汽車空氣濾清器入口位置與形狀對流動特性的影響研究

1、汽車空氣濾清器入口位置與形狀對流動特性的影響研究作者 陸曙光 周雪(哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院,威海,264209)摘 要： 空氣濾清器是內(nèi)燃機(jī)的重要部件，其性能直接影響內(nèi)燃機(jī)的可靠性和使用壽命。本課題針對夏利牌TJ7101轎車用空氣濾清器建立數(shù)學(xué)模型，采用適用性較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)k-雙方程紊流計算模型，對空氣濾清器內(nèi)部氣相三維粘性流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，速度和壓力的耦合關(guān)系采用SIMPLE算法。在流場計算的基礎(chǔ)上，利用壓力、速度矢量分布圖來其顯示其內(nèi)部流場。本課題詳細(xì)分析了入口位置、入口形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣濾清器內(nèi)流動性能的影響，得到了各種影響因素下的速度場和壓力場分布情況。通過對比分析可知，入口位置對空

2、氣濾清器的流動均勻性有明顯的影響，將其放置于下殼體短邊側(cè)面且偏離中心0.01m處時，空氣濾清器內(nèi)的壓力損失變小，速度分布也變得均勻?qū)ΨQ，且在出口處的流速變得更大，這樣的布置更加符合發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣要求，所以合理設(shè)計入口形狀可明顯減小空氣濾清器內(nèi)的流動的能量損失。綜合考慮以上因素，得出入口位置在下殼體短邊側(cè)面且偏離中心0.01m處，入口管為斜直管且與底面成30°夾角空氣濾清器的入口位置與形狀為最佳。關(guān)鍵詞： 空氣濾清器；FLUENT；入口位置與形狀；數(shù)值模擬； The influence of entrance position and shape in auto air filter A

3、uthor lushuguang（School of Energy Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China）Abstract: Air filter is an important component of the inner combustion engine, and its performance directly affects the reliability and service life of the engine. First, the comparison for

4、the classification and performance of air filters are introduced, the characteristics of air filters in this study are overviewed, the performance and the flow factors to affect dry air filters are analyzed. Second, the continuity equation, the momentum equation, and the standard k- two equation mod

5、el are used to build the air filter flow theoretical model, the flow air is supposed as three-dimensional turbulence fluid, and the heat transference between the wall of the filter and air is not considered, the FVM is adopted for convection diffusion equation, and SIMPLE algorithm is used to calcul

6、ate the coupling of pressure and velocity. The basic principles of the numerical simulation software FLUENT and the simulation steps are introduced briefly. Finally, the GAMBIT of FLUENT is used to construct the computing grid of fine filter directly. The porosity, the convergence criteria and the b

7、oundary condition parameters are set, the flow field is simulated, and the results are analyzed. The results show that the flow of air in the chamber of the nether shell of the original model of air filter is not reasonable, with asymmetric working faces, for which high pressure drop and serious los

8、ses of energy are produced. However, improved filters with more scientific structures can not only improve the filtration efficiency but also extend the life of the filter.Key words: Air filer；FLUENT；entrance position and shape； numerical simulation1 空氣濾清器內(nèi)三維紊流流場數(shù)值模型1.1夏利TJ7101轎車用空氣濾清器本課題對夏利TJ7101轎車

9、用空氣濾清器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，圖1-1為所研究空氣濾清器的實物照片。該濾清器由連有進(jìn)氣管的下殼體和連有出氣管的上殼體組成，內(nèi)部腔內(nèi)是紙質(zhì)濾芯。上下殼體由鋼扣扣緊。觀察發(fā)現(xiàn)：濾清器進(jìn)氣管為直管，且與下殼體側(cè)面成30°夾角，出氣管為1/4圓管。圖1-1 空氣濾清器（及濾芯）實物照片1.2流場計算幾何模型的建立空氣濾清器中的流動十分復(fù)雜，本文在對其內(nèi)部流場的分析中作如下假設(shè)：(1)空氣濾清器中所有的構(gòu)件為絕對剛體。即：濾芯在工作過程中沒有相對的軸向位移，上、下殼體及濾芯在工作中沒有變形。這一假設(shè)主要忽略了形成流道的固體壁面和工作介質(zhì)之間的相互耦合作用。(2)工作介質(zhì)在任何工況下密度變化

