基于计算流体力学的旋转自洁式空气预滤器数值模拟研究

谭业发,董贵杨,谭浩广,谭华,王小龙

(1.解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007;2.内蒙古科技大学研究生院,内蒙古包头 014010）

基于计算流体力学的旋转自洁式空气预滤器数值模拟研究

谭业发1,董贵杨1,谭浩广2,谭华1,王小龙1

(1.解放军理工大学野战工程学院,江苏南京 210007;2.内蒙古科技大学研究生院,内蒙古包头 014010）

为了实现空气预滤器瞬态内流场的数值模拟,为新型高效空气预滤器的设计和性能优化提供一种有效的计算方法。运用FARO-LDI三维激光扫描测量系统对旋转自洁式空气预滤器进行逆向建模,建立了其全流道三维几何模型;利用ANSYS ICEM CFD对内流道模型进行混合网格划分;采用Fluent中用户自定义函数和多流动区域耦合算法中的滑移网格模型实现了旋转器叶轮的被动旋转。湍流模型选为RNG k-ε模型,压力速度耦合算法采用SIMPLE算法,压力离散格式采用PRESTO格式,动量方程的扩散项和压力项采用中心差分格式,对流项采用一阶迎风格式。研究结果表明,运用该方法能够准确计算空气预滤器内部流场和模拟旋转器叶轮的被动旋转状态。

流体力学;空气预滤器;逆向工程;计算流体力学;用户自定义函数;数值模拟

0 引言

空气预滤器作为车辆发动机进气滤清系统的重要组件,能将气流中大部分灰尘在进入发动机主空气滤芯之前过滤掉,从而延长滤芯保养周期及发动机使用寿命,尤其是对提高机械车辆在沙尘环境下工作效率和延长其服役寿命具有重要意义。美军针对海湾战争中军用装备遭遇的沙漠环境适应性差的问题,研究了一种沙漠预滤器专门用于M1坦克,此装置可使发动机空气滤芯即使在遭遇沙尘暴恶劣环境时也能行驶数百千米而不被堵塞,极大提高了美军坦克的作战效率[1-3]。旋转自洁式空气预滤器具有初滤效率高、进气阻力小、自动排尘及无需维护的特点,其在保护发动机方面表现出优越性能。

空气预滤器内部流动情况直接决定了其进气阻力和过滤效率,所以研究其内部流场对开发高效能空气预滤器至关重要。采用计算流体力学(CFD)进行流体机械的数值模拟研究,描述复杂几何内部的三维流动现象,能够定量计算出几何内部压力、速度分布情况,从而发现影响空气预滤器性能的关键因素。

逆向工程测量技术为非标零件的三维形貌数据采集,二维几何尺寸数据采集以及公差和质量的检测提供了快速、高效的手段。本文利用FARO-LDI三维激光扫描系统对旋转自洁式空气预滤器进行逆向建模,结合三维流动理论和CFD的发展,利用Fluent软件自带的用户自定义函数(UDF)实现空气预滤器旋转器的被动旋转,力求在空气预滤器瞬态流场计算方法上有所突破。

1 几何模型

旋转自洁式空气预滤器主要由导向叶片、旋转器及外壳三部分构成。由于其内部流道较为复杂,且流场具有三维特征,所以必须使用三维流动控制方程才能保证其内部流场模拟的准确性。运用FARO-LDI三维激光扫描系统测量得到空气预滤器各部件表面的点云数据,并利用该数据在正向CAD建模软件UG中建立空气预滤器各部件及装配体的几何模型(见图1)。为减弱气体回流,提高计算精度和收敛性,需加长出气口段,使其长度为直径的2倍。

2 数值模拟方法

2.1 控制方程

图1 几何模型Fig.1 Geometric model

数值模拟的实质是求解流动控制方程,通过求解离散化方程(连续性方程、动量方程及能量方程)得到三维流动的解。文中采用流体计算软件Fluent求解三维不可压缩时均化Navier-Stokes方程。为简化计算,空气预滤器数值模拟时未考虑温度变化,因此只需考虑质量守恒和动量守恒。

