汽車空氣濾清器進氣阻力分析

袁志群， 黃飛健， 劉金武， 許西安

(1. 廈門理工學院 機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024；2. 中南大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410075)

?

汽車空氣濾清器進氣阻力分析

袁志群1，2， 黃飛健1， 劉金武1， 許西安1

(1. 廈門理工學院 機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024；2. 中南大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410075)

摘要：為了降低汽車空氣濾清器進氣阻力，應用計算流體動力學方法建立殼體和濾芯的耦合數值計算模型.利用正交分析方法研究進出氣口結構參數對進氣阻力的影響規律，總結進氣阻力隨流量變化的關系式,通過濾芯的流量-壓降實驗驗證數值計算方法的可靠性.結果表明：進氣阻力隨著流量的增加呈拋物線趨勢增加；在額定流量工況下，進氣阻力隨著出氣口面積的增加而減小，負載時最大降幅達到37.2%；進出氣口圓角半徑越大，進氣阻力越小，負載時最大降幅分別達到16.6%和36.2%.

關鍵詞：空氣濾清器； 進氣阻力； 結構參數； 計算流體動力學； 數值計算

進氣系統性能是發動機性能的重要保障，結構設計缺陷將導致進氣系統阻力增大，影響發動機燃油經濟性和動力性.此外，進氣阻力增加會導致內部真空度增加，對各接口密封性提出更高要求.空氣濾清器是發動機進氣系統的重要組成部分.以往進行空氣濾清器結構設計時主要依靠經驗公式及工程師的經驗，通過試制的方法進行.因此，結構設計初期不能準確地預測產品的性能，而需要等到試制品完成后，通過實驗的方法分析產品性能，耗時耗力.通過計算流體動力學的方法，能適時準確判斷產品性能，并且獲得許多實驗方法難以實現的數據，找出結構設計中存在的問題，及時進行結構改進，從而降低成本，縮短產品研發周期[1-6].文獻[7]研究進出氣管管徑大小和插入長度對進氣性能和消聲性能的影響.文獻[8-9]對空氣濾清器流動阻力特性進行實驗和仿真研究.從現有研究成果來看，更多的工作主要是對不同車型的空氣濾清器進行改進，不具有通用性，無法全面反映空氣濾清器的結構參數對進氣阻力的影響規律.基于此，本文對乘用車常用的褶狀干式空氣濾清器進氣阻力進行分析與研究.

1數值計算模型的建立

為了總結空氣濾清器結構參數對進氣阻力影響的普遍性規律，建立乘用車常用的褶狀干式空氣濾清器幾何模型.該模型由上、下殼體及濾芯等3部分組成.利用UG建立內流場1∶1幾何模型， 保留結構全部特征.空氣濾清器數值分析模型與空氣實際流動區域具有一致性，共分為上、下殼體自由流動區域和中間濾芯多孔介質流動區域.

(a) 計算域　　　　　　(b) 面網格　圖1　空氣濾清器網格劃分Fig.1　Air filter mesh

在前處理軟件ICEM-CFD中,采用OCTREE方法對空氣流動區域進行離散，如圖1所示.在空氣濾清器殼體表面拉伸出與其平行的三棱柱網格，以滿足壁面函數的需求，精確模擬殼體表面的附面層.在流動變化劇烈的區域進行網格加密，通過采用不同的網格數目驗證了網格的無關性.數值分析模型網格達90萬.測試表明,劃分的網格單元數足以消除網格密度的影響.

為了簡化計算，對數值分析模型作如下3點假設：1) 空氣濾清器內部流動速度遠小于音速，空氣密度變化基本為零，假設為不可壓縮流體；2) 在入口流量一定的情況下，空氣濾清器內部流動作定常處理；3) 濾芯內部各物性參數各向同性.

空氣濾清器內部流場基本控制方程為三維不可壓縮雷諾時均方程，湍流模型采用標準k-ε方程，殼體近壁區域采用壁面函數進行修正.計算采用二階迎風格式，方程求解采用SIMPLE算法.入口采用速度入口邊界條件(根據廠家提供的額定空氣流量和入口面積轉化成速度數據)，出口采用壓力邊界條件，殼體壁面采用無滑移壁面邊界條件，濾芯采用多孔介質模型.流體流經多孔介質時遵循Darcy定律，多孔介質流動控制方程是在雷諾時均方程中增加一個負的動量源項，由黏性損失項和慣性損失項兩部分組成.對動量源項在濾芯厚度方向進行積分，得到多孔介質模型計算經驗公式為

表1　濾芯壓降計算值和實驗值對比

式中:p為壓力；Δx為濾芯厚度；v為滲濾速度；α-1為粘性阻力系數；c2為慣性阻力系數.