10、很小。根據(jù)GB、ISO及SAE各標(biāo)準(zhǔn)對空氣濾清器的要求，工作介質(zhì)密度和粘度在工作過程中的變化很小，這意味著空氣濾清器中的工作介質(zhì)為典型的不可壓縮粘性流體。(3)在同一工況下，空氣的物性與多孔介質(zhì)（濾芯）的分布情況是各向同性的。該假設(shè)相當(dāng)于將空氣濾清器的動態(tài)流場特性作了時間周期的平均。(4)空氣濾清器是等溫的工作過程，工作介質(zhì)的內(nèi)能在工作中沒有變化。本文只研究工作介質(zhì)的動力狀況，不探討工作介質(zhì)的溫度變化。不可壓縮流體的能量方程獨立于連續(xù)方程和動量方程之外。本文的最終研究目的在于分析流場對空氣濾清器性能參數(shù)的影響，為此只需要知道流場的速度場和壓力場就已經(jīng)足夠。幾何模型的建立是采用FLUENT的前處

11、理軟件GAMBIT，最后生成的本課題研究的原型空氣濾清器的幾何模型如圖1-2所示：圖1-2 原型空氣濾清器的幾何模型空氣濾清器模型的基本尺寸如表1-1所示：表1-1 原始模型的基本尺寸 結(jié)構(gòu) 入口直徑 出口直徑 濾芯尺寸 濾清器上下殼體總體尺寸尺寸（mm） 50 60 150×50×200 150×200×200在這里對原始模型做一些簡要說明：(1)濾清器進(jìn)氣管與下殼體側(cè)平面成30°夾角；(2)內(nèi)部濾芯區(qū)域設(shè)定為多孔介質(zhì)區(qū)域，并單獨用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；(3)將下殼體與進(jìn)氣管連成一體，上殼體與出氣管連成一體，二者均用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；(

12、4)為簡化處理，進(jìn)、出氣管均按實物標(biāo)準(zhǔn)畫出部分圖。其中進(jìn)氣管為直段，出氣管為1/4圓管。(5)入口管與側(cè)面相交面（橢圓面）位于下殼體側(cè)面居中位置；出口管與上殼體相交面的圓心也位于上殼體居中位置。1.3 空氣濾清器有限元模型對于規(guī)則的長方體濾芯區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，使得計算更精確，更有效率；對于上下殼體及進(jìn)氣、出氣管道，則采用非結(jié)構(gòu)化得四面體網(wǎng)格，這樣網(wǎng)格貼體性更優(yōu)，計算結(jié)果也更符合實際情況。利用GAMBIT里的Mesh功能，設(shè)定網(wǎng)格間距為0.005m。對于本課題計算原型，最后得到的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)如表1-2所示，網(wǎng)格檢查截圖如圖1-3所示。表1-2 網(wǎng)格數(shù)據(jù)節(jié)點數(shù) 網(wǎng)格單元數(shù)濾芯 139

13、81 12000上殼體 18466 92039下殼體 19553 98731圖1-3 網(wǎng)格檢查截圖1.4 邊界條件的設(shè)置選擇標(biāo)準(zhǔn)k-高雷諾數(shù)紊流模型，就需要計算湍流動能k和湍流耗散率。而這兩個數(shù)值又與湍流度和湍流尺度相關(guān)聯(lián)。工作中的空氣濾清器在實際情況下其湍流度是非常小的，為了更接近于真實的流場，應(yīng)該采用盡可能小的湍流度，這里取湍流度為經(jīng)驗值0.5%，湍流尺度比相應(yīng)的特征長度低一階。湍流動能k和湍流耗散率的值分別為：k=0.00375;=0.0075467計算邊界條件的設(shè)置如表1-3所示。表1-3 邊界條件的設(shè)置區(qū)域邊界條件入口速度v=10m/s湍流動能k=0.00375湍流耗散率=0.007

14、5467出口壓力出口Gauge Pressure=0，其他條件與入口條件一樣濾芯濾芯作為多孔介質(zhì)處理，Y向粘性阻力為3e+06（1/），X、Z向為3e+08（1/），Y向慣性阻力為15（1/m），X、Z向為1500（1/m）孔隙率0.8其它壁面采用缺省的絕熱固壁無滑移條件2 空氣濾清器內(nèi)流場計算結(jié)果及分析通過FLUENT的后處理模塊，可以得到空氣濾清器內(nèi)流場任意截面上的流速矢量圖和壓力分布圖，在這方面數(shù)值模擬比試驗研究系統(tǒng)有很大優(yōu)勢，空氣濾清器的空氣動力特性取決于空氣濾清器內(nèi)氣流的速度均勻性和壓力損失的大小。本課題在驗證數(shù)學(xué)模型可靠性的基礎(chǔ)上，展開空氣濾清器結(jié)構(gòu)參數(shù)對流動特性影響的研究，模擬計

