該總壓分布特性與試驗(yàn)濾芯清灰力以及粉塵出灰位置分布特性相對(duì)應(yīng)，沒(méi)有超高壓區(qū)域，粉塵全部成彌散態(tài)掉落。

3.2.2直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴

如圖8(b)所示為直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴濾芯內(nèi)壁總壓分布圖，豎置噴嘴垂直于濾芯面總壓分布沿濾芯長(zhǎng)度方向也會(huì)呈現(xiàn)出平緩高壓區(qū)、低壓區(qū)以及過(guò)渡區(qū)3個(gè)區(qū)域，但其導(dǎo)流板附近會(huì)出現(xiàn)局部超高壓區(qū)域。局部超高壓區(qū)域與濾芯前1/2長(zhǎng)度范圍積灰出灰形態(tài)為大股扇形出灰的現(xiàn)象相對(duì)應(yīng)。

3.2.3長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴嘴

如圖8(c)所示為長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴嘴內(nèi)壁總壓分布圖，在9個(gè)開(kāi)孔噴孔處存在有局部的超高壓力區(qū)域，氣流機(jī)械能垂直沖擊濾芯內(nèi)壁面，沒(méi)有擴(kuò)散的空間，與試驗(yàn)濾芯清灰力以及粉塵出灰位置分布特性相對(duì)應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的濾芯壓力分布均勻性不理想，可能會(huì)造成過(guò)度清灰、濾芯的破壞以及清灰不均勻，且濾芯出口方向噴吹總壓小，不符合清灰力分布需求；其濾芯壓力全部為正壓力，且能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)精確清灰，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，后期研究可通過(guò)增加噴孔數(shù)量、優(yōu)化噴孔流量與壓力匹配等方法對(duì)該型噴嘴進(jìn)一步優(yōu)化，消除超高壓區(qū)域，提高總壓分布的均勻性。

3.3 加裝優(yōu)選反吹噴嘴空氣濾清器壽命試驗(yàn)結(jié)果

將原空氣濾清器加裝優(yōu)選反吹噴嘴后構(gòu)成脈沖反吹空氣濾清器，其臺(tái)架壽命曲線如圖9，在原空氣濾清器的基礎(chǔ)上增加氣罐噴吹等反吹機(jī)構(gòu)后使得空氣濾清器初始阻力增加，但其時(shí)均阻力增長(zhǎng)較原空氣濾清器緩慢。原空氣濾清器壽命為67 kg，按照當(dāng)前噴吹策略加裝優(yōu)選反吹噴嘴后壽命達(dá)到195 kg，提升191%，有力地證明了直管+豎置導(dǎo)流板優(yōu)選噴嘴的清灰效能，該型噴嘴具有較高的應(yīng)用價(jià)值，后續(xù)研究可繼續(xù)對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)影響規(guī)律的研究，以及參數(shù)優(yōu)化進(jìn)一步提高噴嘴的清灰性能。

圖9 加裝優(yōu)選反吹噴嘴空氣濾清器壽命曲線

4 結(jié)論

1) 不同結(jié)構(gòu)的噴嘴清灰特性差異較大：直管+橫置導(dǎo)流板噴嘴的有效清灰區(qū)域主要集中在濾芯中后部；直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴有效清灰區(qū)域主要集中在濾芯中前部；長(zhǎng)錐開(kāi)孔噴嘴有效清灰區(qū)域?yàn)閲娍滋庪x散分布；

2) 直管+豎置導(dǎo)流板噴嘴更適合于狹長(zhǎng)梯形濾芯反吹清灰，空氣濾清器樣機(jī)臺(tái)架壽命達(dá)到195kg，較原空氣濾清器提升幅度達(dá)191%；

3) CFD得到的濾芯內(nèi)壁噴吹氣流總壓參數(shù)分布與清灰試驗(yàn)中清灰力、粉塵出灰位置分布具有較好的一致性，可通過(guò)氣流總壓分布預(yù)測(cè)清灰效果。