重型車空氣濾清器前進氣道的流場分析

程家磊,錢付平,魏舒婷,唐蓮花,姜榮賀,肖鵬程

(1.安徽工業大學建筑工程學院，安徽馬鞍山243032；2.河北億利橡塑集團有限公司，河北清河054800)

貨車排放的氮氧化物(NOx)和細顆粒物(PM)明顯高于客車，其中重型貨車是主要貢獻者，因此如何降低重型載貨汽車的污染物排放量，改善燃油經濟性是目前節能減排的重要控制壞節?！皣鍢藴省睂χ匦洼d貨汽車生產廠家提出了新的較高要求，如何提高重型載貨汽車的高動力性、低排放性成為重型卡車行業面臨的主要任務。實現減排的重點在于降低NOx和PM的排放，而空氣濾清器是保證進入發動機氣缸內部空氣為高潔凈度的主要部件[1-2]，可以為發動機提供清潔的空氣，使燃油燃燒更加充分。合理地組織燃燒是降低NOx和PM排放的主要措施，它依靠提高充氣效率及渦流比來實現燃料的完全燃燒，以此降低NOx和PM的排放。同時，空氣濾清器的空氣凈化能力對車輛發動機的動力性、使用壽命及經濟性等有著直接影響。因此，如何在保證過濾效率的前提下，提高空氣濾清器系統內部流體流動均勻性，降低其壓力損失是提升空氣濾清器性能的關鍵[3-4]。而作為汽車進氣系統一部分的前進氣道對空氣濾清器性能起著獨特的重要作用，它能夠進行預過濾，將大顆?；壹八值阮A先濾除，在一定程度上提高空氣濾清器的過濾效率和使用壽命。隨著計算機技術的發展，利用CFD軟件對汽車空氣濾清器及進氣道進行研究越來越多[5-8]，如韓青等[9]基于數值模擬對空氣濾清器結構進行優化，優化后的結構具有出口處的負壓較小和壓力分布均勻等優點。袁志群等[10]對空氣濾清器的進氣阻力進行分析，得出了進氣阻力隨著流量的增加呈拋物線趨勢增加的規律。劉鵬飛等[11]通過實驗與數值模擬相結合的方法對干式空氣濾清器內部阻力特性進行研究，得到了流阻特性隨流量的變化關系。Liu等[12]對汽車空氣濾清器聲學性能進行優化設計，并用數值模擬方法對新型空氣濾清器的聲學特性進行預測，結果表明新型空氣濾清器聲學性能良好。He等[13]對某空氣濾清器及其管道開展數值模擬，并研究采用插入管結構、內置擋板結構后的流動特性，得出了插入管結構降低流動損失，而擋板結構提高流動損失。Jiang等[14]對進氣道設計參數進行數值模擬，并與實驗結果進行對比，結果表明數值模擬方法可為氣道設計提供參考。Li等[15]通過數值模擬對汽車進氣道的空氣動力學噪聲進行分析，并通過與實驗對比驗證了數值模擬方法對汽車進氣道的空氣動力學噪聲預測的可行性。王治林等[16]通過實驗數據對空氣濾清器的數值模型進行驗證，結果表明模擬結果和實驗結果有很好的一致性，但該研究未對進氣管道的數值模型進行驗證。目前，對于汽車進氣系統的研究主要集中在空氣濾清器的結構優化以及壓力損失分析上，而對汽車進氣道的研究則集中在進氣道的參數設計以及進氣道的噪聲分析上，未考慮重型車空氣濾清器前進氣道的格柵角度及擋雨片結構等對進氣道壓力損失的影響。

鑒于此，本文采用商用計算流體力學軟件建立重型車空氣濾清器前進氣道數值計算模型，并通過實驗驗證數值模型的可行性，在此基礎上，同時改變進氣道內格柵夾角和擋雨片大小及數量，研究其對前進氣道流場的影響。

1 數值計算模型及其驗證

1.1 三維模型的建立及網格生成

采用專業建模軟件SolidWorks建立空氣濾清器前進氣道幾何模型，前進氣道的氣流先經氣道入口進入，再經過格柵及其后面的擋雨片，最后由出口流出，其結構如圖1所示，格柵的側面與坐標平面XOY的空間夾角為格柵角度。本文采用ICEM的自動網格生成軟件對圖1所示的流場區域進行網格劃分，所生成的網格如圖2所示。

為了保證流場分析的精度和效率，在某些自動生成網格不理想的區域進行局部修正，最終得到的計算網格總數約為200萬。

1.2 數學模型

為便于計算，提出以下假設：氣體是不可壓縮流體；工作過程中溫度不變；入口處氣流速度分布均勻[17]。氣相控制方程(連續性方程及動量方程)為

圖1 前進氣道幾何模型Fig.1 Geometric model of forward intake port

圖2 前進氣道網格模型Fig.2 Grid model of the forward intake port

式中：p為靜壓，Pa；t為時間，s；u為氣相速度，m/s；ρ為氣相密度，kg/m3；x為方向向量；gi和Fi分別為i方向上重力體積力和外部體積力，N；τij為應力張量，Pa。