对于不可压缩粘性流动的连续性方程为

式中:为哈密顿微分算子;v为速度矢量。

动量方程的本质是满足牛顿第二定律,据此可导出粘性不可压缩流动的动量方程为

式中:T为粘性应力张量;ρ为工作介质密度;p为粘性流体平均意义上的压力;F为流体的质量力

(1)式和(2)式合称为Navier-Stokes方程组,目前计算机计算能力难以对此瞬态流动控制方程进行精确求解,而时均化Navier-Stokes雷诺方程将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化方程中体现出来。雷诺方程避免了计算量过大的问题,是目前工程数值模拟最常用的方法[4]。

2.2 湍流模型

为了更加准确地计算空气预滤器内流场,还需要选择合适的湍流模型。标准k-ε模型是工程上应用最广泛的模型,但不适用于具有较大压力梯度、强分离流、强旋流和大曲率流动。针对空气预滤器内部的旋转流场,采用了重组化群k-ε模型(RNG k-ε模型),它是在标准k-ε湍流模型基础上发展而来,通过大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响,能够准确地考虑各项异性,如旋转效应、浮力效应、曲率效应和近壁面效应等[5]。

2.3 计算区域的离散

计算区域的离散即对计算区域进行网格划分,建立相应的控制体积和节点,并将连续的计算区域划分成有限个离散、无重叠的控制体积,在每个控制体积内应用控制方程的守恒型式,从而得到代数方程。空气预滤器瞬态流动计算采用全流道模型,利用多流动区域耦合方法[6],将整个计算区域分为进气导向区域、旋转器区域、排尘区域及出气口区域四部分(见图2),各区域之间的采用interface端面耦合传递流场数据。

图2 计算模型Fig.2 Computational model

计算区域的网格利用ANSYS ICEM CFD前处理软件生成。进气导向区域采用周期性方法划分结构化网格,在导向叶片近壁面附近采用O型网格剖分,能够获得高质量的近壁面网格;排尘口区域是相对规则的结构,亦采用结构化网格策略;旋转器区域结构较为复杂,采用八叉树方法生成非结构化网格;出气口区域采用结构化网格。将整个空气预滤器内流道模型分成四个区域分别划分网格,采用结构化与非结构化的分块混合网格技术能够在保证网格质量的同时,大大缩小网格规模[7]。

各区域生成计算网格如图3所示,网格装配后整体计算区域生成283万网格。

图3 计算网格模型Fig.3 Grid model

2.4 计算方法及边界条件

Fluent采用有限体积法(FVM)离散控制微分方程。FVM是将所计算的区域划分成一系列控制体积,每个控制体积都有一个节点作代表,通过将控制方程对控制体积作积分导出离散方程。图4为空气预滤器CFD瞬态流场计算流程图。

计算中采用分离式求解器,即分别求解Novier-Stokes方程组中连续性方程和动量方程。因旋转自洁式空气预滤器全流道计算模型较为复杂,综合考虑计算的稳定性、准确性和经济性,压力速度耦合算法采用SIMPLE算法,压力离散格式采用PRESTO

图4 CFD计算流程图Fig.4 Flowchart of CFD calculation

格式(适用于高旋流),动量方程的扩散项和压力项采用中心差分格式,对流项采用一阶迎风格式,也可将低阶算法和离散格式的计算结果作为高阶格式的初始条件,以提高收敛速度和计算精度。

非定常计算的边界条件具体设置为:进气口采用压力进口条件,出气口采用速度出口,其大小可根据发动机进气量和预滤器出气口横截面积计算得出,各区域交界面设置为interface网格分界面,其他边界都设为壁面条件。

