汽车空气滤清器入口位置及形状对流动特性及影响研究.doc

1 - 汽车空气滤清器入口位置与形状对流动特性的影响研究作者 陆曙光 周雪(哈尔滨工业大学汽车工程学院,威海,264209)摘 要： 空气滤清器是内燃机的重要部件，其性能直接影响内燃机的可靠性和使用寿命本课题针对夏利牌 TJ7101 轿车用空气滤清器建立数学模型，采用适用性较强的标准 k-ε 双方程紊流计算模型，对空气滤清器内部气相三维粘性流动进行了数值模拟，速度和压力的耦合关系采用SIMPLE 算法在流场计算的基础上，利用压力、速度矢量分布图来其显示其内部流场本课题详细分析了入口位置、入口形状结构参数对空气滤清器内流动性能的影响，得到了各种影响因素下的速度场和压力场分布情况通过对比分析可知，入口位置对空气滤清器的流动均匀性有明显的影响，将其放置于下壳体短边侧面且偏离中心 0.01m 处时，空气滤清器内的压力损失变小，速度分布也变得均匀对称，且在出口处的流速变得更大，这样的布置更加符合发动机的进气要求，所以合理设计入口形状可明显减小空气滤清器内的流动的能量损失综合考虑以上因素，得出入口位置在下壳体短边侧面且偏离中心 0.01m 处，入口管为斜直管且与底面成 30°夹角空气滤清器的入口位置与形状为最佳。

关键词： 空气滤清器；FLUENT；入口位置与形状；数值模拟； The influence of entrance position and shape in auto air filter Author lushuguang（School of Energy Science and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China）Abstract: Air filter is an important component of the inner combustion engine, and its performance directly affects the reliability and service life of the engine. First, the comparison for the classification and performance of air filters are introduced, the characteristics of air filters in this study are overviewed, the performance and the flow factors to affect dry air filters are analyzed. Second, the continuity equation, the momentum equation, and the standard k-ε two equation model are used to build the air filter flow theoretical model, the flow air is supposed as three-dimensional turbulence fluid, and the heat transference between the wall of the filter and air is not considered, the FVM is adopted for convection diffusion equation, and SIMPLE algorithm is used to calculate the coupling of pressure and velocity. The basic principles of the numerical simulation software FLUENT and the simulation steps are introduced briefly. Finally, the GAMBIT of FLUENT is used to construct the computing grid of fine filter directly. The porosity, the convergence criteria and the boundary condition parameters are set, the flow field is simulated, and the results are analyzed. The results show that the flow of air in the chamber of the nether shell of the original model of air filter is not reasonable, with asymmetric working faces, for which high pressure drop and - 2 - serious losses of energy are produced. However, improved filters with more scientific structures can not only improve the filtration efficiency but also extend the life of the filter.Key words: Air filer；FLUENT；e ntrance position and shape； numerical simulation1 空气滤清器内三维紊流流场数值模型1.1夏利 TJ7101轿车用空气滤清器本课题对夏利 TJ7101 轿车用空气滤清器内部流场进行数值模拟，图 1-1 为所研究空气滤清器的实物照片。

该滤清器由连有进气管的下壳体和连有出气管的上壳体组成，内部腔内是纸质滤芯上下壳体由钢扣扣紧观察发现：滤清器进气管为直管，且与下壳体侧面成 30°夹角，出气管为 1/4 圆管图 1-1 空气滤清器（及滤芯）实物照片1.2流场计算几何模型的建立空气滤清器中的流动十分复杂，本文在对其内部流场的分析中作如下假设：(1) 空气滤清器中所有的构件为绝对刚体即：滤芯在工作过程中没有相对的轴向位移，上、下壳体及滤芯在工作中没有变形这一假设主要忽略了形成流道的固体壁面和工作介质之间的相互耦合作用2) 工作介质在任何工况下密度变化很小根据 GB、ISO 及 SAE 各标准对空气滤清器- 3 - 的要求，工作介质密度和粘度在工作过程中的变化很小，这意味着空气滤清器中的工作介质为典型的不可压缩粘性流体3) 在同一工况下，空气的物性与多孔介质（滤芯）的分布情况是各向同性的该假设相当于将空气滤清器的动态流场特性作了时间周期的平均4) 空气滤清器是等温的工作过程，工作介质的内能在工作中没有变化本文只研究工作介质的动力状况，不探讨工作介质的温度变化不可压缩流体的能量方程独立于连续方程和动量方程之外。

