基于CFD流场分析的某滤清器空壳压降测试

陈磊 徐辉 胡益灿 丁正龙 尹宗军 苏蓉

摘 要：文章暂不采用多孔介质模型用以替代滤芯的流动阻力效果，而仅仅依据所给空气滤清器的空壳实物尺寸数据，在ICEM中建立几何拓扑结构，并划分结构化网格。考虑空气流量为600L/min，空气流体通过滤清器空壳后的压降问题。在Ansys Fluent下进行了计算流体仿真，得到了速度云图、总压云图以及出入口压强随时间的变化曲线。

关键词：滤清器空壳;CFD分析;压降

中图分类号：U464  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）21-160-03

Abstract： In this paper， the porous media model is not used to replace the flow resistance effect of the filter element. Based on the physical size data of the empty shell of the air filter， the geometric topology structure is established in ICEM， and the structured grid is divided. Considering the air flow rate of 600 L/min， the pressure drop of air fluid passing through the filter shell is considered. The computational fluid simulation was carried out in ANSYS fluent. The velocity nephogram， total pressure nephogram and the curve of inlet and outlet pressure with time were obtained.

Keywords： Filter shell; CFD analysis; Pressure drop

CLC NO.： U464  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）21-160-03

前言

空气滤清器为发动机提供充足、干净的空气，其性能优劣不但影响发动机的可靠性和使用寿命，而且很大程度上影响其动力性、经济性和排放性等。如何改善滤清器内部流场特性，降低气流流动阻力是提高过滤效率、延长过滤寿命、提高发动机动力性与燃油经济性的关键。然而，由于空气滤清器的内部结构以及工作时的工作状况复杂多变，仅仅通过实验或经验来获得滤清器内部的真实气流流动特性是非常困难的，而且成本高，时间长，不能获得内部气流流动的全面数据。随着计算机技术在工业研发设计领域的普遍运用，利用计算分析软件来分析多变的内部流场特性是现在应用最为广泛一种手段。在进行滤清器结构优化设计时，运用计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）分析软件进行仿真分析，大大提高了分析效率，分析结果更加准确全面[1]。

曾洪涛[2]应用Fluent流体力学计算软件，采用标准k-ε湍流模型和标准壁面函数对空气滤清器的内部湍流流场进行三维仿真计算，其中滤芯部分采用多孔介质模型。经计算，得到在不同入口流量下的仿真结果，结果与实验数据基本一致，具有工程指导意义。魏舒婷[3]基于多孔介质理论，采用标准k-ε湍流模型对不同结构的宏观蜂窝状空气滤清器的内部流场和阻力特性进行数值模拟，从而进行结构优化，提高其性能。何志霞[4]采用多孔介质模型，针对某空气滤清器及其管道的空气动力学特性开展数值模拟，分析空气滤清器及其管道的流动阻力损失和空气滤清器滤芯流动均匀性，并进一步研究采用插入管结构、内置挡板结构后的流动特性。

本文暂不采用多孔介质模型用以替代滤芯的流动阻力效果，而仅仅依据所给空气滤清器的空壳实物尺寸数据，在ICEM中建立几何拓扑结构，并划分结构化网格。考虑空气流量为600L/min，流体通过滤清器空壳后的压降问题。在Ansys Fluent下进行了计算流体仿真，得到了速度云图、总压云图以及出入口压强随时间的变化曲线。

1 滤清器计算模型与网格划分

1.1 计算模型的建立

本文暂不采用多孔介质模型用以替代滤芯的流动阻力效果，而仅仅依据所给空气滤清器的空壳实物尺寸数据，如图所示。结合空气滤清器的空壳尺寸数据，我们确定进口直径D为12mm，腔体直径为70mm，有效长度为95mm，出口直径d为6mm。流量为600L/min的空气气体流入进口直径为12mm的进口管路时，速度约为88m/s，詳细计算如下：

其中，v为速度，Q为流量，S为进口截面面积。

1.2 网格划分的建立

依据所给空气滤清器的空壳实物尺寸数据，我们在ICEM（ICEM是一种专业的CAE前处理软件。作为专业的前处理软件ICEM为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境，ICEM作为fluent和CFX标配的网格划分软件）中建立几何拓扑结构，使用结构化网格划分方法（具体建模过程在这里不再详细赘述），网格如入2所示。在这里，网格最小长度为0.5mm，也就是说12mm长度上布有24个节点。