通過試驗臺架測得空氣濾清器濾芯的壓降(Δp)-流量(Q)變化關系，結合多孔介質模型計算公式，得到計算所需參數.通過數值分析的方法計算濾芯的壓降，與實驗數據進行對比，誤差控制在6%以內，結果如表1所示.表1中：η為誤差.表1驗證了文中數值計算方法的準確性.

濾芯試驗在空氣濾清器性能試驗臺架上完成，其測試原理如圖2所示.圖2中:左端連接灰塵噴射器，用于測驗濾芯的粉塵過濾性能;右端連接流量控制閥和抽氣機，用于測驗濾芯在不同流量下的性能.

圖2　濾芯壓降測試原理Fig.2　Testing principle of pressure dropin the filter element

2分析與討論

2.1空氣濾清器進氣阻力分析

汽車空氣濾清器流動性能的重要指標是進氣阻力，其大小直接影響進氣效率.進氣阻力[10]定義為：當空氣流過總成時，其上、下游壓力損失.首先，應確定上、下游壓力降，然后，根據上、下游由于管道截面積變化引起的流速變化所產生的動壓加以修正.進氣阻力的定義公式為

圖3　空氣濾清器進氣阻力與流量關系Fig.3　Relationship between air intakeresistance and flow rate in the air filter

空氣濾清器的進氣阻力試驗需要以空氣濾清器的額定空氣體積流量為標準，按額定空氣體積流量的40%，60%，80%，100%，120%分別進行測取.空氣濾清器在空載和負載情況下進氣阻力與流量(Q)的變化關系，如圖3所示.由圖3可知：隨著進氣量的增加，進氣阻力呈拋物線關系增長;在負載工況下，增加趨勢更加明顯，殼體本身所引起的進氣阻力占主要部分.因此，合理的結構設計對于降低進氣阻力至關重要.

應用最小二乘法對數據進行擬合，可得進氣阻力與流量的關系式:1) 負載時,Δpr=0.032 6Q2+1.355 1Q;2) 空載時，Δpr=0.027 2Q2+0.041 7Q.

入口截面壓力的分布云圖，如圖4所示.由圖4可知:空氣濾清器內部壓力呈現遞減趨勢.空氣從進氣口進入上殼體以后，在正對入口截面的上殼體壁面上，氣流受到阻滯，速度下降，壓力上升.因此，出現局部的壓力升高.結合圖3數據分析可知：氣流在空氣濾清器內部流動過程中，壓力損失主要來自于殼體本身，濾芯所占比重較小，并且隨著流量的增加，趨勢越明顯.

空氣濾清器的三維流場，以及入口截面速度云圖與流線圖，分別如圖5，6所示.由圖5，6可知：空氣濾清器內部流場主要存在2個渦系，分布在上殼體中，分別在平行和垂直于濾芯平面的截面上；渦系的存在使氣流不能順暢地通過濾芯，并且濾芯表面的速度分布不均勻；進氣管與殼體過渡部分為直角，氣流從進氣管進入后，存在局部的分離渦系；下殼體氣流平均速度偏小，不能及時從出氣口流出.這些因素都降低了進氣效率，造成進氣阻力偏大.

圖4　入口截面壓力分布云圖 圖5　空氣濾清器三維流場Fig.4　Pressure distribution of inlet section Fig.5　3D airflow of air filter

(a) 速度云圖 (b) 流線圖圖6　入口截面速度云圖與流線圖Fig.6　Velocity contour and flow chart of inlet section

圖7　空氣濾清器結構參數示意圖Fig.7　Schematic diagram of the structuralparameter of the air filter

從以上分析可知，空氣濾清器上殼體渦系較為復雜，下殼體平均速度偏小，因此，進氣效率低，進氣阻力偏大.

2.2空氣濾清器結構參數對進氣阻力的影響

空氣濾清器結構參數示意圖，如圖7所示.以下將主要從對上下殼體流動特性影響較大的進出氣口結構參數入手，分析進出氣口結構參數，如進出氣口面積比(S1/S2)、進氣口圓角半徑(R1)和出氣口圓角半徑(R2)對進氣阻力的影響規律，結果如圖8所示.

