汽車空氣濾清器入口位置和形狀對流動(dòng)特性的影響研究

汽車空氣濾清器入口位置與形狀對流動(dòng)特性的影響研究(哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車工程學(xué)院,威海,264209)流計(jì)算模型，對空氣濾清器內(nèi)部氣相三維粘性流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬詳細(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(dòng)下的速度場和壓力場分布情況。通過對比分析可知所以合理設(shè)計(jì)入口形狀可明顯減小空氣濾清器內(nèi)的流動(dòng)的能量損失。Theinfluenceofentrancepositionand（SchoolofEnergyScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China）1.1夏利TJ7101轎車用空氣濾清器濾清器的實(shí)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1.2流場計(jì)算幾何模型的建立空氣濾清器中的流動(dòng)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(dòng)態(tài)流場特性作了時(shí)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(dòng)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(dú)立于連續(xù)方程和動(dòng)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的前處理軟件GAMBIT，最后生成的本課題研究的原型空氣濾清器模型的基本尺寸如表1-1所示：在這里對原始模型做一些簡要說明：(2)內(nèi)部濾芯區(qū)域設(shè)定為多孔介質(zhì)區(qū)域，并單獨(dú)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)(4)為簡化處理，進(jìn)、出氣管均按實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)畫出部分圖。其中進(jìn)氣管為直段，出氣管(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(jì)算結(jié)果也更符合實(shí)際情況。利用GAMBIT里的Mesh功能，設(shè)定網(wǎng)格間距為0.005m。對于1.4邊界條件的設(shè)置數(shù)值又與湍流度I和湍流尺度l相關(guān)聯(lián)。工作中的空氣濾清器在實(shí)際情況下其湍流度是非常小的，為了更接近于真實(shí)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(yàn)值0.5%，湍流尺度比相應(yīng)的特征長度低一階。湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的值分別為：k=0.00375;ε=0.0075467計(jì)算邊界條件的設(shè)置如表1-3所示。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(yàn)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(dòng)特性影響的研究，模擬計(jì)算了入口位置、入口形狀對空氣濾清器內(nèi)氣體流動(dòng)的影響。2.1入口形狀與位置對流動(dòng)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(jì)計(jì)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(dòng)了0.01m（模型3）和0各模型的網(wǎng)格數(shù)量和迭代步數(shù)如表2-1所示：空氣濾清器的性能受其流動(dòng)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(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。下面給出濾清器四個(gè)模型各截面上的速度分布圖。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，在下殼體速度回流；且出口處的速度明顯太小，不符合發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣要求。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?yàn)檫M(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)生較大模型3將進(jìn)氣口的位置做了改變，向X向的反方向移動(dòng)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(dòng)，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(dòng)機(jī)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣要求，提高了濾清器的一部分壓力損失。下面給出各模型YOZ平面內(nèi)壓力切片分布圖。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。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(jì)。本課題詳細(xì)分析了入口位置、入口形狀對空氣濾清器流場中速度和壓力的影響，對比三維流場的計(jì)算結(jié)果可知：通過對比分析可知，入口位置對空氣濾清器的流動(dòng)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(shí)，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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣要求，所以合理設(shè)計(jì)入口形