高原环境下某装甲车辆空气滤清器性能仿真分析与试验

卢进军，李继新，孙阳，陈克新，乔梦华，李文超

（中国北方车辆研究所，北京100072）

高原环境下某装甲车辆空气滤清器性能仿真分析与试验

卢进军，李继新，孙阳，陈克新，乔梦华，李文超

（中国北方车辆研究所，北京100072）

高原环境特殊，海拔高、气温低、大气压力低，传统重型装甲车辆空气滤清器设计输入为平原地区大气环境与空气密度，为保证高原使用要求，必须预测空气滤清器总成在高原特殊环境下的工作性能。建立了空气滤清器计算模型，构建三维仿真模型并简化，进行仿真计算，预测了空气滤清器在不同环境下的性能趋势。基于理论研究结论，开展了高原实地空气滤清器系统性能测试。对比分析测试结果与仿真结果，得出模型预测结果与试验结果之间误差可控制在20%以内。

兵器科学与技术；高原；空气滤清器；虚拟样机：仿真；多孔介质；试验

0 引言

传统的装甲车辆空气滤清器的设计指标输入点均是基于1 000 m以下海拔地区的环境特点而确定的，为了提升重型坦克装甲车辆全地域、全地形使用性能，现行的设计输入已经不能客观评价空气滤清器在高原地区的性能需求。

中国疆域辽阔，总体上西高东低，高原、山地约占全国总面积约60%.自西向东明显地分成3级阶梯：以著名的世界屋脊——青藏高原为最高1级阶梯，平均海拔在4 500 m以上；以北、以东与西北高原和云贵川等高原接壤，高度在1 000～3 000 m，构成第2级阶梯，再往东是1 000 m以下的丘陵和平原地带。某军事敏感区就位于海拔在4 500 m左右的高原山地，特种车辆发动机在高原条件下的动力性能直接影响了武器装备的机动性能，而影响发动机高原使用的关键部件之一就是空气滤清器。

工作在高原地区的发动机主要面临着起动困难和功率下降两个关键难题。由于海拔高，空气密度和压力降低，发动机的充气量、气缸压缩压力和温度也随着降低，致使混合气过浓，引起燃烧不良。表现为最大功率大幅度下降，耗油量明显上升、排放趋于恶化。同时润滑油和冷却液温度偏高、水箱经常开锅、内燃机工作稳定性受到影响。主要原因是随着海拔高度的增加，空气密度迅速减小，气体雷诺数Re也随之减小，气体粘性影响增大，粘性摩擦力增大，流动边界层增厚，影响换气流动过程，使柴油机有效充气量下降，导致发动机高原工作时效率下降，功率降低［1］。

高原地区若要求发动机功率不降低，须保证进气质量流量，则高原地区发动机进气体积流量增加迅速，空气滤清器阻力增加，由此，功率下降可以通过改善空气滤清器性能，特别是阻力性能得到部分解决。

本文基于过滤材料渗透特性理论方程与达西公式分别建立1级滤清器和2级滤清器的数学模型，综合两种模型构建了空气滤清器总成的仿真模型，讨论了一种基于高原使用工况数据结合计算流体力学（CFD）仿真计算空气滤清器特性的方法，并结合高原实车试验数据分析该虚拟样机模型的适用性，从而形成一种预测特种车辆空气滤清器高原等特殊环境下性能的新方法。

1 计算模型的建立

空气滤清器总成由1级滤清器总成、壳体、滤芯等部分组成。基于理论计算的角度分析，空气滤清器的数学模型主要可以分解为1级滤清器和2级滤清器的数学模型，2级滤清器建模工作主要集中在滤芯数学模型的建立。

由于1级滤清器总成的结构与阻力特性，可视为一种可产生压降梯度的元件，压降与流速呈比例，具有多孔介质的属性，故将各旋流管简化为柱状多孔介质。同理，根据滤芯简化模型的特点，可以将滤芯视为多孔介质单元［2］。与1级滤清器多孔介质模型不同的是，滤芯的多孔介质模型是具有一定厚度的多孔介质形成圆形或跑道形状。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）呈比例［3］。

