一種新型空氣濾清器的設(shè)計(jì)及性能研究

張清奎，王棟,*，徐敏，張學(xué)龍，程家磊，汪祥支

（1.安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243061； 2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

1 前言

汽車尾氣中含有大量顆粒物，隨意排放必將對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。將進(jìn)入發(fā)動機(jī)的空氣通過空氣濾清器進(jìn)行過濾，得到的清潔空氣可以使燃料燃燒得更充分，排放的汽車尾氣中所含的顆粒物就會減少。此外，發(fā)動機(jī)氣缸的磨損也會得到減輕，進(jìn)而延長了發(fā)動機(jī)的使用壽命[1-2]。但同時(shí)，空氣濾清器也會增大發(fā)動機(jī)的能耗，為此，眾多學(xué)者設(shè)法通過改進(jìn)空氣濾清器的結(jié)構(gòu)來獲得更小的壓力損失[3-4]。

AL-sarkhi等[5]通過在入口處加導(dǎo)管的方式來獲得更均勻地空氣濾清器速度場。趙樹恩等[6]將空氣濾清器出口處的端管由直拐角改成了圓滑倒角，同時(shí)將入口管位置下移，發(fā)現(xiàn)其壓力損失降低了7.97%。也有部分學(xué)者對空氣濾清器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化展開了研究，張惠等[7]在空氣濾清器濾芯內(nèi)部增加了一個(gè)喇叭口結(jié)構(gòu)，喇叭口與出氣口相通，研究發(fā)現(xiàn)，此舉可以改善內(nèi)部流場的均勻性，且能降低7%的壓力損失。何志霞等[8]在空氣濾清器的內(nèi)部增設(shè)了插入管結(jié)構(gòu)和內(nèi)置擋板結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明：插入管結(jié)構(gòu)和內(nèi)置擋板結(jié)構(gòu)均會破壞濾芯處流場的均勻性，但插入管結(jié)構(gòu)可降低壓力損失，而內(nèi)置擋板結(jié)構(gòu)卻會增加壓力損失。

除采用數(shù)值模擬來研究以外，也有學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)對空氣濾清器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。李榮軍[9]對底部開口處增加排塵結(jié)構(gòu)的空氣濾清器進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果表明，排塵結(jié)構(gòu)的增加可以有效提升過濾效率且減少壓損。盧進(jìn)軍等[10]對沙漠型空氣濾清器的過濾效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試，效率值為85.3%，然后在沙漠地區(qū)進(jìn)行實(shí)地測量，效率值為84.2%，二者相差很小。宋鈞[11]設(shè)計(jì)了一款新型空氣濾清器，并對壓力損失、過濾效率、使用壽命等性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足要求。

從現(xiàn)有的研究成果來看，更多的工作是針對空氣濾清器外殼及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，而從改進(jìn)內(nèi)部空腔的角度來解決問題的研究相對較少。因此，本文提出了一種帶錐體結(jié)構(gòu)的新型汽車空氣濾清器，其不僅可以降低壓力損失，還能提高過濾效率和減小體積。

2 新型空氣濾清器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于現(xiàn)有的傳統(tǒng)空氣濾清器，其過濾效率與壓力損失難以兼顧，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)提升了過濾效率也會相應(yīng)增加壓力損失，特別對于重型車，進(jìn)氣的壓力損失非常大。除此之外，濾清器中濾芯容易破損，這導(dǎo)致了產(chǎn)品壽命較短，不斷更換濾芯，也增加了車輛的保養(yǎng)成本。

為解決傳統(tǒng)空氣濾清器中客觀存在的上述問題，本文提出了在內(nèi)部增加錐體結(jié)構(gòu)來構(gòu)建一種新型濾清器的設(shè)想，其幾何模型如圖1所示。圖2為新型空氣濾清器的實(shí)物照片。當(dāng)空氣從濾清器的入口進(jìn)入后形成旋流，一部分會分散到主濾芯的四周，該部分空氣通過主濾芯進(jìn)行過濾，清潔空氣進(jìn)入濾筒內(nèi)部，進(jìn)而由出口排出；另一部分空氣流入到濾清器的底部，該部分氣體的過濾任務(wù)由錐體結(jié)構(gòu)承擔(dān)，最后再通過出口排出。很顯然，這種過濾方式可有效增加過濾面積，對過濾效率的提升提供幫助，還能減低壓力損失。此外，過濾面積的增加也減小了單位面積濾芯的過濾負(fù)荷，客觀上會延長其使用壽命。

圖2 新型空氣濾清器的實(shí)物照片

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學(xué)模型

建模時(shí)，做了如下假設(shè)：空氣為定常、不可壓縮流體；流體物性與濾芯（多孔介質(zhì)）的分布為各向同性；恒溫流動、無換熱。

計(jì)算內(nèi)部氣相流場時(shí)采用的是標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，滿足下式：

式中：xi、xj為位移矢量，m；ρ為流體的密度，kg/m3；ui、uj為速度矢量，m/s；υ為運(yùn)動粘度，m2/s；p為流體壓力，Pa；i和j為張量指標(biāo)，取值范圍為（1，2，3）。