本文的最终研究目的在于分析流场对空气滤清器性能参数的影响，为此只需要知道流场的速度场和压力场就已经足够几何模型的建立是采用 FLUENT 的前处理软件 GAMBIT，最后生成的本课题研究的原型空气滤清器的几何模型如图 1-2 所示：图 1-2 原型空气滤清器的几何模型空气滤清器模型的基本尺寸如表 1-1 所示：表 1-1 原始模型的基本尺寸结构 入口直径 出口直径 滤芯尺寸 滤清器上下壳体总体尺寸尺寸（mm） 50 60 150×50×200 150×200×200在这里对原始模型做一些简要说明：(1) 滤清器进气管与下壳体侧平面成 30°夹角；(2) 内部滤芯区域设定为多孔介质区域，并单独用六面体结构化网格划分；(3) 将下壳体与进气管连成一体，上壳体与出气管连成一体，二者均用四面体非结构化网格划分；(4) 为简化处理，进、出气管均按实物标准画出部分图其中进气管为直段，出气管为 1/4 圆管5) 入口管与侧面相交面（椭圆面）位于下壳体侧面居中位置；出口管与上壳体相交面的圆心也位于上壳体居中位置。

1.3 空气滤清器有限元模型对于规则的长方体滤芯区域，采用结构化的六面体网格，使得计算更精确，更有效率；对于上下壳体及进气、出气管道，则采用非结构化得四面体网格，这样网格贴体性更优，- 4 - 计算结果也更符合实际情况利用 GAMBIT 里的 Mesh 功能，设定网格间距为 0.005m对于本课题计算原型，最后得到的节点数和单元数如表 1-2 所示，网格检查截图如图 1-3 所示表 1-2 网格数据节点数 网格单元数滤芯 13981 12000上壳体 18466 92039下壳体 19553 98731图 1-3 网格检查截图1.4 边界条件的设置选择标准 k-ε 高雷诺数紊流模型，就需要计算湍流动能 k 和湍流耗散率 ε而这两个数值又与湍流度 和湍流尺度 相关联。

工作中的空气滤清器在实际情况下其湍流度是Il非常小的，为了更接近于真实的流场，应该采用尽可能小的湍流度，这里取湍流度为经验值 0.5%，湍流尺度比相应的特征长度低一阶湍流动能 k 和湍流耗散率 ε 的值分别为：k=0.00375;ε=0.0075467计算边界条件的设置如表 1-3 所示表 1-3 边界条件的设置区域 边界条件速度 v=10m/s入口湍流动能 k=0.00375- 5 - 湍流耗散率 ε=0.0075467出口 压力出口 Gauge Pressure=0，其他条件与入口条件一样滤芯作为多孔介质处理，Y 向粘性阻力为 3e+06（1/㎡） ，X、Z 向为3e+08（1/㎡） ，Y 向惯性阻力为 15（1/m） ，X、Z 向为 1500（1/m）滤芯孔隙率 0.8其它壁面 采用缺省的绝热固壁无滑移条件2 空气滤清器内流场计算结果及分析通过FLUENT的后处理模块，可以得到空气滤清器内流场任意截面上的流速矢量图和压力分布图，在这方面数值模拟比试验研究系统有很大优势，空气滤清器的空气动力特性取决于空气滤清器内气流的速度均匀性和压力损失的大小。

本课题在验证数学模型可靠性的基础上，展开空气滤清器结构参数对流动特性影响的研究，模拟计算了入口位置、入口形状对空气滤清器内气体流动的影响2.1入口形状与位置对流动特性的影响在原型进气管为直管，且管的轴线与下壳体相应侧面成 30°角（模型 1）的基础上，设计计算了当进气管改为 1/4 圆管（模型 2）和进气管仍为直管，但将进气管往 X 向的反方向分别移动了 0.01m（模型 3）和 0.02m（模型 4）的情况，各模型的网格图如 2-1 所示：模型 1 网格图 模型 2 网格图- 6 - 模型 3 网格图 模型 4 网格图图 2-1 各模型网格各模型的网格数量和迭代步数如表 2-1 所示：表 2-1 不同入口形状（位。