在已知多孔介质上的速度与压力降的试验数据时，可以通过插值的方法求出多孔介质的参数，根据速度和压降数据，可以拟合出一条“速度-压力降”曲线［4］，其方程可以表示为

（1）式中待确定系数为1/αx和C2x，其他项已知，在此，将1/αx和C2x称为多孔介质参数。

设定发动机额定工况下进气流量为1.56 kg/s，查询国际标准大气数值，得到海拔0 m、1 000 m、2 000 m、3 000 m、4 000 m和4 500 m大气压力、温度、空气密度和动力粘度。将质量流量依据空气密度折算为不同的体积流量后，通过单个旋流管和单个滤芯阻力特性试验结果（见表1），可以得到单个旋流管元件和单个滤芯在不同海拔环境下的多孔介质参数（见表2）。

表1 单个旋流管和滤芯在不同流量下阻力特性数据Tab.1 The resistance data of a single vortex tube and filter element under different flows

表2 单个旋流管和滤芯在不同海拔条件下多孔介质参数Tab.2 The porous parameters of a single vortex tube and filter element at different altitudes

2 仿真三维模型的构建

空气滤清器结构总成简图如图1所示，针对空气滤清器总成三维模型，对关键部件复杂结构分别简化，组合成为系统仿真模型。

图1 空气滤清器结构总成图Fig.1 3D simulation model of air filter assembly

2.1 1级滤清器总成和抽尘装置模型的建立

1级滤清器总成的旋流管结构复杂、细微结构网格数量大，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数量级，计算量巨大，计算时间长。

依据前述计算模型的建立方法，将1级滤清器总成的各旋流管，等效为在不同流量下表现不同阻力特性的元件，只考虑旋流管的模型和阻力特性。就可以将复杂的叶型结构忽略掉，简化为集束筒状结构，在仿真软件中依据计算模型建立中确定的定义，定义其多孔介质性质。简化后的1级滤清器总成的仿真分析模型，如图2所示。

图2 1级滤清器总成原始模型与简化模型Fig.2 Original model and simplified model of pre-cleaner

2.2 2级滤清器总成模型的建立

2级滤清器总成由壳体和滤芯组成。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，如图3所示。

滤芯是由滤纸经过折叠后，粘接而成的。滤纸折叠结构复杂，如图4所示。

图3 2级滤壳体简化模型Fig.3 Simplified model of secondary filter shell

图4 滤芯纸褶结构图Fig.4 Paper fold structure of filter element

据计算模型中的理论分析，在仿真流体域中，滤芯的主要作用为产生压力降，故可忽略滤芯纸折结构，将滤芯等效为空间多孔介质单元，简化后的滤芯模型见图5.

图5 滤芯简化模型Fig.5 Simplified model of filter element

通过以上模型简化并组合，可以得到空气滤清器总成的系统仿真分析模型［4-5］，如图6所示。

将生成的三维模型在ANSYS Gambit软件中进行前处理，即划分网格和定义区域，将流体计算域划分为4个部分体结构：滤芯前的腔体、滤芯后的腔体、滤芯体和1级滤体，定义滤芯体和1级滤体为多孔介质单元Porous zone.

滤芯前、后腔体网格数为1 300 057；滤芯共2个，网格数分别为285 375、273 413；1级滤体共65个，网格数为7 900～8 200.

将生成模型的mesh文件导入ANSYS Fluent软件中进行计算，在环境参数设置时依据仿真模型的输入参数特点，选取0 m、3 000 m、3 500 m、4 000 m、4 500 m共5个海拔高度，确定5个工况，设置不同的温度和空气粘度。设定边界条件为压力入口和速度出口，选择1级滤清器的进气口面为压力进口，空气滤清器壳体出气口为速度出口，依据不同海拔地域的空气密度数据，计算空气滤清器的出口流量，在出口面积一定的条件下，出口流速即可确定，因为软件只有速度入口一个选项，故将速度数值设为负值，即形成了速度出口。在两种多孔介质模型设置中选择圆形多孔介质，模型的关键参数输入依据表2.需要注意的是，多孔介质模型的参数不随海拔高度的变化而变化［6-8］。

