某重型車輛空氣濾清器改進(jìn)

畢占東，康 琦

(裝甲兵工程學(xué)院 a.裝備試用與培訓(xùn)大隊; b.機(jī)械工程系，北京 100072)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

某重型車輛空氣濾清器改進(jìn)

畢占東a，康 琦b

(裝甲兵工程學(xué)院 a.裝備試用與培訓(xùn)大隊; b.機(jī)械工程系，北京 100072)

在不改變空氣濾清器原有結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，在空氣濾清器進(jìn)氣口添加預(yù)濾裝置，提高了空氣濾清器的整體濾清效果。應(yīng)用Soildworks軟件對空氣濾清器預(yù)濾裝置進(jìn)行三維建模，利用ANSYS-FLUENT軟件進(jìn)行氣流阻力分析，得到預(yù)濾裝置壓力分布和氣流流速矢量分布曲線。對預(yù)濾裝置內(nèi)部進(jìn)行離散相數(shù)值模擬，并追蹤顆粒運動軌跡，驗證了濾清效果，能滿足我國西北風(fēng)沙大地區(qū)某重型車輛使用要求。

預(yù)濾裝置；濾清效果；速度場；離散相

對于某重型車輛的空氣濾清器，在西北戈壁灘等塵土顆粒較小的地區(qū)使用過程中，由于金屬濾網(wǎng)無法有效過濾細(xì)微塵土顆粒，嚴(yán)重影響了空氣濾清器的濾清效果，制約了車輛各種效能的有效發(fā)揮，使發(fā)動機(jī)早期磨損。研究能夠阻擋較小塵土顆粒的濾清器，對于提高空氣濾清器濾清效果具有重要意義[1-3]。

目前軍事強(qiáng)國許多老式重型車輛普遍采用復(fù)合式空氣濾清器[4]。復(fù)合式空氣濾清器由旋流管粗濾器和精濾器組成，精濾器普遍采用濾塵絲、濾紙和毛氈。隨著裝甲車輛技術(shù)的進(jìn)步，尤其是動力傳動裝置向高功率密度、高效率集成化方向發(fā)展，促使裝甲車輛的進(jìn)氣系統(tǒng)也有了很大的變化。美國M1坦克采用直通式旋流管和V型紙柵式濾紙構(gòu)成的空氣濾清器。俄羅斯T-72坦克采用旋流管和濾塵絲構(gòu)成的濕式空氣濾清器，T-90MS坦克的空氣濾清器由鋁制旋風(fēng)管和無紡布組成。英國M88救援車的空氣濾清器由兩級旋風(fēng)預(yù)濾器和自潔式過濾器組成。國內(nèi)外主要通過改變空氣濾清器體外殼形狀和更換濾芯材料等方法提高空氣濾清器濾清效果，主要研究方向[4-7]是：采用直通式旋流管、自潔式濾紙、無濾芯式、高壓過濾式濾清器。

為了提高某重型車輛空氣濾清器的濾清效果，保證發(fā)動機(jī)功率的有效發(fā)揮，作者提出在空氣濾清器粗濾(一級濾清器)前設(shè)置預(yù)濾裝置。該方案最大的特點是不改變原有車輛上空氣濾清器的結(jié)構(gòu)尺寸，只在進(jìn)氣口添加預(yù)濾裝置，提高了空氣濾清器的濾清效果。

1 理論分析

1.1 流體動力學(xué)控制方程

將預(yù)濾裝置流體的內(nèi)部流動作為恒溫定常流動，流動平衡后各點速度不隨時間變化，流體的壓強(qiáng)和粘性力也不隨時間變化。因此流體在預(yù)濾裝置中滿足質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律。

1.1.1 質(zhì)量守恒定律

任何的流動問題都遵循質(zhì)量守恒定律。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

其中：ρ為密度，t為時間，ui為速度矢量。

考慮到預(yù)濾裝置為定常流問題，確定Sm的值為0。

1.1.2 動量守恒定律

(2)

其中：P為靜壓，τij為應(yīng)力張量，ui和uj分別為i方向上的重力體積力和外部體積力，F(xiàn)i包含了其他的模型相關(guān)源項。

應(yīng)力張量由下式給出：

(3)

1.2 氣固兩相流模型理論

運用Realizable k-epsilon湍流模型對預(yù)濾裝置中空氣和灰塵顆粒兩相流的空氣狀態(tài)進(jìn)行仿真，運用離散相模型對灰塵顆粒流進(jìn)行仿真。

1.2.1 氣流湍流模型

流體的流動狀態(tài)分為層流和湍流。當(dāng)雷諾數(shù)低于臨界雷諾數(shù)時，流體的分層流動即為層流；當(dāng)雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)時，流體的運動狀態(tài)改變，彼此有序互不影響的分層流動變成雜亂無序不穩(wěn)定的流動，稱為湍流。通過計算預(yù)濾裝置內(nèi)部流動時雷諾數(shù)得到其內(nèi)部流動為湍流的具體狀態(tài)。

