一种空气滤清器仿真分析方法研究

孙 阳，王建东，卢进军，乔梦华，陈克新，李文超，李继新

(中国北方车辆研究所，北京，100072)

空气滤清器是一种广泛应用于内燃机、燃气轮机及空气压缩设备的进气过滤系统，其主要功能是滤除进入动力设备中的灰尘和杂质，从而减少气缸、活塞和活塞环的磨损，延长动力设备的使用寿命.空气滤清器的过滤效率、进气阻力和容尘量等性能参数直接影响动力设备的动力性、燃油(气)经济性、使用可靠性[1].由于空气滤清器是一种综合过滤设备，包含有多种过滤元件，内部流动十分复杂，因此，依靠试验手段来研制空气滤清器内部流畅，无法将内部流畅信息完全复现.随着计算流体力学(CFD)技术的发展，CFD技术被用来研究空气滤清器的速度场、压力场等问题[2].国外一些学者对褶型过滤器过滤压力损失模型进行研究[3-4]，并对空气过滤器进行 CFD数值模拟研究[5-6].

空气滤清器由一级滤清器、抽尘装置、壳体、滤芯等部分组成.其中一级滤清器是含有多个固定旋转件的复杂离心分离装置;抽尘装置是含有高速旋转件的离心泵;滤芯是由滤纸加工而成的过滤分离装置.由此可以看出，各过滤元件的工作原理差异很大.同时，由于一级滤清器总成内旋流管结构复杂、细微结构数量多，如果用普通前处理方式，模型最大网格和最小网格的尺寸相差50～100倍，网格数量将达到108以上，这是目前仿真分析软件很难完成的工作.

本研究通过分析过滤元件在空气滤清器中不同的工作特性，将不同过滤元件按照工作特性进行等效简化，从而实现对空气滤清器的仿真计算.通过试验台架空气滤清器阻力试验对仿真结果进行验证，证明此种仿真分析方法的可行性.

1 空气滤清器仿真分析流程

空气滤清器仿真分析流程见图1.

图1 空气滤清器仿真分析流程

2 一种空气滤清器的仿真算例

本算例是一种工程车辆空气滤清器，常用于空气含尘量较大的环境中.主要部件包括带有旋流管一级滤清器，梯形滤芯的二级滤清器和离心式抽尘泵.

由于空气滤清器包括多种过滤元件，为进行空气滤清器的仿真计算，首先根据不同过滤元件的工作特性对空气滤清器重新构建简化三维模型.

2.1 一级滤清器和抽尘装置简化模型的建立

如果将一级滤清器的各旋流管，视为在不同流量下，表现为不同阻力特性的过滤元件，则可将抽尘装置对一级滤清器的阻力影响叠加在各旋流管元件上，这样就可以将抽尘装置在仿真模型中忽略，而只考虑旋流管的模型和阻力特性.通过一级滤清器和抽尘装置的联合试验，可以得到一级滤清器的阻力特性数据，根据此数据将阻力特性分配到各旋流管元件上，就可以得到简化后的一级滤清器的简化模型，见图2.

图2 一级滤清器简化模型

2.2 二级滤清器模型的建立

二级滤清器由壳体和空气滤芯组成.空气滤芯是由滤纸经过折叠后粘接而成.滤纸的厚度一般为0.35～0.55 mm，滤纸纸褶间隙一般为 1.8 ～3 mm.由于滤纸几何结构很难在仿真分析中直接应用，因此，通过将空气滤芯看做具有一定阻力特性的阻力区域，可以将空气滤芯模型简化，同时也不会影响仿真计算的准确性.

通过简化壳体的内腔结构，可以得到不影响仿真计算结果壳体模型，见图3.

图3 二级滤清器简化模型

2.3 空气滤清器计算模型前处理

2.3.1 一级滤清器总成前处理

根据一级滤清器简化模型的特点，可以将各旋流管视为多孔介质.多孔介质模型的动量方程是在标准动量方程的后面加上动量方程源项.源项包含两个部分:粘性损失项和惯性损失项.

在简单、均匀的多孔介质上，可以简化模型并转换为压降和流速关系得到公式(1).

式中:α为粘性阻力系数;C2为惯性阻力系数;μ为空气动力粘度;△p为多孔介质压力降，Pa;△n为多孔介质厚度，m.

由一级滤清器阻力特性试验数据(见表1)，可以得到旋流管元件的多孔介质参数.

表1 一级滤清器阻力特性试验数据

2.3.2 滤芯前处理

参照文献[8]中对圆形滤芯和梯形滤芯多孔介质模型的选择[8]，这里梯形滤芯的多孔介质计算模型采用公式(2).

从湖湘学派知行观到马克思主义的中国化典范代表《实践论》，充分证明马克思主义的文化理性与中国传统文化理性在根本是相通的。在两者的融合碰撞中，毛泽东站在时代潮头，充分运用自己深厚的中国传统文化积淀和对马克思主义哲学的理解，在探索、积累社会变革理论和践行救国图存的道路上，开辟出了一条全新的道路，形成了自己独特的哲学理论体系。《实践论》，不仅继承和发扬了中国的哲学，而且也丰富了马克思主义认识论，是马克思主义与中国传统哲学相融合的典范。

式中:C0和C1为根据滤芯阻力特性计算得到的经验系数.在幂函数模型中，压降是各向同性的，C0和C1的单位为国际标准单位.

2.3.3 空气滤清器总成模型前处理

将生成的三维模型在Gambit软件中进行前处理，通过操作，将流体计算域划分为四个流体计算域:滤芯后的腔体、滤芯体、滤芯外和一级滤之间的腔体、一级滤体.

设定边界条件为压力入口和速度出口.

2.4 仿真计算结果及分析

空气滤清器出口压力为5 500 Pa，压力分布图见图4.滤芯流速分布图见图5.空气滤清器速度流线分布图见图6.

通过空气滤清器仿真分析可以看出:

1)空气滤清器的阻力分配较为合理，各过滤元件工作在合理的范围内.

3)滤芯的流速范围较为合理，但有继续优化的空间.

图4 空气滤清器压力分布图

图5 滤芯速度分布图

图6 空气滤清器速度流线分布图

3 仿真结果的验证

3.1 空气滤清器试验台架的建立

为了验证仿真计算结果，将空气滤清器布置在标准的空气滤清器性能试验台上.按照《JB/T 9747－2005内燃机空气滤清器性能试验方法》中阻力特性试验要求和步骤进行试验.

3.2 空气滤清器台架试验结果与仿真数据对比

通过台架试验，得到空气滤清器在额定流量下出口处阻力为5 370 Pa.

台架试验测试结果与仿真计算结果的误差为2.4%.

由此可以看出，这种空气滤清器仿真分析方法能够准确对测试结果进行预测.

4 结论

采用一种新型空气滤清器仿真分析方法，实现了对空气滤清器的系统仿真计算，并通过台架试验对仿真结果进行了验证.由此可以得到以下结论:

1)采用新的空气滤清器仿真计算方法可以较为准确地仿真计算得到空气滤清器阻力特性;

2)这种仿真分析方法可以将过滤元件单元化，为今后空气滤清器过滤元件数据库建立提供了方向.

[1] 陈晓玉.摩托车空气滤清器性能检测方法探讨[J]，摩托车技术，2005，(7):25-26

[2] 韩 青.空气滤清器内三维紊流数值计算与分析[D].山东:山东轻工业学院，2008.

[3] DELL，FABBRO，LABORDE J C，et al.Air flows and pressure drop modelling for different pleated industrial filters[J].Filtration＆Separation，2002，39(1):34-40.

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