图6 空气滤清器总成仿真三维模型Fig.6 3D simulation model of air filter assembly

3 仿真计算结果与分析

通过仿真计算，得到了不同海拔高度下，空气滤清器总成的压力分布云图与速度流线分布图，选取了有代表性的海拔4 500 m工况下的仿真结果，如图7和图8所示。

3.1 空气滤清器流场特性仿真分析

从图7和图8可以看出，由于气流从壳体顶端的1级滤清器进入，在壳体内发生90°折转，由滤芯的密封面进入集气箱，在集气箱内再次汇聚，最后由出气口排出。流线分布图基本反映了气流的轨迹。并且有如下特点：空间越大，距离主流道距离越短，流线越稀疏，空间越紧凑，流线越密集。

图7 海拔4 500 m空气滤清器总成压力分布云图Fig.7 Pressure contour of air filter at altitude of 4 500 m

图8 海拔4 500 m空气滤清器总成速度流线分布图Fig.8 Path line of air filter at altitude of 4 500 m

气流由大的壳体空间进入狭小的集气箱空间，再由集气箱空间收缩进入出气口排出，由于气流空间的变化导致流速的升高，压力降与流速的平方呈比例，由压力云图可以看出，空气滤清器压力降基本呈两个阶梯3段分布。

3.2 空气滤清器高原仿真结果

仿真结果总结如表3和表4所示，从中可以得出典型位置的压力降和流速值。

表3 5种工况下空气滤清器压力降仿真结果Tab.3 Simulated pressure drop results of filter under 5 working conditionsPa

4 高原测试

针对仿真分析结果，建立了一套动态测试空气滤清器性能和环境参数的测试系统，在高原测试场开展了空气滤清器系统高原实车动态测试。其测试理论基于流场仿真数据，主要集中于两个性能：压力分布与流速。

表4 5种工况下空气滤清器流速仿真结果Tab.4 Simulated flow velocity results of filter under 5 working conditionsm/s

4.1 空气滤清器高原测试方案与实施

阻力测试：采用集束压力传感器，在空气滤清器壳体、出气口、集气箱、1级滤清器等流场均匀处布置测试点，保证各测点覆盖空气滤清器关键节点，形成网格化分布，最终形成针对全空气滤清器的压力分布图，测点布置如图9所示。

图9 空气滤清器总成静压测点图Fig.9 Test point map of air filter assembly

进气流速测试：空气滤清器速度分布测试较为困难，采用变通的方法，通过风速传感器获得了流量的初始数据。由于流量测试要求在稳态下且需要有长段标准管路等条件，在高原环境下难以满足。故将进气流量测试转变为1级滤清器特定点的风速测试，其具体方法是在1级滤清器某一旋流管上方布置风速传感器，通过测试该点的风速，通过单一旋流管的截面面积，可以推测出单管进气流量，再综合1级滤清器的旋流管个数，可以推算出空气滤清器的总进气流量。为了保证测试结果的准确性，须采取3项措施：

1）科学标定风速传感器；

2）1级滤清器入口四周保持封闭，保证气流由上向下进入1级滤清器旋流管；

3）为了保证流速均匀，固定风速传感器过风点与旋流管的中心对齐，且距离旋流管顶端40 mm.

动态测试过程与试验条件：动态测试是指空气滤清器实车全工况测试，具体实现形式为车辆逐一挡位行驶，每一挡位要求发动机由低到高以4～5个转速值运行20 s（例如1挡时转速值为1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min），这样就基本涵盖了车辆在高原地区所有的运行状态。该测试场地试验条件如表5所示。

