2022年汽车空气滤清器入口位置与形状对流动特性的影响分析研究 .docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 汽车空气滤清器入口位置与外形对流淌特性的影响讨论作者 陆曙光 周雪 哈尔滨工业高校汽车工程学院 , 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牢靠性和使用寿命；本课题针对夏利牌 TJ7101 轿车用空气滤清器建立数学模型,采纳适用性较强的标准 k-双方程紊流运算模型,对空气滤清器内部气相三维粘性流淌进行了数值模拟,速度和压力的耦合关系采纳 SIMPLE 算法；在流场运算的基础上,利用压力、速度矢量分布图来其显示其内部流场；本课题具体分析了入口位置、入口外形结构参数对空气滤清器内流淌性能的影响,得到了各种影响因素下的速度场和压力场分布情形；通过对比分析可知,入口位置对空气滤清器的流淌匀称性有明显的影响,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缺失变小,速度分布也变得匀称对称,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,所以合理设计入口外形可明显减小空气滤清器内的流淌的能量缺失；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 底面成 30° 夹角空气滤清器的入口位置与外形为正确；0.01m 处,入口管为斜直管且与关键词：空气滤清器； FLUENT ；入口位置与外形；数值模拟；The influence ofentrance position and shape in auto air filter Author lushuguang <School ofEnergy Science and Technology, Harbin Institute ofTechnology,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- 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 - 1 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 ； entrance position and shape； numerical simulation 1 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 为所讨论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；观看发觉：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 流场运算几何模型的建立空气滤清器中的流淌特别复杂,本文在对其内部流场的分析中作如下假设：1> 空气滤清器中全部的构件为肯定刚体；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；这一假设主要忽视了形成流道的固体 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；依据GB、 ISO 及 SAE各标准对空气- 2 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 滤清器的要求,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行压缩粘性流体；3> 在同一工况下,空气的物性与多孔介质<滤芯）的分布情形是各向同性的；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；本文只讨论工作介质的动力状况,不探讨工作介质的温度变化；不行压缩流体的能量方程独立于连续方程和动量方程之外；本文的最终讨论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纳FLUENT的前处理软件GAMBIT,最终生成的本课题讨论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,二者均用四周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章的长方体滤芯区域,采纳结构化的六面体网格,使得运算更精确,更有效率；对于上下壳体及进气、出气管道,就采纳非结构化得四周体网格,这样网格贴体性- 3 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 更优,运算结果也更符合实际情形；利用GAMBIT 里的Mesh 功能,设定网格间距为0.005m；对于本课题运算原型,最终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 边界条件的设置挑选标准 k- 高雷诺数紊流模型,就需要运算湍流淌能 k 和湍流耗散率 ；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形下其湍流度是特别小的,为了更接近于真实的流场,应当采纳尽可能小的湍流度,这里取湍流度为经验值0.5%,湍流尺度比相应的特点长度低一阶；湍流淌能k 和湍流耗散率 的值分别为： k=0.00375 ； =0.0075467 运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 湍流淌能 k=0.00375 湍流耗散率 =0.0075467 - 4 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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/ 滤芯）, Y 向惯性阻力为 15<1/m）, X、Z 向为 1500<1/m）孔隙率 0.8 其它壁面 采纳缺省的绝热固壁无滑移条件2 空气滤清器内流场运算结果及分析通过 