2.5 滑移网格模型及用户自定义函数

当计算区域中同时存在运动区域和静止区域时,Fluent可以采用动参考系(MRF)模型、混合平面(MF)模型和滑移网格模型,其中只有滑移网格模型可以用于瞬态计算。滑移网格模型允许相邻网格之间相对滑动,因此不需要在分界面上排列网格面。采用动网格技术也可以对运动区域进行瞬态模拟计算,但缺点是网格更新后难以保持较高的网格质量,且需要耗费更多的计算机硬件资源。ANSYS Fluent 13.0之后的版本提供了嵌入式滑移网格模型,从而可以替代动网格,在某种程度上保证了网格质量,也不会丧失太多的精度。

旋转自洁式空气预滤器内部旋转器依靠发动机进气负压驱动,其旋转速度由内流场决定。因此需要利用Fluent的用户自定义函数UDF编译实现旋转器的被动旋转,利用DEFINE_CG_MOTION宏来指定旋转器区域的运动,该宏能够指定每一时间步的速度和角速度,Fluent利用这些速度更新动态区域的节点位置。其基本思想是:根据旋转器当前的位置和角速度ω1计算出流场,利用UDF中的宏函数Compute_Force_And_Moment计算得到当前旋转器的力矩Tz,再根据(3)式计算旋转器此刻的角加速度ω·1,假设旋转器在接下来的微小Δt时间内的角加速度不变,这样便可根据(4)式计算出下一时刻旋转器的位置。反复进行以上过程,便可以得到旋转器的运动轨迹。

式中:Jz为旋转器相对于直角坐标系z轴的转动惯量,给定材料后,其数值可由UG三维建模软件的高级质量属性直接读出。

运用C语言编写UDF时,还应考虑滚动轴承摩擦力矩对旋转器转速的影响。轴承摩擦力矩受众多因素的影响,如结构、设计、加工、摩擦、润滑、使用条件等,其中载荷和转速对滚动轴承的摩擦力矩影响最大[8]。综合考虑编程与模拟计算的简便性,在对计算结果影响不大的前提下,忽略转速变化对滚动轴承摩擦力矩的影响,将摩擦力矩取为定值。

3 计算结果与分析

计算中设定空气预滤器流量为14 m3/min,折合为出口速度为30 m/s,进口压力设置为相对压力0 Pa.首先设定转子为静止壁面,进行定常计算,待计算收敛后再进行非定常计算。时间步长Δt= 0.002 s,经过500个时间步,流动时间t=500×Δt= 1 s时,空气预滤器旋转器转速趋于稳定(见图5).

3.1 摩擦阻力对旋转器转速的影响

分别计算了滚动轴承摩擦阻力矩T为0 N·m、0.10 N·m、0.15 N·m和0.20 N·m时空气预滤器的内流场。旋转器在不同摩擦阻力矩下转动速度变化情况如图5所示,转速随着摩擦阻力矩的增加而降低,符合实际情况。因此通过试验与模拟相结合的方法,确定摩擦阻力矩,将试验实测的摩擦阻力矩用于空气预滤器数值模拟,以提高数值模拟的精确性[9]。

图5 计算过程中旋转器转速变化曲线Fig.5 Rotor speed curves in the calculation process

3.2 压力速度云图

选取摩擦阻力矩T为0.15 N·m的计算结果进行分析。图6所示为空气预滤器整体横、纵向截面及旋转器表面相对总压力(即静压+动压)随计算时间的变化情况。定常计算结果作为非定常计算的初始条件,非定常计算开始阶段,旋转器所受转矩较大,因此旋转角加速度较大,旋转器加速旋转,通过网格交互面进行能量传递,1.0 s时计算结果区域稳定。整个计算是循环计算过程,也是计算值不断修正、接近真实值的过程。