表5 5种工况下空气滤清器试验条件Tab.5 Test conditions of filter under 5 working conditions

4.2 测试结果

场地测试后整理的测试结果如表6所示。

表6 5种工况下空气滤清器测试结果Tab.6 Test results of filter under 5 working conditions

通过高原风速测试得到的滤清器进气流量结果与同样阻力条件台架试验所需要的进气流量进行对比，其误差低于10%，可以判断该测试方法基本满足测试需求。

5 仿真结果与测试结果对比分析

将仿真计算得到的结果与实验结果进行对比分析，可以得出在不同的海拔高度条件下，空气滤清器压力降和1级滤清器进气流量仿真结果与实验结果之间的对比关系。其中仿真结果中空气滤清器总成出口的压力降可由出口静压的面平均值得到，试验状态压力降可以通过在指定点布置压力传感器测量得到，1级滤清器单管进口流速仿真结果可以在速度流线分布图中得到，与场地测试中的流速传感器得到的进口流速结果进行对比。

选取了5种工况下空气滤清器压力降与1级滤清器进口流速仿真结果与实验结果进行对比分析，额定工况取车辆4挡时，转速为2 000 r/min左右。因为在实车测试时发现，此种工况下进气流量最大，接近于额定进气流量。其对比分析见图10和图11.

图10 空气滤清器在不同海拔高处额定输出功率时出口处压力降仿真与实验对比Fig.10 Comparison of simulated and experimental pressure drops at air filter outlet at rated output power at different altitudes

图11 空气滤清器在不同海拔高处额定输出功率时1级滤清器进口处单管流速仿真与实验对比Fig.11 Flow velocities of air filter single tube at pre-cleaner inlet at rated output power at different altitudes

6 结论

1）由三维仿真模型的计算结果分析可以看出，该空气滤清器的主要压力降产生于壳体出口收缩，在不同的海拔高度时，其静压分布形式与流线状态基本一致，壳体底部靠后部位流线稀疏，说明此处流速较低，容易形成涡区，解决方案为将1级滤清器由滤芯顶部移至滤芯后端，可以使流场更趋均匀。

2）通过将仿真结果与实验结果进行对比分析可以得到：在海拔高度依次增高的高原状态下，空气滤清器的压力降在海拔高度从0～4 000 m阶段总体呈上升趋势，在4 000～4 500 m区间，压力降较4 000 m时有小幅下降。与之对应的是，空气滤清器1级滤清器进口流速与海拔高度的增长也呈近似线性关系，只是在4 000～4 500 m区间，增长速度趋缓。

3）针对上述现象，综合分析可知，在3 000～4 000 m高海拔条件下，空气滤清器在保证功率输出的情况下，进气流量随着海拔的增高而增大，空气滤清器压力降随之升高，二者基本上为线性增长。这主要是因为在4 000 m以下，空气滤清器阻力受流速的影响更大，其权重超过了粘度降低和低压的影响，故阻力依然升高。而在4 000～4 500 m区间，粘度降低和低压的影响权重超过了气体流量增大的影响，综合作用造成了空气滤清器阻力的下降。

4）通过仿真结果与实验结果对比可以看到，通过多孔介质理论模拟过滤元件并在流场中仿真计算得到的仿真结果与试验结果误差低于20%，这说明该仿真方法可以真实地模拟空气滤清器部件和系统在不同流场条件下的工作状态。

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The Performance Simulation and Experiment of Air Filter of Armored Vehicle in Plateau Environment

LU Jin-jun，LI Ji-Xin，SUN Yang，CHEN Ke-xin，QIAO Meng-hua，LI Wen-chao
（China North Vehicle Research Institute，Beijing 100072，China）

Plateau environment is peculiar，such as high altitude，low temperature，and low atmospheric pressure.The air filters for the traditional heavy armored vehicles are designed according to the atmospheric environment and air density of plain area.In order to ensure that a product meets the use requirements in plateau environment，the working performance of air filter must be predicted.An air filter virtual prototype model of a heavy engineering vehicle is established based on computational fluid dynamics algorithm.The model is optimized to predict the performance of air filter in a different environment.The system performance test of air filter is conducted based on the theoretical research conclusions.The test and simulation results show that the predicted result of virtual model has good consistency with the experimental conclusion.

ordnance science and technology；plateau；air filter；virtual prototype；simulation；porous media；test

TJ81+0.31

A

1000-1093（2015）08-1556-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.08.025

2014-12-29

国家部委预先研究项目（40402010105）

卢进军（1980—），男，副研究员。E-mail：lujinjun@sina.com