何志霞，蔣兆晨，王碩，王謙，玄鐵民

(1.江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013；2.北京中流漢泰科技有限公司，北京，100083)

空氣濾清器是空氣進氣系統的重要組成部分，其性能直接影響內燃機工作的可靠性和使用壽命。它對濾除空氣中的雜質和減少進氣噪聲起著十分重要的作用，但同時也是進氣阻力的主要來源。因此，在保持使用效果的前提下如何盡可能降低流動阻力損失和提高空氣濾清器的使用壽命，就成為當前的研究重點[1?4]。然而受空氣濾清器內部結構和工作環(huán)境的限制，要完全真實了解其內部流場特性十分困難。依靠經驗和試驗手段來研制空氣濾清器不僅成本高、周期長，且無法得到其內部全面的流場信息，數值模擬則提供了一種有效的研究方法[5?7]。本文作者則采用多孔介質模型重點對空濾器流動阻力損失和濾芯流動均勻性開展了空氣動力學仿真研究，分析了采用插入管結構和擋板結構對于流動阻力損失和濾芯均勻性的影響，從而為空氣濾清器的結構改型設計提供了理論依據。

1 幾何模型和網格劃分

空氣濾清器的容積為8 L；長寬高之比為4:3:3；進氣管和出氣管直徑均為55 mm；進氣管和出氣管總長均為400 mm，都存在2個90°彎角；濾芯的厚度為30 mm；進氣管處建立邊長為500 mm的立方體穩(wěn)壓腔。本文對空氣濾清器的研究包括了其進氣管和出氣管部分。

圖1所示為該空氣濾清器的網格生成圖。其中，穩(wěn)壓腔網格劃分較為稀疏，而空氣濾清器及管道的網格劃分較密，濾芯處網格單獨劃分。采用了非結構網格，通過網格無關性驗證，最終確定的網格數目為505 998個。

圖1 空氣濾清器網格劃分Fig.1 Mesh of air filter

2 多孔介質模型

空氣動力學仿真中，濾芯的模擬采用了多孔介質模型。在簡單、均質的多孔介質上，動量方程中增加了一個代表動量消耗的源項，即

式中：源項Si中第1項是黏性損失項，也稱為達西公式項，第2項為慣性損失項。α為多孔介質滲透性系數；C2為慣性阻力因子；μ為流體黏性系數；ρ為流體密度；v為流體通過多孔介質的流速。

空氣濾清器濾芯的流阻特性是通過不同流速下濾芯兩側表面的壓力降情況來反映。在實際進氣系統中，氣體通過空氣濾清器濾芯時的氣流速度相對較低，可看作是層流。多孔介質層流模型中，壓力降與其速度成正比，常數C2可認為是0。于是動量方程源項簡化為達西定律：

由于濾芯是一種折疊結構，在與折疊平行的方向上，流阻值很小，通常取濾芯表面法向參數的1/10；另外一個方向氣流要穿過則需要穿透所有折疊起來的濾芯過濾層，所以流阻值將會較大，取濾芯表面法向參數的10倍。

對于有限厚度的多孔介質的壓力變化，可由式(1)推到而來。源項為濾芯單位厚度的壓力降，忽略慣性損失項，將濾芯的實際厚度移到等式右邊得：

式中：?p為壓力降；?h為濾芯的實際厚度。通過實驗測量出不同工況下的流量和壓力降情況，據此擬合出濾芯表面法向上參數1/α≈ 1.9×108[8?12]。

3 空氣動力學仿真

空氣濾清器內氣流運動遵循連續(xù)性方程、動量守恒方程，湍流模型則采用標準的k?ε兩方程模型。其邊界條件設定，進口采用壓力邊界，表壓為 0，出口采用速度邊界，速度為27.5 m/s。方程的離散采用有限體積法，壓力修正采用SIMPLEC算法，對流項的差分格式采用二階迎風格式，以提高計算的精度[13?14]。