1.3 邊界條件

模擬物性參數及其邊界條件如表1所示，其中前進氣道的進出口及壁面邊界條件的設置如圖3所示。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

1.4 湍流模型及求解器設置

模擬時采用不可壓縮、三維穩態流動數學模型和k-ε雙方程湍流模型[18]，收斂條件為所有殘差均低于10-3。穩態湍流流場的計算采用SIMPLE算法。計算均在CPU為Intel?Xeon?E5-26702.8 GHz、內核為8、內存為64 GB的小型工作站上完成。

1.5 方案驗證

根據汽車行業標準“汽車用空氣濾清器試驗方法”[19]，在實驗臺上對空氣濾清器前進氣道進出口的壓力損失進行實驗測試，以驗證本文數值計算方法的可行性與準確性。試驗臺主要由抽氣設備、空氣流量測量系統、空氣流量控制系統、靜壓和壓力降測量系統、空氣濾清器等組成，如圖4所示。

根據壓力損失的定義，當空氣流過總成之時，壓力損失就是其上、下游規定測壓點處管道內氣流的全壓差。因此，在確定壓力損失時，先確定被試總成上、下游測壓點之間的全壓值。

圖5為不同流量下前進氣道進出口壓差值的實驗值與基于上述數值計算模型的模擬值，由圖5可以看出，模擬計算結果與實驗結果的總體趨勢是一致的，最大誤差在15%以內。因此可知模擬結果可信的，本文模擬計算方法可以用于預測空氣濾清器前進氣道的壓力損失。

圖3 前進氣道邊界條件的設置Fig.3 Boundary conditions of the forward intake port

圖4 進氣總成綜合實驗裝置Fig.4 Device of air intake assembly comprehensive experimental

圖5 不同流量下前進氣道壓力損失Fig.5 Pressure drop of forward intake port at different flow rates

2 實驗結果與分析

2.1 格柵角度和擋雨片對壓力損失的影響

模型的格柵角度分為30°，45°，60°3種，模型分為加擋雨片和不加擋雨片2種方式，組合之后，總共有6種模型。根據空氣濾清器前進氣道的6種模型，分別對其進行數值計算，得到前進氣道的流場信息，其速度云圖如圖6。從圖6可以看出：不同格柵角度的前進氣道速度變化規律基本相同，且在格柵處速度較大；當加擋雨片時，在擋雨片處速度也較大，主要是流通截面發生變化，導致流速的增加；在貼近前進氣道右側壁面處的速度較大，其主要是由于氣體在格柵處及擋雨片處速度突然增大，進入前進氣道后會形成氣流漩渦；此外，無論是否加擋雨片，在進氣道出口處右側的速度總是大于左側的速度，且在加了擋雨片之后更加明顯，主要是因為加了擋雨片之后，氣道的流通截面變小速度增大。速度的突然增大對前進氣道內部的流場造成了擾動，因此未加擋雨片前進氣道的速度均勻性比加擋雨片的前進氣道速度的均勻性要好。

圖6 不同前進氣道的速度云圖Fig.6 Velocitydistributionofdifferentforwardintakeports

圖7為上述6種模型的壓力云圖。從圖7可以看出整個流場的壓力梯度變化較大，壓力損失主要集中在前進氣道的格柵和擋雨片兩個區域，這與速度場的分布相對應，而這兩個區域的壓力損失主要是由于模型結構的變化而導致氣流方向和流速的變化造成的。從圖中可知前進氣道的壓力梯度變化從上到下呈現由高到低的趨勢，主要原因是：在入口處，由于流場內部的流通截面發生突變，導致流速激增、壓力降低，但隨著氣道的流通截面積增加，使得流體速度逐漸降低。從圖中還能看出未加擋雨片的前進氣道壓力分布比加擋雨片的前進氣道壓力梯度要小，且分布更為均勻，這與速度場的分析是一致的。加擋雨片之后，在前進氣道的出口管段存在負壓，主要是加了擋雨片之后，使氣流速度增大，所以在前進氣道出口局部區域出現了負壓。

圖7 不同前進氣道的壓力云圖Fig.7 Pressuredistributionofdifferentforwardintakeports

圖8是角度和擋雨片對前進氣道壓力損失的影響。由圖8可知，加擋雨片格柵角度為30°時壓力損失最大，為739 Pa；當格柵角度從30°增加到60°時，前進氣道內壓力損失顯著降低。由此可知，前進氣道格柵角度增大，降低了前進氣道內的壓力損失，這主要是由于格柵角度增大，進氣口有效面積增大，氣流速度減小，因而壓力損失減小。對于未加擋雨片的前進氣道同樣遵循此規律，只是由于未加擋雨片，隨著格柵角度的增大前進氣道的壓力損失減小的幅度更大。同時可以看出無論是否加擋雨片，當格柵角度從30°增加到45°時的壓力曲線的斜率要比格柵角度從45°增加到60°時壓力曲線的斜率大，這表明當格柵角度從30°增加到45°時的壓力損失要比格柵角度從45°增加到60°時壓力損失減小的幅度更大。從圖中還可以看出對同一角度的進氣格柵，加擋雨片的前進氣道比未加擋雨片的前進氣道的壓力損失要大200 Pa左右，這主要是由于擋雨片改變了氣流的方向與流通截面，導致前進氣道的局部阻力增大。此外，擋雨片對前進氣道壓力損失的影響要比格柵角度對前進氣道壓力損失的影響更大，因為當格柵角度減小時壓力損失增大200 Pa左右，而當增設擋雨片時，壓力損失卻增大300 Pa左右，因此有必要對擋雨片的結構進行優化，來進一步降低前進氣道的壓力損失。