濾紙采用多孔介質(zhì)模型，在方程（2）中加入動量源項(xiàng)，可得出空氣流過濾芯過程中的壓力損失[12]。

式中：α為多孔介質(zhì)滲透率；C2為慣性阻力因子；μ為動力黏度，Pa·s。

3.2 網(wǎng)格劃分、初始條件及邊界條件的設(shè)置

模擬時(shí)，利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。考慮到錐體結(jié)構(gòu)中包含有部分曲面，同時(shí)，研究的重點(diǎn)為錐體濾芯和主濾芯，所以，劃分網(wǎng)格時(shí)對該類部件進(jìn)行了加密處理，而壁面等非重點(diǎn)區(qū)域相對稀疏，最終的網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型

依據(jù)工程實(shí)際情況，濾清器的進(jìn)氣量取1500m3/h，進(jìn)氣口直徑為170mm，可計(jì)算得出雷諾數(shù)Re=2×105＞2000，為湍流，故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型。

邊界條件為：入口為速度入口；出口為壓力出口，取0Pa[13]；壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，壁面無滑移邊界條件。

4 新型空氣濾清器與傳統(tǒng)空氣濾清器流場的對比

圖4給出了兩種空氣濾清器的速度云圖。具有一定初速度的氣流進(jìn)入到濾清器時(shí)，必然會對濾芯產(chǎn)生沖擊，一定時(shí)間后，就會造成濾芯破損。由圖4可以看出，相比于傳統(tǒng)濾清器，新型濾清器由于增加了一個(gè)椎體結(jié)構(gòu)，減小了風(fēng)速，這將使得濾芯的壽命得到延長。此外，由圖4還可以看出，傳統(tǒng)濾清器的殼體四周，氣流的速度分布很不均勻，而增加了椎體結(jié)構(gòu)以后，起到了分流作用，很好地改善了均勻性，這也意味著氣流得到了更好的分布，充滿了整個(gè)濾清器，過濾效率將會得到提升。

圖4 兩種空氣濾清器的速度云圖

圖5 給出了兩種濾清器靜壓分布云圖。由圖5可以看出，對于傳統(tǒng)濾清器，氣流從入口處進(jìn)入后，分布到了殼體周圍，壓力較高，當(dāng)通過濾芯后，由于阻力較大，產(chǎn)生明顯壓力損失，氣體在排出濾清器時(shí)，由于出口處截面突然變小，氣流的靜壓轉(zhuǎn)變成動壓，壓力減小。而在濾清器增加了椎體結(jié)構(gòu)以后，加快了氣流擴(kuò)散，減少了氣體聚集，壓力分布明顯更為均勻。

圖5 兩種空氣濾清器的靜壓分布云圖

圖6 顯示了不同進(jìn)氣量條件下，兩種空氣濾清器的壓力損失對比情況。由圖6可知，隨著進(jìn)氣量的增加，兩種濾清器的壓力損失都在變大，但新型濾清器的壓力損失明顯更小，大約是傳統(tǒng)濾清器的80%。這是由于增加了增加錐體結(jié)構(gòu)后，使得氣流可擴(kuò)散到濾清器的四周及底部，可以充分地利用濾芯進(jìn)行過濾，相當(dāng)于增大了過濾面積；同時(shí)，椎體結(jié)構(gòu)本身也是由濾芯構(gòu)成，進(jìn)一步增加了過濾面積。過濾面積的增加必然會減小過濾時(shí)的風(fēng)速，進(jìn)而降低了過濾時(shí)的壓力損失。

綜合以上的分析可知，錐體結(jié)構(gòu)的增加可以產(chǎn)生2方面的效果：提高流場均勻性；降低壓力損失。

圖6 兩種濾清器的壓力損失

5 新型空氣濾清器進(jìn)出口壓力損失的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)汽車行業(yè)空氣濾清器試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)[14]，在實(shí)驗(yàn)臺上對空氣濾清器進(jìn)出口的壓力損失進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，以驗(yàn)證本文數(shù)值計(jì)算方法的可行性與準(zhǔn)確性。試驗(yàn)臺主要由抽氣設(shè)備、空氣流量測量系統(tǒng)、空氣流量控制系統(tǒng)、靜壓和壓力降測量系統(tǒng)、空氣濾清器等組成，如圖7所示。根據(jù)壓力損失的定義，當(dāng)空氣流過總成之時(shí)，壓力損失就是其上、下游規(guī)定測壓點(diǎn)處管道內(nèi)氣流的全壓差。因此，在確定壓力損失時(shí)，先確定被試總成上、下游測壓點(diǎn)之間的全壓值。

圖7 進(jìn)氣總成綜合實(shí)驗(yàn)裝置

圖8 新型空氣濾清器實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比

圖8 顯示了新型空氣濾清器壓力損失的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比情況，很顯然，隨著進(jìn)氣量的增加，壓力損失也在增加，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的變化趨勢一致，但存在著一定誤差，誤差大小不超過11.32%。這也表明：采用k-ε模型及多孔介質(zhì)模型對空氣濾清器流場進(jìn)行模擬具有可行性。

6 結(jié)論

（1）本文提出了的帶有內(nèi)部錐體結(jié)構(gòu)的新型空氣濾清器可提升流場的均勻性，這有利于提高過濾效率，減小過濾負(fù)荷，延長產(chǎn)品使用壽命；

（2）新型空氣濾清器可顯著降低壓力損失，降幅可達(dá)20%；

（3）采用k-ε模型及多孔介質(zhì)模型對空氣濾清器流場進(jìn)行模擬具有可行性，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間誤差不超過11.32%。