3.1 流動阻力損失

判定空氣濾清器流動阻力損失的主要指標是進口位置和出口位置之間的總壓力損失。圖2所示為空氣濾清器內各流動截面處的總壓力分布，反映出了整個流動過程中的能量損失情況。圖3所示為各截面處的面積加權總壓力，反映每個具體位置流動阻力情況。

從圖2可以看到：整個空濾器及管道處，流動阻力最大的區(qū)域是進氣管道與空濾器的交界面。由于管道較短，引起的沿程阻力損失較小，而由流通截面大小和方向的變化所產生的局部阻力損失較大。穩(wěn)壓腔出口、空濾器進口和彎管部分都有比較大的壓力降。這幾處位置在圖中都有比較明顯的壓力梯度，是流動阻力較大的區(qū)域。其中8截面和9截面分別是濾芯的下表面和上表面。管道進口處和管道出口處的總壓力差為：1 596.81 Pa，濾芯部分的壓力降為178.87 Pa，整個空濾器的壓力降為884.9 Pa。

圖2 各流動截面的總壓力分布Fig.2 Total pressure distribution of different flow sections

3.2 濾芯流動均勻性

圖3 各流動截面的面積加權平均總壓力Fig.3 Area-weighted average total pressure of different flow areas

如果濾芯的某些位置在氣體流動方向上的速度較大，長期使用中可能會出現這部分濾芯被擊穿的情況。在空濾器設計時，總是希望通過濾芯上、下表面的氣流速度盡可能均勻，以使濾芯得到充分的利用，延長濾芯和空濾器的使用壽命。

圖4 濾芯上、下表面速度云圖和散點圖Fig.4 Contours of velocity and XY plot of upper and under surface of filter element

圖4所示為濾芯上、下表面的速度云圖和散點圖。速度、散點圖中橫坐標表示濾芯水平截面X軸方向上不同位置，縱坐標表示不同位置處各個點上氣流速度。從圖4可知：X軸正方向，出氣管一側靠近空濾器壁面的位置處流速比較快。這一區(qū)域中的濾紙容易老化甚至被擊穿，使用壽命較短。

可采用畸變參數k進行空濾器濾芯流動均勻性的分析[15]：

其中：vmax和vmin分別表示通過濾芯速度的最大值和最小值，而vav表示濾芯區(qū)域的質量加權平均值。k值越小則流動均勻性越好。

本計算中，流動方向速度的最大值vmax為 5.098 m/s，最小值vmin為?1.604 m/s，質量加權平均值vav為1.476 m/s，最終求得畸變參數k=4.54。

4 空氣濾清器的結構優(yōu)化

在前述基本結構空氣濾清器內氣流流動特性數值模擬基礎上，對采用了進氣插入管結構和擋板結構以及將插入管入口由圓截面改為斜截面后的空氣濾清器內的流動阻力損失和濾芯的流動均勻性開展了進一步深入系統的分析，從而為濾清器的結構優(yōu)化設計提供理論指導。

4.1 進氣插入管結構

空氣濾清器的進氣插入管長度分別取40，60，70，80，90，100和120 mm形成了7種不同的方案，逐一開展了數值模擬。圖5所示為不同方案下由數值模擬得到的出口總壓力。從圖5可以看出：插入管長度為80 mm到100 mm時，出口總壓力較大，對于降低流動阻力效果較好。與原方案相比，采用較為合理的進氣插入管結構可以降低流動損失約40～50 Pa。

圖5 不同長度插入管的出口總壓Fig.5 Total pressure at outlet section with different lengths extended inlet pipes

除了流動阻力因素外，濾芯流動均勻性指標也十分重要。采用畸變參數指標對各種長度進氣插入管結構濾芯流動均勻性分析如圖6所示。從圖6可以看出：隨進氣插入管長度增加，通過濾芯流動方向上的速度也隨之增加，而在整個濾芯區(qū)域的質量加權平均速度基本保持不變，導致隨著插入管結構的增加，濾芯的流動均勻性呈現降低的趨勢。