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讨论系统有很大优势,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匀称性和压力缺失的大小；本课题在验证数学模型牢靠性的基础上,绽开空气滤清器结构参数对流淌特性影响的 讨论,模拟运算了入口位置、入口外形对空气滤清器内气体流淌的影响；2.1 入口外形与位置对流淌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,设计运算了当进气管改为 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）的情形,各模型的网格图如 2-1 所示：模型 1 网格图 模型 2 网格图模型 3 网格图模型 4 网格图图 2-1 各模型网格- 5 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 各模型的网格数量和迭代步数如表 2-1 所示：表 2-1 不同入口外形 <位置）模型的网格数量和迭代步数入口外形网格数量迭代步数直管 <模型 1）202770 459 1/4 圆管段 <模型 2）200109 452 直管 <模型 3） 198170413 直管 <模型 4） 196019 398 2.1.1 空气滤清器内部速度分布空气滤清器的性能受其流淌性影响很大,直接影响其滤清效率、压降大小,从而影响空气滤清器的寿命和发动机的经济性；下面给出滤清器四个模型各截面上的速度分布图；图 2-2 模型 1 在 X=-7.5 、X=7.5 截面处的速度分布由图 2-2 可以看出,原始模型在上壳体和滤芯区域速度分布比较匀称,在下壳体速度分布不匀称,但考虑到原始模型的进气管与下壳体之间呈30 度角,所以在下壳体中会显现回流；且出口处的速度明显太小,不符合发动机的进气要求；- 6 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-3 模型 2 在 X=-7.5 、X=7.5 截面处的速度分布由图 2-3可以看出在将入口外形转变为1/4圆管后出口的速度明显变得更小,这是由于进气方向垂直进入下壳体,对正对面的壳体造成较大的冲击,从而扰乱气流,产生 较大的能量缺失；图 2-4 模型 3 在 X=-7.5 、X=7.5 截面处的速度分布模型 3 将进气口的位置做了转变,向X 向的反方向移动了0.01m,由图 2-4 可知,这样的布置使得气体在下壳体中产生更大的涡流,从而加速了气体的流淌,在上壳体和滤 芯区域的速度分布变得更加匀称,可以看出在出口处的速度比较大,这样才更加符合发 动机的进气要求；图 2-5 模型 4 在 X=-7.5 、X=7.5 截面处的速度分布模型 4 的建立是在模型3 的基础上将进气口的位置连续移动了0.01m,由图 2-5 可以看出在出口位置的速度不仅没有提升反而却有所降低,而且速度的分布变得更加不均 匀；由以上分析可对滤清器进气管结构初步改进为模型3,这样的布置是得气体在滤清器中的流淌更加匀称,并且出口的速度对比原始模型来说提升许多,这样仅仅对入口的位 置做了适当的调整,却使得能量的缺失有所降低,符合发动机的进气要求,提高了滤清 器的滤清效率；- 7 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.1.2 空气滤清器内部压力的分布空气滤清器压力缺失的主要缘由是：1、气流与空气滤清器壁面的流淌摩擦；2、入口处和出口处的局部旋流引起的气流剪切和变向；3、空气流经滤芯时的流淌摩擦,也会产生一部分压力缺失；下面给出各模型 YOZ平面内压力切片分布图；图 2-6 模型 1YOZ平面压力切片分布图图 2-7 模型 2YOZ平面压力切片分布图由图 2-6 可以看出模型1 滤芯区域压降很有规律,且左右对称；由图2-7 可以看出模型 2 在进气口压力缺失过大,产生这种现象的缘由是由于在进气口垂直壁面进入下壳体,从而对对面的壁面产生较大的冲击,产生了较大的能量缺失,进气阻力增加,并且可以看出滤清区域的压降分布变得不太匀称；图 2-8 模型 3YOZ平面压力切片分布图图 2-9 模型 4YOZ平面压力切片分布图从图 2-8 模型 3 的压力分布图可以看出在对进气口位置做了转变之后,滤芯区域的压降变得更加匀称,图 2-9 中模型 4 与模型 3 相比,滤芯区域的总体的压力缺失较大,- 8 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 且在进气口的压力分布没有模型 3 匀称；计；综合以上对各模型速度分布和压力分布的分析,选用模型 3 的入口布置为最优设3 结论 本课题具体分析了入口位置、入口外形对空气滤清器流场中速度和压力的影响,对 比三维流场的运算结果可知：通过对比分析可知,入口位置对空气滤清器的流淌匀称性有明显的影响,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缺失变小,速度分布也变得匀称对称,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,所以合理设计入口外形可明显减小空气滤清器内的流淌的能量缺失；参考文献：1 蔡兴盛 . 汽车构造与原理. 北京机械工业出版社,2004. 2 韩光明 . 国内车用滤清器市场前景分析. 2007 . 3 林波,李兴虎 . 内燃机构造 . 北京：北京高校出版社 . 2022.8.4 吴一敏 . 车用空气滤清器的现状及其进展趋势. 汽车讨论与开发,1999. 5 王福军 . 运算流体动力学分析：CFD软件原理与应用. 清华高校出版社,2004. 6 于勇 . FLUENT入门与进阶教程. 北京理工高校出版社,2022. 7 Terry Ford. Vibration Reduction and Monitoring. Aires craft Engineering and Aerospace Technology , 1999,71l>:21-24 . 8 Dauglass M , CFD Applications in the Automotive Industry of the ASME ,l996.9. Journal of FluidsEngineering ,Transactions - 9 - / 9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 9 页