汽车空气滤清器入口位置与形状对流动特性的影响研究

作者 陆曙光 周雪

(哈尔滨工业大学汽车工程学院,威海,264209)

空气滤清器是内燃机的重要部件，其性能直接影响内燃机的可靠性和使用寿命。本课题针对夏利牌TJ7101轿车用空气滤清器建立数学模型，采用适用性较强的标准k-ε双方程紊流计算模型，对空气滤清器内部气相三维粘性流动进行了数值模拟，速度和压力的耦合关系采用SIMPLE算法。在流场计算的基础上，利用压力、速度矢量分布图来其显示其内部流场。本课题详细分析了入口位置、入口形状结构参数对空气滤清器内流动性能的影响，得到了各种影响因素下的速度场和压力场分布情况。通过对比分析可知，入口位置对空气滤清器的流动均匀性有明显的影响，将其放置于下壳体短边侧面且偏离中心0.01m处时，空气滤清器内的压力损失变小，速度分布也变得均匀对称，且在出口处的流速变得更大，这样的布置更加符合发动机的进气要求，所以合理设计入口形状可明显减小空气滤清器内的流动的能量损失。综合考虑以上因素，得出入口位置在下壳体短边侧面且偏离中心0.01m处，入口管为斜直管且与底面成30°夹角空气滤清器的入口位置与形状为最佳。

空气滤清器；FLUENT；入口位置与形状；数值模拟；

The influence of entrance position and shape in auto air filter

Author 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 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-ε two equation model 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 calculate 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 boundary 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 losses 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 simulation

空气滤清器内三维紊流流场数值模型

1.1夏利TJ7101轿车用空气滤清器

本课题对夏利TJ7101轿车用空气滤清器内部流场进行数值模拟，图1-1为所研究空气滤清器的实物照片。该滤清器由连有进气管的下壳体和连有出气管的上壳体组成，内部腔内是纸质滤芯。上下壳体由钢扣扣紧。观察发现：滤清器进气管为直管，且与下壳体侧面成30°夹角，出气管为1/4圆管。

图1-1 空气滤清器（及滤芯）实物照片

1.2流场计算几何模型的建立

空气滤清器中的流动十分复杂，本文在对其内部流场的分析中作如下假设：

(1) 空气滤清器中所有的构件为绝对刚体。即：滤芯在工作过程中没有相对的轴向位移，上、下壳体及滤芯在工作中没有变形。这一假设主要忽略了形成流道的固体壁面和工作介质之间的相互耦合作用。

(2) 工作介质在任何工况下密度变化很小。根据GB、ISO及SAE各标准对空气滤清器的要求，工作介质密度和粘度在工作过程中的变化很小，这意味着空气滤清器中的工作介质为典型的不可压缩粘性流体。

(3) 在同一工况下，空气的物性与多孔介质（滤芯）的分布情况是各向同性的。该假设相当于将空气滤清器的动态流场特性作了时间周期的平均。

(4) 空气滤清器是等温的工作过程，工作介质的内能在工作中没有变化。本文只研究工作介质的动力状况，不探讨工作介质的温度变化。不可压缩流体的能量方程独立于连续方程和动量方程之外。本文的最终研究目的在于分析流场对空气滤清器性能参数的影响，为此只需要知道流场的速度场和压力场就已经足够。

几何模型的建立是采用FLUENT的前处理软件GAMBIT，最后生成的本课题研究的原型空气滤清器的几何模型如图1-2所示：

图1-2 原型空气滤清器的几何模型

空气滤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

结构 入口直径 出口直径 滤芯尺寸 滤清器上下壳体总体尺寸

尺寸（mm） 50 60 150×50×200 150×200×200

在这里对原始模型做一些简要说明：

(1) 滤清器进气管与下壳体侧平面成30°夹角；

(2) 内部滤芯区域设定为多孔介质区域，并单独用六面体结构化网格划分；

(3) 将下壳体与进气管连成一体，上壳体与出气管连成一体，二者均用四面体非结构化网格划分；

(4) 为简化处理，进、出气管均按实物标准画出部分图。其中进气管为直段，出气管为1/4圆管。

(5) 入口管与侧面相交面（椭圆面）位于下壳体侧面居中位置；出口管与上壳体相交面的圆心也位于上壳体居中位置。

1.3 空气滤清器有限元模型

对于规则的长方体滤芯区域，采用结构化的六面体网格，使得计算更精确，更有效率；对于上下壳体及进气、出气管道，则采用非结构化得四面体网格，这样网格贴体性更优，计算结果也更符合实际情况。利用GAMBIT里的Mesh功能，设定网格间距为0.005m。对于本课题计算原型，最后得到的节点数和单元数如表1-2所示，网格检查截图如图1-3所示。

表1-2 网格数据

节点数 网格单元数

滤芯 13981 12000

上壳体 18466 92039

下壳体 19553 98731

图1-3 网格检查截图

1.4 边界条件的设置

选择标准k-ε高雷诺数紊流模型，就需要计算湍流动能k和湍流耗散率ε。而这两个数值又与湍流度和湍流尺度相关联。工作中的空气滤清器在实际情况下其湍流度是非常小的，为了更接近于真实的流场，应该采用尽可能小的湍流度，这里取湍流度为经验值0.5%，湍流尺度比相应的特征长度低一阶。湍流动能k和湍流耗散率ε的值分别为：k=0.00375;ε=0.0075467