2.2.1進出氣口面積比保持進氣口截面積S1不變的情況下，改變出氣口S2的大小，分析空氣濾清器在額定空氣流量工況下進氣阻力隨進出氣口面積比變化規律，如圖8(a)所示.由圖8(a)可知:隨著進出氣口面積比的增加，空氣濾清器在空載和負載情況下進氣阻力基本呈線性趨勢增加.這是因為進出氣口面積比越大，出氣口面積相對較小，氣流從出氣口流出不順暢.因此，在結構設計時應該盡可能加大出氣口面積，提高空氣濾清器進氣效率.

由圖8(a)還可知:進出氣口面積比變化對濾芯的阻力基本無影響.此外，進出氣口面積比由1.5減小為0.8，相應的出氣口面積增加89.8%，則空氣濾清器空載時進氣阻力降低49.6%，負載時進氣阻力降低37.2%.

(a) 進出氣口面積比　　　　　　　　(b) 進氣口圓角半徑　　　　　　　　(c) 出氣口圓角半徑圖8　空氣濾清器結構參數對進氣阻力影響Fig.8　Influence of structural parameters of air filter on air intake resistance

2.2.2進氣口圓角半徑保持進出氣口面積比為定值1.5，改變進氣口與殼體的圓角半徑R1，分析空氣濾清器在額定空氣流量工況下進氣阻力隨進氣口圓角半徑的變化規律，如圖8(b)所示.由圖8(b)可知:隨著進氣口圓角半徑的增加，空氣濾清器在空載和負載情況下，進氣阻力都隨著原角半徑的增加而降低；增加圓角半徑可以避免氣流從進氣口流入殼體后出現局部的氣流分離，提高了進氣效率；當圓角半徑達到一定值時，進氣阻力不再減小，圓角半徑的變化對濾芯阻力基本沒有影響.此外，當進氣口圓角半徑由0增加到10 mm時，空氣濾清器空載時，進氣阻力降低20.4%；負載時，進氣阻力降低16.6%.

2.2.3出氣口圓角半徑保持進出氣口面積比為定值1.5，改變出氣口與殼體的圓角半徑R2，分析空氣濾清器在額定空氣流量工況下，進氣阻力隨出氣口圓角半徑的變化規律，如圖8(c)所示.由圖8(c)可知:隨著出氣口圓角半徑的增加，空氣濾清器在空載和負載情況下， 進氣阻力都隨著原角半徑的增加而降低.增加圓角半徑相當于增加出氣口截面積，氣流從出氣口流出更加順暢，提高了進氣效率.當圓角半徑達到一定值時，進氣阻力不再減小，圓角半徑的變化對濾芯阻力基本無影響.此外，出氣口圓角半徑由0增加到15 mm時，空氣濾清器空載時，進氣阻力降低42.9%；負載時，進氣阻力降低36.2%.

表2　正交分析方案和進氣阻力結果

2.3進出氣口結構參數正交分析法

應用正交分析方法分析進出氣口面積比(S1/S2)、進氣口圓角半徑(R1)、出氣口圓角半徑(R2)等3個影響因素的主次關系以及相互作用規律.選用L9(33)三因素三水平正交分析方案，水平選取遵循等間距原則，計算得到9種方案進氣阻力(Δpr)，如表2所示.

按極差分析法得到正交試驗結果分析，如表3所示.表3中：Yj，k表示j影響因子的k水平所對應的進氣阻力平均值，由Yj，k大小可以判斷j影響因素的優水平；Rj為j影響因素水平變動時進氣阻力的變動幅度，Rj越大，說明該因素對進氣阻力影響越大. 由表3及前述分析可知： 組合優化方案比單因素優化方案效果更好.

表3　正交分析表

本次試驗對進氣阻力大小影響的主次因素依次是：進出氣口面積比、進氣口圓角半徑、出氣口圓角半徑.最優組合是進出氣口面積比(S1/S2)為0.8，進氣口圓角半徑(R1)為15 mm，出氣口圓角半徑(R2)為15 mm.

3結論

通過對乘用車常用的褶狀干式空氣濾清器進氣阻力進行分析與研究，得出以下5點結論.

1) 空氣濾清器進氣阻力隨著流量的增加呈拋物線趨勢增加.利用最小二乘法擬合出空氣濾清器進氣阻力與流量的關系式，對結構和尺寸相似的空氣濾清器初期結構設計，預測進氣阻力大小具有一定指導意義.