15、算了入口位置、入口形狀對空氣濾清器內(nèi)氣體流動的影響。2.1入口形狀與位置對流動特性的影響在原型進(jìn)氣管為直管，且管的軸線與下殼體相應(yīng)側(cè)面成30°角（模型1）的基礎(chǔ)上，設(shè)計計算了當(dāng)進(jìn)氣管改為1/4圓管（模型2）和進(jìn)氣管仍為直管，但將進(jìn)氣管往X向的反方向分別移動了0.01m（模型3）和0.02m（模型4）的情況，各模型的網(wǎng)格圖如2-1所示： 模型1網(wǎng)格圖 模型2網(wǎng)格圖 模型3網(wǎng)格圖 模型4網(wǎng)格圖圖2-1 各模型網(wǎng)格各模型的網(wǎng)格數(shù)量和迭代步數(shù)如表2-1所示：表2-1 不同入口形狀（位置）模型的網(wǎng)格數(shù)量和迭代步數(shù)入口形狀 網(wǎng)格數(shù)量 迭代步數(shù)直管（模型1） 202770 4591/4圓管段（模型

16、2） 200109 452直管（模型3） 198170 413直管（模型4） 196019 3982.1.1空氣濾清器內(nèi)部速度分布空氣濾清器的性能受其流動性影響很大，直接影響其濾清效率、壓降大小，從而影響空氣濾清器的壽命和發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。下面給出濾清器四個模型各截面上的速度分布圖。 圖2-2 模型1在X=-7.5、X=7.5截面處的速度分布由圖2-2可以看出，原始模型在上殼體和濾芯區(qū)域速度分布比較均勻，在下殼體速度分布不均勻，但考慮到原始模型的進(jìn)氣管與下殼體之間呈30度角，所以在下殼體中會出現(xiàn)回流；且出口處的速度明顯太小，不符合發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣要求。 圖2-3 模型2在X=-7.5、X=7.5截面

17、處的速度分布由圖2-3可以看出在將入口形狀改變?yōu)?/4圓管后出口的速度明顯變得更小，這是因為進(jìn)氣方向垂直進(jìn)入下殼體，對正對面的殼體造成較大的沖擊，從而擾亂氣流，產(chǎn)生較大的能量損失。 圖2-4 模型3在X=-7.5、X=7.5截面處的速度分布模型3將進(jìn)氣口的位置做了改變，向X向的反方向移動了0.01m，由圖2-4可知，這樣的布置使得氣體在下殼體中產(chǎn)生更大的渦流，從而加速了氣體的流動，在上殼體和濾芯區(qū)域的速度分布變得更加均勻，可以看出在出口處的速度比較大，這樣才更加符合發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣要求。 圖2-5 模型4在X=-7.5、X=7.5截面處的速度分布模型4的建立是在模型3的基礎(chǔ)上將進(jìn)氣口的位置繼續(xù)移動

18、了0.01m，由圖2-5可以看出在出口位置的速度不僅沒有提升反而卻有所降低，而且速度的分布變得更加不均勻。由以上分析可對濾清器進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)初步改進(jìn)為模型3，這樣的布置是得氣體在濾清器中的流動更加均勻，并且出口的速度對比原始模型來說提升很多，這樣僅僅對入口的位置做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，卻使得能量的損失有所降低，符合發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣要求，提高了濾清器的濾清效率。2.1.2空氣濾清器內(nèi)部壓力的分布空氣濾清器壓力損失的主要原因是：1、氣流與空氣濾清器壁面的流動摩擦；2、入口處和出口處的局部旋流引起的氣流剪切和變向；3、空氣流經(jīng)濾芯時的流動摩擦，也會產(chǎn)生一部分壓力損失。下面給出各模型YOZ平面內(nèi)壓力切片分布圖。 圖2

19、-6 模型1YOZ平面壓力切片分布圖 圖2-7 模型2YOZ平面壓力切片分布圖由圖2-6可以看出模型1濾芯區(qū)域壓降很有規(guī)律，且左右對稱；由圖2-7可以看出模型2在進(jìn)氣口壓力損失過大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于在進(jìn)氣口垂直壁面進(jìn)入下殼體，從而對對面的壁面產(chǎn)生較大的沖擊，產(chǎn)生了較大的能量損失，進(jìn)氣阻力增加，并且可以看出濾清區(qū)域的壓降分布變得不太均勻。 圖2-8 模型3YOZ平面壓力切片分布圖 圖2-9 模型4YOZ平面壓力切片分布圖從圖2-8模型3的壓力分布圖可以看出在對進(jìn)氣口位置做了改變之后，濾芯區(qū)域的壓降變得更加均勻，圖2-9中模型4與模型3相比，濾芯區(qū)域的總體的壓力損失較大，且在進(jìn)氣口的壓力分布沒有模型3均勻。綜合以上對各模型速度分布和壓力分布的分析，選用模型3的入口布置為最優(yōu)設(shè)計