计算边界条件的设置如表1-3所示。

表1-3 边界条件的设置

空气滤清器内流场计算结果及分析

通过FLUENT的后处理模块，可以得到空气滤清器内流场任意截面上的流速矢量图和压力分布图，在这方面数值模拟比试验研究系统有很大优势，空气滤清器的空气动力特性取决于空气滤清器内气流的速度均匀性和压力损失的大小。

本课题在验证数学模型可靠性的基础上，展开空气滤清器结构参数对流动特性影响的研究，模拟计算了入口位置、入口形状对空气滤清器内气体流动的影响。

2.1入口形状与位置对流动特性的影响

在原型进气管为直管，且管的轴线与下壳体相应侧面成30°角（模型1）的基础上，设计计算了当进气管改为1/4圆管（模型2）和进气管仍为直管，但将进气管往X向的反方向分别移动了0.01m（模型3）和0.02m（模型4）的情况，各模型的网格图如2-1所示：

模型1网格图 模型2网格图

模型3网格图 模型4网格图

图2-1 各模型网格

各模型的网格数量和迭代步数如表2-1所示：

表2-1 不同入口形状（位置）模型的网格数量和迭代步数

入口形状 网格数量 迭代步数

直管（模型1） 202770 459

1/4圆管段（模型2） 200109 452

直管（模型3） 198170 413

直管（模型4） 196019 398

2.1.1空气滤清器内部速度分布

空气滤清器的性能受其流动性影响很大，直接影响其滤清效率、压降大小，从而影响空气滤清器的寿命和发动机的经济性。下面给出滤清器四个模型各截面上的速度分布图。

图2-2 模型1在X=-7.5、X=7.5截面处的速度分布

由图2-2可以看出，原始模型在上壳体和滤芯区域速度分布比较均匀，在下壳体速度分布不均匀，但考虑到原始模型的进气管与下壳体之间呈30度角，所以在下壳体中会出现回流；且出口处的速度明显太小，不符合发动机的进气要求。

图2-3 模型2在X=-7.5、X=7.5截面处的速度分布

由图2-3可以看出在将入口形状改变为1/4圆管后出口的速度明显变得更小，这是因为进气方向垂直进入下壳体，对正对面的壳体造成较大的冲击，从而扰乱气流，产生较大的能量损失。

图2-4 模型3在X=-7.5、X=7.5截面处的速度分布

模型3将进气口的位置做了改变，向X向的反方向移动了0.01m，由图2-4可知，这样的布置使得气体在下壳体中产生更大的涡流，从而加速了气体的流动，在上壳体和滤芯区域的速度分布变得更加均匀，可以看出在出口处的速度比较大，这样才更加符合发动机的进气要求。

图2-5 模型4在X=-7.5、X=7.5截面处的速度分布

模型4的建立是在模型3的基础上将进气口的位置继续移动了0.01m，由图2-5可以看出在出口位置的速度不仅没有提升反而却有所降低，而且速度的分布变得更加不均匀。

由以上分析可对滤清器进气管结构初步改进为模型3，这样的布置是得气体在滤清器中的流动更加均匀，并且出口的速度对比原始模型来说提升很多，这样仅仅对入口的位置做了适当的调整，却使得能量的损失有所降低，符合发动机的进气要求，提高了滤清器的滤清效率。

2.1.2空气滤清器内部压力的分布

空气滤清器压力损失的主要原因是：1、气流与空气滤清器壁面的流动摩擦；2、入口处和出口处的局部旋流引起的气流剪切和变向；3、空气流经滤芯时的流动摩擦，也会产生一部分压力损失。下面给出各模型YOZ平面内压力切片分布图。

图2-6 模型1YOZ平面压力切片分布图 图2-7 模型2YOZ平面压力切片分布图

由图2-6可以看出模型1滤芯区域压降很有规律，且左右对称；由图2-7可以看出模型2在进气口压力损失过大，产生这种现象的原因是由于在进气口垂直壁面进入下壳体，从而对对面的壁面产生较大的冲击，产生了较大的能量损失，进气阻力增加，并且可以看出滤清区域的压降分布变得不太均匀。

图2-8 模型3YOZ平面压力切片分布图 图2-9 模型4YOZ平面压力切片分布图

从图2-8模型3的压力分布图可以看出在对进气口位置做了改变之后，滤芯区域的压降变得更加均匀，图2-9中模型4与模型3相比，滤芯区域的总体的压力损失较大，且在进气口的压力分布没有模型3均匀。

综合以上对各模型速度分布和压力分布的分析，选用模型3的入口布置为最优设计。

结论

本课题详细分析了入口位置、入口形状对空气滤清器流场中速度和压力的影响，对比三维流场的计算结果可知：通过对比分析可知，入口位置对空气滤清器的流动均匀性有明显的影响，将其放置于下壳体短边侧面且偏离中心0.01m处时，空气滤清器内的压力损失变小，速度分布也变得均匀对称，且在出口处的流速变得更大，这样的布置更加符合发动机的进气要求，所以合理设计入口形状可明显减小空气滤清器内的流动的能量损失。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/39f836ede009581b6bd9ebc2.html