某商用车空气滤清器前进气道液滴的分离特性

某商用车空气滤清器前进气道液滴的分离特性

唐莲花;程家磊;钱付平;魏舒婷;肖鹏程;姜荣贺;曹立新

【摘要】建立某商用汽车空气滤清器前进气道的数值计算模型,基于CFD-DPM方法对进气道内气-液两相流进行了数值模拟,计算了不同格栅角度和有无挡雨片时进气道的压力损失及分离效率,另外,还计算了格栅角度为30°、有挡雨片时前进气道

对不同粒径液滴的分离效率.结果表明:对于无论是否加挡雨片的前进气道,随着格栅角度的减小,前进气道压力损失及其对液滴的分离效率逐渐增大;对于一定的格栅角度,加挡雨片时的压力损失要比未加挡雨片时的压力损失大300 Pa左右,加挡雨片

时前进气道对液滴的分离效率要比未加挡雨片的前进气道对液滴的分离效率高30%左右.

【期刊名称】《过滤与分离》

【年(卷),期】2017(027)004

【总页数】6页(P21-26)

【关键词】商用车;前进气道;液滴分离特性;数值研究

【作者】唐莲花;程家磊;钱付平;魏舒婷;肖鹏程;姜荣贺;曹立新

【作者单位】河北亿利橡塑集团有限公司,河北清河054800;安徽工业大学建筑工程学院,安徽马鞍山243002;安徽工业大学建筑工程学院,安徽马鞍山243002;安

徽工业大学建筑工程学院,安徽马鞍山243002;河北亿利橡塑集团有限公司,河北

清河054800;河北亿利橡塑集团有限公司,河北清河054800;一汽技术中心,吉林

长春130011

【正文语种】中文

【中图分类】TQ028.2;TK422

进气系统是车辆的重要组成部分，进气系统的性能影响着发动机和整车性能。不合理的进气系统设计导致进气阻力较大，发动机燃油经济性变差。同时进气阻力增加造成系统内部真空度加大。对系统各接口密封性提出严格的要求，当不能完全满足密封条件时，未经过滤的空气会从各接口被吸入气缸，造成气缸的磨损，减短气缸的使用寿命［1］。很多汽车厂在设计发动机进气系统时，往往根据经验公式确定相应的结构参数，所设计的进气系统不能很好地满足发动机要求。随着计算机技术的发展利用CFD专业分析软件对汽车空气滤清器和进气道进行数值模拟的越来越

多［2-3］。Chu［4］等采用实验与模拟相结合的方法对空气过滤器进行了研究，Toma［5］等对空气滤清器的维护做了研究，John［6］等研究了空气滤清器对

汽车性能参数的影响。不过，这些研究主要是针对空气滤清器开展的，对进气道的研究则主要集中在整个进气系统的结构优化，进气性能、进气阻力对发动机的磨损和性能的影响以及对流场的特性分析上［7-9］。而很少有人对雨天汽车进气道进水问题进行分析，特别是在行驶状态下的汽车进气道内进水问题，进气道内如果进水会造成空气滤清器有进水痕迹并变形［10］。并且如果水由进气道进入气缸的话，由于水有不可压缩性，活塞运动行程将会变短，从而导致发动机连杆弯曲或断裂，甚至造成击穿发动机缸体的重大破坏。所以如何改变进气道入口部分的结构，以提高进气道对雨水的分离效率，对汽车进气系统的设计具有重要的意义。

基于以上问题，本文主要对雨天行驶状况下汽车前进气道的液滴分离问题进行分析。利用Fluent软件中的CFD-DPM模型对不同的前进气道模型的空气-液滴两相流

进行数值计算，得出汽车在某一行驶工况下空气滤清器前进气道的流场特性并计算了其对液滴的分离效率，从而为空气滤清器前进气道的优化设计提供参考。

1.1 几何模型的建立及网格的划分

采用专业建模软件SolidWorks建立空气滤清器前进气道几何模型，进气道的气流先经气道入口进入，再经过格栅及其后面的挡雨片，最后由出口流出，其结构如图1所示，格栅的侧面与坐标平面XOY的空间夹角为格栅角度。本文采用ICEM CFD的自动网格生成软件对图1所示的流场区域进行网格划分，生成的网格如图2所示。

由于整个流场尺寸数量级为米，而进口格栅和尺寸数量级为毫米，所以对格栅的网格进行了局部加密处理，网格加密情况如图2所示。为了保证流场分析的精度和效率，本文在某些自动生成网格不理想的区域进行了局部修正，最后得到的计算网格总数约为200万。

1.2 CFD-DPM方法

为了方便计算，本文数值模拟时作了以下假设：

（1）气体是不可压缩流体；

（2）工作过程中温度不变；

（3）入口处气流速度分布均匀［11］。

基于以上假设，可列出前进气道入口内不可压缩湍流流动的控制方程：

式中，ρ为流体的密度，kg/m3；u为流体速度，m/s。P，τ分别为单位体积上流体所受压力及粘性应力，N；ρf表示单位体积上的质量力，N。

对于离散相，基于欧拉-拉格朗日法模拟气液两相流，该方法在气相场中求解N-S 方程，在液相场中利用Lagrangian法追踪液滴相轨迹。根据牛顿第二运动定律可知，作用于单位质量颗粒上的外力之和等于液滴质量与其加速度之积，液滴在拉格朗日坐标系下的运动方程如下：

式中，up， Fd， gx，ρp分别表示液滴速度（m/s）、流体曳力（N）、加速度（m/s2）和液滴密度（kg/m3）；dp为雾滴直，m；Re 为雷诺数；Cd为曳力

系数；g为重力加速度，m/s2。Fx为液滴所受外力之和，N。而由于液滴所受到

的虚拟质量力、压力梯度力、浮力、Bassett升力等作用效果较小，在计算中可忽略不计。

1.3 模型设置（1）时间模型：在时间域使用稳态分析模型；（2）湍流模型根据前面的对气相流场分析，采用 k-ε 湍流模型［12］；

（3）介质的物理属性，环境大气压力P=101.325 kPa，气温 T=300 K，空气

ρ=1.225 kg/m3；

（4）求解器算法：SIMPLE 算法［13］。

（5）将前进气道的格栅设置为反弹面，在模拟时，将反弹系数设置为0.5。

（6）不考虑进口处的爆炸模型和雨水的蒸发。

1.4 边界条件

入口采用速度入口，V=4.5 m/s。出口采用压力出口，p=0 Pa。壁面为无滑移光

滑壁面。

1.5 液滴的初始条件

数值计算时，将雨水看作不同粒径的液滴，其中液滴的粒径分布如表1所示。

由表1的液滴粒径的分布，对其加权平均即可得到液滴的平均直径为0.715 mm。在研究格栅角度以及有无挡雨片对前进气道分离效率的影响时，则采用平均直径的液滴进行模拟。

另外，本文在模拟过程中考虑了汽车在行驶状态下的前进气道对液滴的分离效率，液滴的下落速度为VP=4.5 m/s，汽车的行驶速度为V=21 m/s。

1.6 液滴分离特性的计算

1.6.1 压力损失

各个工况计算结束后，提取压力损失信息。空气滤清器前进气道的压力损失可由式（5）表示：