唐蓮花,肖鵬程,姜榮賀,穆盈盈
(河北億利橡塑集團(tuán)有限公司,河北邢臺(tái) 054800)
商用車的行駛工況比較復(fù)雜,如果在多塵的環(huán)境下行駛,發(fā)動(dòng)機(jī)則會(huì)吸入含有大量灰塵等雜質(zhì)的空氣,會(huì)對(duì)其內(nèi)部的零部件造成磨損,影響其使用壽命。因此,需要在發(fā)動(dòng)機(jī)前端安裝一套進(jìn)氣系統(tǒng),主要分為進(jìn)氣道和空氣濾清器兩部分,其功能是盡可能多地為發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔、干燥的空氣。而進(jìn)氣道的主要作用是在盡可能小的壓力損失狀態(tài)下保證空氣進(jìn)入空氣濾清器之前就對(duì)空氣中的雨水和灰塵起到一個(gè)分離作用,這樣既可以增加分離雨水、灰塵的效率,也可以延長(zhǎng)空氣濾清器濾芯的使用壽命。
除了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法,CFD數(shù)值仿真分析已經(jīng)成為產(chǎn)品研究設(shè)計(jì)的主要手段,它可部分替代實(shí)驗(yàn),可大大縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)費(fèi)用,可重復(fù)性強(qiáng)[1]。作者采用FLUENT中的DPM(Discrete Phase Model)模型對(duì)某商用車進(jìn)氣道的流場(chǎng)特點(diǎn)和灰塵分離效率進(jìn)行改善[2-3]。
進(jìn)氣道原始結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 原始結(jié)構(gòu)
試驗(yàn)結(jié)果表明:原始結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率比較低,為66.3%,灰塵隨氣流從格柵進(jìn)入后,除了進(jìn)氣道底座處可以沉積一部分灰塵外,沒(méi)有別的灰塵分離結(jié)構(gòu),使得灰塵直接進(jìn)入空氣濾清器,造成進(jìn)氣系統(tǒng)整體灰塵分離效率低下。
考慮到灰塵進(jìn)入進(jìn)氣道后垂直運(yùn)動(dòng),不會(huì)有集塵效果,但如果增加灰塵顆粒的旋轉(zhuǎn)切向速度,再增加灰塵收集結(jié)構(gòu),從而增加灰塵分離效率。
作者基于這種理念,為達(dá)到表1所示的設(shè)計(jì)目標(biāo),設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了雙旋風(fēng)筒式進(jìn)氣道,并對(duì)底座進(jìn)行一定的優(yōu)化,通過(guò)CFD仿真計(jì)算得出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的流場(chǎng)、灰塵分離效率。
表1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
計(jì)算時(shí)將空氣作為連續(xù)相,灰塵顆粒作為離散相,采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型建立連續(xù)相和兩相流中的DPM模型耦合的控制方程組進(jìn)行計(jì)算。
2.1.1 連續(xù)相數(shù)學(xué)模型[4-5]
采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。
連續(xù)方程:
(1)
動(dòng)量方程:
(2)
k方程為:
(3)
ε方程為:
(4)
方程(3)和(4)中:Pk表示由速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Pb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為可壓縮湍流中過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)。其余經(jīng)驗(yàn)系數(shù)見(jiàn)表2。
表2 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表
2.1.2 離散相顆粒的控制方程
FLUENT中通過(guò)積分拉式坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來(lái)求解離散相顆粒的軌道。對(duì)每個(gè)單顆粒求解運(yùn)動(dòng)控制方程:
(5)
式中:vk為顆粒k的運(yùn)動(dòng)速度;mk為該顆粒的質(zhì)量; (∑F)k表示顆粒所受的合力。
顆粒的軌跡方程:
(6)
顆粒的運(yùn)動(dòng)方程為:
(7)
其中:FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力,并且:
(8)
在所有相間力中,曳力相對(duì)最重要。因?yàn)樯婕半x散相液滴崩裂的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型,所以選用動(dòng)態(tài)曳力模型,以液滴形狀變化的動(dòng)態(tài)形式確定曳力系數(shù)。
球形曳力系數(shù)表達(dá)式:
Cd,sphere=0.424(Re>1 000)
(9)
(10)
非球形曳力系數(shù)表達(dá)式:
Cd=Cd,sphere(1-2.632y)
(11)
其中:y為液滴的變形值,由下式?jīng)Q定:
(12)
2.2.1 模型
按照車廠的安裝空間要求,在進(jìn)氣格柵后增加了導(dǎo)流筋,在進(jìn)氣道中增加兩個(gè)旋風(fēng)筒,并且在每個(gè)旋風(fēng)筒中安裝一個(gè)旋風(fēng)葉片,適當(dāng)增加底座下沉體積。新結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 新結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道