圖6 不同長度進氣插入管的濾芯流動均勻性Fig.6 Flow uniformity of filter element with different lengths extended inlet pipes

4.2 擋板結構

在空氣濾清器內部，進口截面和濾芯下表面之間增加擋板結構。擋板的高度為50 mm，分別設置在距離空濾器進口截面55，70，85，100，115，130，145和160 mm的位置。逐一開展數值模擬，得到不同擋板位置出口總壓力情況，如圖7所示。

當擋板位置在距離進口截面 85 mm處時的出口總壓力最低，說明在該位置流動阻力最大。整體來看，與初始方案和插入管方案相比，在空濾器中加入擋板結構使得整個空濾器的流動阻力增加。由于加入擋板后，空氣粒子流過濾芯的速度加快，使得濾芯上下表面的壓差較初始方案有所增加。隨著擋板與進口距離繼續(xù)增加，流動阻力呈現降低的趨勢。

濾芯上、下表面速度散點圖則反映了各擋板位置下的濾芯流動均勻性，如圖8所示。從圖8可以看出：與圖8(a)中采用插入管結構時濾芯下表面速度峰值集出現在出氣管壁面一側不同，圖8(b)和圖8(c)采用擋板結構的濾芯下表面速度峰值的位置都出現在擋板位置附近。濾芯上表面速度的峰值依然出現在出氣管壁面一側的位置。

圖7 各擋板位置的出口總壓力分布Fig.7 Total pressure at outlet section with baffle structure located at different positions

4.3 進氣插入管入口斜截面結構

當進氣管入口由圓截面改為斜截面結構時，流動面積增加，會對流動阻力和濾芯流動均勻性產生影響，所以對于插入管長度為80 mm的方案，管口采用斜截面后進行分析。斜截面與X軸負方向呈45°。表1所示為初始方案(即進氣管尚未伸入濾清器的結構)、插入管長80 mm時入口圓截面方案和插入管長80 mm入口斜截面方案的出口總壓力，濾芯壓力差以及畸變參數的比較。入口斜截面方案的流動損失要高于圓截面時的插入管結構方案，但小于初始方案。而從濾芯流動均勻性來看，采用插入管結構后無論是否在管口進行斜截面處理，均勻性都有所下降，而采用斜截面時效果相對稍好。插入管方案使得濾芯處的流速增加，在濾芯中的壓力降也有所升高。

圖8 濾芯上表面和下表面的速度散點圖Fig.8 Velocity at upper and under surface of filter element

表1 不同方案的比較Table 1 Comparison of different schemes

值得注意的是，采用插入管和擋板的主要目的是降低空濾器的進氣噪聲，提高 NVH(噪聲、振動和舒適度)性能。這與減小進氣阻力和濾芯流動的均勻性是矛盾的，因此，在空濾器設計時要權衡好三者之間的關系。

5 結論

(1)空氣濾清器中采用進氣插入管結構降低了流動阻力損失，降低了濾芯流動均勻性。進氣插入管長度在80 mm到100 mm之間時，對降低流動阻力效果較好。隨進氣插入管長度的增加，通過濾芯流動方向上的速度也隨之增加，濾芯的流動均勻性呈現降低的趨勢。

(2)空氣濾清器中采用擋板結構提高了流動阻力損失，降低了濾芯流動均勻性。當擋板位置在距離進口截面85 mm附近時，流動阻力損失最大。隨著擋板與進口截面距離的增加，濾芯中流動方向上的最大速度呈現降低的趨勢，濾芯的流動均勻性有所提高。所以，實際設計中采用擋板結構更主要的是去降低進氣噪聲。

(3)進氣插入管采用斜截面結構雖然在流動阻力上略有增加，但是可以有效地提高濾芯流動均勻性。

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