2 Fluent计算参数设置

2.1 定义求解模型

（1）定义求解参数：选择基于压力的瞬态求解器。

（2）定义湍流模型：选择k-ε湍流模型。

（3）定义材料：流体为空气，密度和粘度保持默认。

2.2 定义边界条件

（1）定义入口：速度入口，速度为88m/s。

（2）定义出口：出口选择为outflow，湍流强度为1%，湍流粘度率为10。

（3）定义壁面：采用默认设置。

2.3 初始化和计算

（1）定义求解控制参数：选择SIMPLE算法，采用默认设置。

（2）定义松弛因子：采用默认。

（3）初始化流场：选择全部，初始化采用默认。

（4）定义时间：时间间隔为110-6s，每个时间步迭代20步，各残差均设为10-6。总时间步设为4000（可以更长）。

3 结果讨论

经过Fluent计算参数设置后，开始迭代计算。得到了速度云图、总压云图以及出入口压强随时间的变化曲线。图3所示为空气流体的速度变化图，在时间节点0.007ms时，空气流体刚通过进气管进入滤清器空腔，此时出口段流体速度急剧升高，最高为240m/s，这是由于出口管管径较小造成。在时间间隔0.57ms到2.57ms，流体由瞬态流动逐步变为稳态流动，流体慢慢从进口段径滤清器空腔到达出口段。在3.57ms后，流体速度传播到出口段，气体流动成为稳态流动，取这个时间段的流体压强可作为压降的参考压强。

图4所示为空气流体的压强变化图，在时间节点0.007ms时，空气流体刚通过进气管进入滤清器空腔，由于出口管管径较小造成流体挤压，整个滤清器空腔压力都较大，大约有3000pa（3kpa）。随着流体的流动，出口段流速逐步稳定，滤清器空腔内不再堆积气体，空腔内压力降低，入口处的压强逐渐波动到出口段。在时间0.57ms、1.57ms以及2.57ms可以明显见到压强的波送。在时间节点3.57时，压强的变化基本达成稳态，可以看出在出口段和出口滤清器空腔侧四个地方压力仍比较高。一个可能的原因是，气流流速的快速转变，导致压强的急剧变化。

图5所示为出入口压力随时间变化走势图，红色为进口压力，绿色为出口压力。由于设置出口壓力为压力出口0pa（相当于一个大气压），出口压力几乎保持为0pa。而进口压力出现反复的变化，具体为先下，再升，再下后保持稳定。这种变化趋势是有理可循的。空气流体刚通过进气管进入滤清器空腔时，内部流体不流动，阻滞进口气体，造成进口处压力上升。随着出口段流体的流体，压力迅速降低，随着进口处气体逐渐传送出口段，压力逐渐上升，达到出口段时，由于滤清器空腔右端壁面的阻滞，流体只能通过出口段流出，导致进口段压力又上升，这是合理的情境。随着流体在空腔内的逐步稳定，气体流动逐步形成稳态，进口处压力下降，形成稳态。可以看出稳态压降为3.2kpa。我们的结论为：我们分析了气体从刚进入滤清器空腔到气流稳定整个的动力学行为和气体稳态特性，我们给出压力变化的原因和变化趋势，我们得到气体充满滤清器空腔后形成的稳态流动的压降为

3.2kpa。但暂不采用多孔介质模型用以替代滤芯的流动阻力效果，而仅仅依据所给空气滤清器的空壳，所得数据不延伸至有滤纸的情形，我们猜测滤纸的存在，会极大增加压降。但滤纸的存在也会引起速度涡旋，这种涡旋可能稍微削弱因滤纸而增加的压降。

4 结论

本文暂不采用多孔介质模型用以替代滤芯的流动阻力效果，而仅仅依据所给空气滤清器的空壳实物尺寸数据。仿真结果表明，600L/min流量的空气气体通过滤清器空壳腔后，空气流体会径直冲向出口，由于缺少滤芯，未见空腔内速度涡旋，在进口处的两侧端流体几乎静止不动。结合出入口压强变化曲线，我们得到流体流过滤清器空壳腔的压降为3.2kpa，小于给予的临界值8kpa。改变出口位置和直径可能会减少压降损失。此外，应该添加多孔介质模型用以模拟滤芯的流动阻力效果可进一步增加计算准确度。

参考文献

[1] 刘连明.汽车空气滤清器流场分析与结构优化[D].江西农业大学， 2018.

[2] 曾洪涛，付杰，郭骧，史凯旋，肖志怀.基于CFD的某型号空滤器数值模拟及结构改进[J].武汉大学学报（工学版），2018，51（12）：1105- 1113.

[3] 魏舒婷，钱付平，程家磊，肖鹏程，唐莲花，姜荣贺.蜂窝状空气滤清器的流场分析及结构优化[J].过程工程学报，2019，19（02）：271-278.

[4] 何志霞，蒋兆晨，王硕，王谦，玄铁民.空气滤清器的空气动力学仿真及优化[J].中南大学学报（自然科学版），2012，43（03）：1179-1184.