图7和图8分别为预滤器内部速度矢量图和等值线图,是反映流场内部速度变化、旋涡及回流的有效手段。在出气口附近产生了漩涡,造成了动压损失,而此处的漩涡对提高空气预滤器过滤效率无益,因此需要改进出气口以减小此处的动压损失。导向叶片下游喇叭口内侧出现漩涡,是由于气流在此处发生较大转向,由此造成的动压损失直接影响空气预滤器过滤效率,因此需要对喇叭口结构进行合理优化。

3.3 数值模拟误差分析

CFD数值计算不可能完全模拟实际工况,因此计算结果存在一定误差。分析研究CFD数值模拟产生误差的原因有利于提高计算精度。文中空气预滤器数值计算结果存在误差的原因如下:

1)为了保证网格质量,对空气预滤器模型进行了适当的简化。

2)数值计算中假定气流无泄漏,全部从出气口流出,未考虑排尘口的空气泄漏量;且对旋转器滚动轴承的摩擦力矩进行了简化处理。

3)RNG k-ε湍流模型还不能考虑到所有非定常因素对湍流结构影响,这也是计算时均化方程的固有缺陷,应逐步研究采用大涡模拟法及直接模拟法。

图6 全压云图Fig.6 Total pressure nephogram

4)计算时将空间连续场进行有限离散,受计算机计算能力的限制,在复杂计算域划分的非结构网格数量有限,且网格间尺寸差异造成数据在网格单元间传递时存在数值损失。

4 结论

1)逆向工程三维建模技术可以为CFD提供良好的前处理几何模型。

图7 速度矢量图(t=1.0 s)Fig.7 Velocity vector diagram(t=1.0 s)

图8 速度等值线(t=1.0 s)Fig.8 Contoured velocity(t=1.0 s)

2)提出了采用滑移网格技术数值计算瞬态、时均化的旋转自洁式空气预滤器三维湍流流动控制方程的计算方法,并利用UDF控制旋转器转动,实现了旋转器转速由空气预滤器内流场实时控制的被动旋转数值模拟。

3)提出的空气预滤器三维湍流瞬态计算方法在空气预滤器瞬态流场计算方面有所突破。

4)运用该方法能够较为真实地计算空气预滤器内部流场分布情况,较为明显地发现影响空气预滤器性能的结构因素,从而为性能优化提供指导。

References)

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ZHANG Jian.Research on the gas-solid two-phase characteristics of swirl tube in third stage separators for FCC[D].Dongying:China University of Petroleum,2009.(in Chinese)

Numerical Simulation of Rotary Self-cleaning Air Pre-filter Based on CFD

TAN Ye-fa1,DONG Gui-yang1,TAN Hao-guang2,TAN Hua1,WANG Xiao-long1
(1.College of Field Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,Jiangsu,China;
2.Graduate School of Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,Inner Mongolia,China)

An effective computational method is provided for the design and performance optimization of new efficient air pre-filter.The method can be used for the numerical simulation of transient turbulent flow in air pre-filter.A 3D geometric model of rotary self-cleaning air pre-filter flow channel is established by FARO-LDI 3D laser scanning measurement system which is used for reverse modeling.The hybrid grid of flow channel is generated by ANSYS ICEM CFD.The passive rotation of the rotating impeller is achieved by the user-defined function and the sliding mesh model of the multi-flow region coupling algorithm in Fluent.The RNG k-ε turbulence model and PRESTO pressure discrete format are used in the simulation,SIMPLE algorithm with first order upwind format is used for pressure-velocity coupling,and the central difference scheme is also used in the diffusion and pressure terms of the momentum equation. The results show that this method can be used accurately to calculate the flow field of air pre-filter and simulate the passive rotation state of rotating impeller.

fluid mechanics;air pre-filter;reverse engineering;computational fluid dynamics;user-defined function;numerical simulation

TK413.4+6

:A

1000-1093(2014)03-0409-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.018

2013-01-30

谭业发(1963—),男,教授,博士生导师。E-mail:tanyefa7651@163.com;董贵杨(1986—),男,硕士研究生。E-mail:dongguiyang6861688@163.com