2.2.2 網(wǎng)格生成
由于新結(jié)構(gòu)不規(guī)則,故采用四面體網(wǎng)格,整體網(wǎng)格數(shù)量為290萬(wàn)左右。
圖3 網(wǎng)格模型
2.2.3 邊界條件設(shè)置
流體相:連續(xù)相為空氣。
顆粒相:灰塵顆粒為ISO-A2細(xì)灰。
進(jìn)口邊界條件如表3所示,其中不同直徑顆粒的體積百分比如圖4所示。
圖4 灰塵直徑分布圖
出口邊界條件:出口定義為壓力出口。
壁面邊界條件:連續(xù)相采用無(wú)滑移固體壁面邊界條件,計(jì)算時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法;顆粒相在壁面處不滿足無(wú)滑移條件,設(shè)置與集塵臺(tái)壁面、底座底部壁面的碰撞類型為escape類型。
2.2.4 仿真結(jié)果及分析
(1)壓力分布
從圖5中可以看出:氣流經(jīng)過(guò)旋風(fēng)筒的壓降比較大,并且氣流在從格柵進(jìn)入后由于慣性向腔體的右側(cè)運(yùn)動(dòng),由于在腔體中間增加了導(dǎo)流筋,使得左右兩側(cè)的旋風(fēng)筒內(nèi)的壓力分布比較均勻。
(2)速度分布
從圖6—7中可以看出:由于導(dǎo)流筋阻礙了氣流流動(dòng)的方向,因此附近出現(xiàn)渦流,由于旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu),使得氣流沿進(jìn)口到出口方向的速度降低,增加了氣流的切向速度,底座經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)改善后沉下去的體積更大了,因此出現(xiàn)更大的低速區(qū),氣體流量更少。
圖6 截面的速度分布云圖
圖7 截面的速度分布矢量圖
(3)粒子噴射軌跡
通過(guò)觀察灰塵顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,可以判斷不同直徑顆粒的分離效果,再通過(guò)加權(quán)算法計(jì)算出灰塵總的分離效率。
灰塵分離效率η計(jì)算公式為:
式中:m1為被格柵反彈的灰塵質(zhì)量;m2為收集在旋風(fēng)筒底部的灰塵質(zhì)量;m3為排塵口逸出的灰塵質(zhì)量;m為灰塵總質(zhì)量。
不同直徑灰塵分離效率如圖8所示。
從圖8—9可以看出:灰塵直徑越大,分離效率越大,直徑超過(guò)80 μm的灰塵,基本上100%被過(guò)濾掉了。灰塵顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng),灰塵顆粒在經(jīng)過(guò)旋風(fēng)葉片時(shí)甩到集塵臺(tái)里,并且分布到兩個(gè)旋風(fēng)筒的顆粒數(shù)量也比較均勻,這樣總的灰塵分離效率有所提高。
從以上各項(xiàng)仿真結(jié)果及表4來(lái)看,雙旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)有助于提高灰塵分離效率滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),可以進(jìn)行樣件制作。
圖8 不同直徑灰塵分離效率
圖9 不同直徑灰塵顆粒軌跡圖
壓力損失/kPa3.2總的灰塵分離效率/%85.8
通過(guò)仿真驗(yàn)證此結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)目標(biāo),快速樣件制作完成后進(jìn)行了相關(guān)性能的試驗(yàn)驗(yàn)證。灰塵分離效率試驗(yàn)臺(tái)如圖10所示, 灰塵分離效率試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖11所示。
圖10 灰塵分離效率試驗(yàn)臺(tái)
圖11 灰塵分離效率試驗(yàn)
在1 900 m3/h的工況下對(duì)前進(jìn)氣道進(jìn)行了兩次試驗(yàn),取平均值。從表5可以看出:總的灰塵分離效率達(dá)到82.3%,大于設(shè)計(jì)目標(biāo)80%,說(shuō)明這種帶旋風(fēng)筒式的新結(jié)構(gòu)能明顯提高前進(jìn)氣道的除塵效果。
表5 灰塵分離效率試驗(yàn)結(jié)果
(1)雙旋風(fēng)筒式新結(jié)構(gòu)的灰塵分離效率比原結(jié)構(gòu)提高了將近23%,滿足了設(shè)計(jì)要求(≥80%),并且流場(chǎng)穩(wěn)定,沒(méi)有明顯的渦流區(qū),臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)也證明了這種新結(jié)構(gòu)的可行性。
(2)增加雙旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)后壓力損失會(huì)有一定的增大,但是灰塵分離效率有很好的提高,可以在保證分離效率的情況下再適當(dāng)對(duì)旋風(fēng)筒進(jìn)行改善,盡可能降低壓力損失。
(3)文中通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),兩種結(jié)果的誤差控制在5%以內(nèi),證明運(yùn)用這種DPM的仿真模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法是可行的,可大量節(jié)省研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間與費(fèi)用,對(duì)以后的研究具有較大的參考意義。
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