湍流動能輸送方程：

(4)

其中：k表示湍流動能，ε為湍流耗散率，Gk和Gb分別是由于平均速度和浮力引起的湍流產(chǎn)生項，YM表示湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)。

1.2.2 離散相模型

離散相：體積分?jǐn)?shù)小于10%時，利用FLUENT離散相模型進(jìn)行求解可得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。將粒子當(dāng)做離散存在的一個個顆粒時，計算連續(xù)相流場，再結(jié)合流場變量求解每一個顆粒的受力情況，就能獲得顆粒的速度，追蹤每一個顆粒的軌道。

在FLUENT軟件中，通過積分拉氏坐標(biāo)下的顆粒作用力微分方程求解離散相顆粒的運動軌跡，顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下x的形式為：

(5)

式中：FD為灰塵顆粒的單位質(zhì)量拽力；up為灰塵速率；u為環(huán)境速率；ρP為灰塵的密度；Fx為其他作用力。計算過程中不考慮附加質(zhì)量力和流體壓力梯度引起的作用力、熱泳力等。

2 計算模型的建立

預(yù)濾裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1，該預(yù)濾裝置由旋轉(zhuǎn)葉片、內(nèi)外筒、防塵網(wǎng)格板、防雨蓋、出氣口、抽塵裝置等部分組成。其中預(yù)濾裝置的出口直徑d為92 mm，外筒直徑D為156 mm，葉片傾角為32°，集塵處高度h為30 mm，空腔高度為110 mm，葉片導(dǎo)向部分高度e為20 mm。在多塵地區(qū)使用時，將此預(yù)濾裝置裝在空氣濾清器的進(jìn)氣口。正常工作時，含有大量塵土的空氣通過防雨蓋、網(wǎng)格板進(jìn)入預(yù)濾裝置內(nèi)部，此時大顆粒的雜物被阻擋在外面；然后空氣通過旋流葉片高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，空腔內(nèi)的大部分塵土顆粒被甩在空腔內(nèi)壁上。由于自身重力作用，大部分灰塵進(jìn)入到空氣濾清器集塵箱處，最后通過廢氣抽塵裝置或電動抽塵泵將塵土排出。而后較潔凈的空氣進(jìn)入到空氣濾清器中通過濾網(wǎng)過濾，最終達(dá)到提高空氣濾清器的濾清效率、預(yù)防發(fā)動機(jī)早期磨損的目的。

圖1 預(yù)濾裝置結(jié)構(gòu)簡圖

利用Soildworks軟件對預(yù)濾裝置進(jìn)行建模，得到三維幾何模型如圖2所示。

圖2 預(yù)濾裝置三維模型

2.1 湍流模型的建立

2.1.1 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS軟件對幾何模型抽空得到氣體模型，然后對氣體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)為1 735 269個、節(jié)點數(shù)為313 896個。

由于幾何形狀復(fù)雜，為保證仿真效果，采用四面體網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 預(yù)濾裝置網(wǎng)格模型

2.1.2 邊界條件的確定

在預(yù)濾裝置流場分析中，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1.0×105Pa，溫度為293 K，空氣密度為1.204 kg/m3,分子粘度為1.80×105Pa·s，比熱容為1 006.0 J/kg。

由于本課題涉及的空氣濾清器是為柴油機(jī)增壓器提供規(guī)定流量的空氣，故入口采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。根據(jù)某重型車輛發(fā)動機(jī)在使用轉(zhuǎn)速(1 700-1 900 r/min)條件下空氣需求量[7]為1 271.8 g/s以及空氣濾清器進(jìn)氣口的尺寸、結(jié)構(gòu)，確定入口速度為30 m/s。對于出口邊界條件，設(shè)定壓力為0 Pa。

2.1.3 仿真方法的確定

本文研究對象為不可壓縮的理想氣體穩(wěn)態(tài)定常流動三維模型，故不考慮流體的粘度、流體的壓縮性和氣流的熱力學(xué)條件。采用有限體積法的基本思想，利用SIMPLE算法進(jìn)行迭代，迭代次數(shù)為1 000次。經(jīng)過分析決定采用三維單精度穩(wěn)態(tài)求解器，粘性模型選擇Realizable k-epsilon湍流模型，對預(yù)濾裝置內(nèi)部的三維湍流流場狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2 離散相模型的建立

前面對連續(xù)相進(jìn)行了仿真分析，現(xiàn)在在連續(xù)相的基礎(chǔ)上加入離散相，用已有的空氣流場，根據(jù)離散相受力平衡求解灰塵的運動軌跡。計算中空氣作為連續(xù)相，灰塵作為離散相。空氣中離散相灰塵的含量為2 g/m3，在350 m3/h空氣流量下，灰塵的質(zhì)量流速為2 g/s，灰塵密度取500 kg/m3，空氣密度取1.204 kg/m3。文中采用雙向耦合拉格朗日法追蹤顆粒運動軌跡，分析結(jié)果。