圖8 角度和擋雨片對前進氣道壓力損失的影響Fig.8 Influence of the angle and rain shield on pressure drop of forward intake ports

2.2 不同擋雨片結構對壓力損失的影響

根據擋雨片的原始結構A，對其大小及片數進行改變，得到3種不同結構的擋雨片，如圖9所示。結構B擋雨片的數量和A一致，而擋雨片的面積逐漸減小。結構C是在結構B的基礎上將最后一個擋雨片開一個矩形口。結構D則是在結構B的基礎上增加了擋雨片的個數，將擋雨片的片數由4片增加到了5片。

圖9 不同擋雨片結構Fig.9 Different structures of the rain shield

圖10為上述4種帶有不同擋雨片結構的前進氣道內的速度云圖。從圖中可以看出，氣體進入前進氣道后在入口處的速度場分布規律基本一致，在格柵和擋雨片處由于流通截面積的變化，導致局部速度的增大。從圖中還可以看出帶有結構B擋雨片的前進氣道，其在出口處速度均勻性比其它三種要好，這主要是由于擋雨片面積依次減小，流通截面變大氣流速度減小，流速對進氣道內流場的擾動減小，因此在出口處的流速也比較均勻。對于帶有結構C擋雨片的前進氣道，由于在擋雨片上開口，改變了氣流的流向，對進氣道內部流場的擾動增大，因此在前進氣道左側出口處流速局部增大。而對于帶有結構D擋雨片的前進氣道，只有在格柵和擋雨片處速度較大，而在前進氣道的內部速度較小，表明擋雨片的片數對前進氣道的內部流速有著較大的影響。

圖10 不同前進氣道的速度云圖Fig.10 Velocity distribution of different forward intake ports

圖11為上述4種帶有不同擋雨片結構的前進氣道內的壓力云圖，從圖中可以看出，不同前進氣道的壓力變化規律基本相同，前進氣道的壓力損失主要集中在格柵和擋雨片處，且前進氣道上側和下側壓力梯度較大，在出口管段均出現了負壓，且在擋雨片處出現了局部負壓。帶有結構C擋雨片的進氣道在擋雨片處局部負壓最明顯，主要是由于結構C在擋雨片上開口，使局部流速增大，這與速度場的分析是一致的。

圖11 不同前進氣道的壓力云圖Fig.11 Pressure distribution of different forward intake ports

表2為擋雨片結構對壓力損失的影響。由表2可知擋雨片結構為B時前進氣道壓力損失最小，為727 Pa；而當擋雨片結構為D時，前進氣道壓力損失最大，為761 Pa。由此可知，擋雨片數量對壓力損失的影響比擋雨片大小對壓力損失的影響大。通過結構B和結構C的對比分析可知，在擋雨片上開口會增加進氣量，但相應的壓力損失也會增大，主要是在擋雨片上開口之后改變了氣流的流向。通過結構B和結構D的對比分析可知，增加擋雨片的片數，會使壓力損失增大，主要增加了擋雨片的片數，使得氣道進氣口的有效面積減小，速度增大，導致局部壓力損失增大。通過結構B和結構A的對比分析可知，保持擋雨片的片數不變，依次減小擋雨片的大小可以減小壓力損失，主要原因是減小了擋雨片對氣流的阻擋作用。

表2 擋雨片結構對壓力損失的影響Tab.2 Influence of the rain shield structure on pressure drop

3 結 論

基于CFD對空氣濾清器前進氣道內氣相流動進行了數值模擬，并用實驗數據對模型進行了實驗驗證，同時分析了格柵角度和擋雨片對前進氣道壓力損失的影響，得出如下結論。

1)不同流量下空氣濾清器前進氣道的模擬值與實驗值吻合良好且最大誤差在15%以內，表明所用模型和計算方法對空氣濾清器前進氣道的內部流場具有良好的預測精度。

2)對于無論是否加擋雨片的前進氣道，隨著格柵角度的減小前進氣道壓力損失逐漸增大，其中加擋雨片、格柵角度為30°時壓力損失最大，為739 Pa。而對于格柵角度不變的前進氣道，加擋雨片的壓力損失要比未加擋雨片的壓力損失大200 Pa左右。

3)擋雨片結構為B時前進氣道壓力損失最小，為727 Pa。而當擋雨片結構為D時，前進氣道壓力損失最大，為761 Pa，表明擋雨片數量對壓力損失的影響比擋雨片大小對壓力損失的影響大。在保持擋雨片的片數不變時，依次減小擋雨片的面積可以降低前進氣道壓力損失。