2) 在流量一定的情況下，空氣濾清器進氣阻力主要來自于殼體自身，濾芯所占比重較小，隨著流量增加，這種趨勢越明顯.因此，合理的結構設計至關重要，其中，進出氣口結構參數影響最大.

3) 進氣阻力隨著出氣口面積和出氣口圓角的增加而降低.在結構設計時，可優先考慮增加出氣口圓角半徑，當圓角半徑達到約15 mm時，進氣阻力基本保持不變，空載和負載時，降低幅度分別達到42.9%和36.2%.

4) 進氣阻力隨著進氣口圓角半徑增加而降低.當圓角半徑達到10 mm左右時，進氣阻力基本保持不變，空載和負載時，降低幅度分別達到20.4%和16.6%.

5) 組合優化方案優于任意單因素優化方案，結構設計時可結合實際情況選擇進出氣口面積比及進出氣口圓角半徑.對進氣阻力影響的主次因素依次為：進出氣口面積比、進氣口圓角、出氣口圓角.

參考文獻：

[1]REBAL M，PRAT M，MEIRELES M，et al.A semi-analytical model for gas flow in pleat filters[J].Chemical Engineering Science，2010，65(1):2835-2846.

[2]NAGARAJAN G，KUMAR S，CHOWDHURY D.CFD analysis of air filters for an off-highway vehicle[C]∥SAE Motosports Engineering Conference and Exhibition.Detroit:[s.n.],2007:559-567.

[3]劉聯鋆，郝志勇，劉遲.空氣濾清器流動阻力與噪聲特性的仿真和優化[J].汽車工程，2011，33(12):1092-1097.

[4]LIU Chi，HAO Zhiyong，CHEN Xinrui.Optimal design of acoustic performance for automotive air-cleaner[J].Applied Acoustics，2010，71(5):431-438.

[5]關英俊，張力鋒，李想，等.汽車空氣濾清器的模態分析及結構優化[J].計算機仿真，2015，32(4):124-128.

[6]何志霞，蔣兆晨，王碩，等，空氣濾清器的空氣動力學仿真及優化[J].中南大學學報(自然科學版)，2012，43(3):1179-1184.

[7]王鵬宇，康寧.某型號空濾器進氣系統的氣動和消聲性能研究[J].汽車科技，2013(4):1-7.

[8]唐剛志，張力，鄧濤，等.發動機用平板型空濾器流動阻力特性分析和改進[J].重慶大學學報，2015，38(4):18-23.

[9]趙樹恩，蔣艾伶.某發動機空濾器的CFD優化設計[J].機械設計與制造，2015(8):163-166.

[10]重慶汽車研究所.汽車用空氣濾清器試驗方法：QC/T 32-2006[S].北京：中國計劃出版社，2006:1-30.

(責任編輯： 錢筠 英文審校： 楊建紅)

Analysis on Air Intake Resistance of Automotive Air Filter

YUAN Zhiqun1，2， HUANG Feijian1， LIU Jinwu1， XU Xi′an1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China；2. School of Traffic and Transportation Engineering， Central South University， Changsha 410075， China)

Abstract：To reduce the air intake resistance of automotive air filter, a coupled numerical model of shell and filter element was established by using computational fluid dynamics technique. The influence of the inlet and outlet structure parameters on air intake resistance was analyzed by orthogonal analyses method, and the relationship between the air intake resistance and the mass flow rate was summarized. The reliability of the numerical calculation method is verified by the experiment of flow rate versus pressure drop in the filter element. The results showed that the air intake resistance increased at parabola trend with the increasing mass flow rate. Under rated flow conditions, the air intake resistance decreased with the increasing outlet area and the maximum drop was 37.2% under load conditions. The air intake resistance decreased with the increasing inlet and outlet fillet radius, the maximum drop was 16.6% and 36.2% under load conditions.

Keywords：air filter； air intake resistance； structure parameters; computational fluid dynamics； numerical analysis

中圖分類號：TK 402

文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51405517, 51405411)； 福建省教育廳科技項目(JB13151)； 福建省廈門市重大科技計劃項目(3502Z20100080)

通信作者：袁志群(1983-)，男，講師，博士研究生，主要從事車輛空氣動力學的研究.E-mail:yzqhnu@163.com.

收稿日期：2015-11-23

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0268

文章編號：1000-5013(2016)03-0268-05