2.3 發(fā)動機(jī)工作過程模型

以某重型車輛進(jìn)氣系統(tǒng)與預(yù)濾裝置的匹配為研究對象。應(yīng)用GT-Power軟件建立了該發(fā)動機(jī)的工作過程模型，對比加裝預(yù)濾裝置前后對發(fā)動機(jī)的影響。該柴油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和部分性能指標(biāo)如表1所示。工作過程模型如圖4所示。

表1 發(fā)動機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)及性能指標(biāo)

圖4 發(fā)動機(jī)的工作過程模型

3 計算結(jié)果

3.1 湍流模型的仿真結(jié)果

應(yīng)用ANSYS軟件計算得到標(biāo)定工況下預(yù)濾裝置內(nèi)部氣流速度分布，如圖5和圖6所示。

圖5 預(yù)濾裝置整體速度場跡線圖

圖6 防雨蓋和旋轉(zhuǎn)葉片處速度場分布圖

3.2 離散相模型的仿真結(jié)果

空氣作為連續(xù)相，灰塵作為離散相，應(yīng)用ANSYS軟件計算得到預(yù)濾裝置中塵土顆粒的運動軌跡，并對顆粒進(jìn)行追蹤，如圖7和圖8所示。

圖7 顆粒直徑為80 μm時的運動軌跡時間云圖

圖8 預(yù)濾裝置壓降圖

3.3 發(fā)動機(jī)工作過程仿真結(jié)果

根據(jù)湍流模型和離散相模型計算出預(yù)濾裝置的參數(shù)，對安裝預(yù)濾裝置前后進(jìn)行發(fā)動機(jī)工作過程模擬，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 安裝預(yù)濾裝置前后發(fā)動機(jī)工作參數(shù)

4 分析和結(jié)論

由預(yù)濾裝置整體速度場分布圖可以看出：預(yù)濾裝置的濾清作用能夠?qū)崿F(xiàn)，空氣進(jìn)入旋流片后，流速增快，由于旋流片形狀的影響，其軸向、徑向及切向流速很不均勻，其徑向速度有向心的，也有背心的。經(jīng)過旋流片后，流速趨于均勻。接近收集器時，流速又發(fā)生很大變化，灰塵收集器內(nèi)流動漸漸停止，而中間灰塵進(jìn)入的區(qū)域，流速又有所增加。

根據(jù)圖5、圖6所得的結(jié)果，可以看出：氣體在通過旋轉(zhuǎn)葉片時產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)氣流比較理想，葉片的導(dǎo)流作用顯著提高，空腔內(nèi)氣體做高速旋轉(zhuǎn)運動；高速旋轉(zhuǎn)的氣流主要分布在預(yù)濾裝置空腔的整個區(qū)域，空腔作用得到有效發(fā)揮；預(yù)濾裝置中氣流較穩(wěn)定，整體分布較均勻。

從圖7可以看到，直徑為80 μm大小的顆粒從預(yù)濾裝置進(jìn)口隨空氣運動到集塵處，共耗時0.037 s，且顆粒隨動性較好，沒有明顯下落跡象。

從圖9可以看到，用GT-Power軟件對加裝預(yù)濾裝置進(jìn)行仿真后，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的功率下降2.8%，可以對塵土顆粒實現(xiàn)較高的濾清效率，不會明顯影響發(fā)動機(jī)性能，能滿足我國西北風(fēng)沙大地區(qū)某重型車輛使用要求。

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(責(zé)任編輯 周江川)

Performance Improving of the Heavy Vehicle Air Filter

BI Zhan-donga, KANG Qib

(a.Brigade of Armament Trial and Training; b.Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering Institute, Beijing 100072, China)

A pre-filter was added to the air vent to improve filter efficiency under the condition that the size of the original air filter remains the same. The three-dimensional model was built in Solidworks, of which the airflow pressure was analyzed in ANSYS-FLUENT. The pressure distribution and the flow rate distribution in pre-filter were obtained. In addition, the inner condition was simulated discretely and the movement of particles was tracked. The result demonstrates that this device is capable of improving the filter efficiency in heavy sand environment, enabling normal application for heavy vehicle in the northwest.

pre-filter; filter efficiency; flow rate field; discrete phase

2016-11-25；

2016-12-29 作者簡介：畢占東(1975—)，男，副教授，主要從事車輛運用工程研究。

10.11809/scbgxb2017.04.009

畢占東，康琦.某重型車輛空氣濾清器改進(jìn)[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(4):42-45.

format:BI Zhan-dong, KANG Qi.Performance Improving of the Heavy Vehicle Air Filter[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):42-45.

TQ051.8

A

2096-2304(2017)04-0042-04