基于CFD仿真对过滤器优化设计

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是通过计算机数值计算和图像显示对包含有流体流动和热传导等相关物理现象系统所做的分析[1]。随着近代社会计算机技术的越发成熟，进而使得数值模拟方法有了长足的发展，而在各个工程科学领域CFD 因其分析快速、解决问题经济高效的特点而被工程设计人员广泛应用。在人类的日常生活中，过滤系统的应用已经变得越来越广泛。但是过滤系统在一定过滤效率下的能耗依然较大，因此降低过滤器的阻力并保证一定的过滤效率，是解决该问题的关键[2-3]。过滤器的结构优化是达到这个目的的有效手段之一。近几年来，过滤器的结构设计有了很大地发展，其中无隔板空气过滤器不仅能增加过滤面积，对过滤效率也有很大地提升，而且气流阻力明显降低，能耗也随之降低[4-5]。由于过滤器内部结构比较复杂，难以生成高质量的网格，因此很多以往的做法就是采用多孔介质代替。本文采用多面体网格的方法把过滤装置内部通道的复杂结构生成网格，并进行分析研究，以达到优化结构的目的。

1 几何及网格模型

过滤器的内部结构比较复杂，由于空间布置需要，内部流道呈360°折弯型，如图1所示。并且有六边形孔状过滤装置，用于吸附杂质，如图2所示。

图1 过滤器风道内部结构图

图2 过滤装置结构图

除去固体区域取出流体区域，对出口进行延长的目的是减少出口回流以提高收敛性，流体域结构如图3所示。对于复杂的内部结构，采用了贴合性更好的多面体网格[6]的方法生成内部体网格，并对壁面附件的边界层进行加密，生成的网格模型如图4所示，图5显示了其中截面上的网格。整体网格数量为100万左右，网格扭曲率在0.8以下，符合网格计算要求。

图3 流体域初始面网格

图4 多面体体网格

图5 中截面上的网格

2 计算模型及边界设置

采用CFD 模拟内部流场的本质就是解非线性偏微分方程组的过程，而这个方程组则是由连续方程、湍流方程以及N-S 方程这三个方程所组成的，总体通过CCM+完成网格生成的一系列作业，使用标准差分格式来离散压力项，通过二阶迎风格式处理速度项、湍流粘性系数项以及湍流动能项使得解更加准确[7]。

本文采用定常计算方法计算风机的流场，故时均控制方程[8-9]表示为:

式中，ρ为密度，u为速度，p为压力，Γ为扩散系数。

湍流模型选用工程上应用广泛的标准κ-ε模型，其湍动能和耗散的控制方程为:

式中，湍流粘性系数μt=ρcμκ2/ε，模型常数cμ=0.09，c1=1.44，c2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3。这样和连续方程、动量方程组合就组成了封闭的非线性的流体方程组。

壁面处理方法在很大程度对数值模拟计算起着很关键的作用，本文采用默认的壁面函数法。进口条件设为质量进口，出口条件设为压力出口。壁面边界采用无滑移壁面[10]。

3 数值模拟和优化设计

本设计中以空气为介质，进口条件设为质量进口，进口流量为7 L/s，出口条件设为压力为0的压力出口。壁面边界采用无滑移壁面。通过后处理分析可以得到其内部的压力场和速度场。图6显示了中截面上总压的变化过程。从图6中可以看到经过过滤装置后压力有比较明显的下降。拐弯后由于惯性作用在后面形成了一个低压区，这对过滤器的性能有很大的影响，应该尽量消除。图7显示了内部流动的速度场，由于低压区的关系，造成在这个区域形成一个比较大的涡流，使得流体的流通面积减小，造成了流通位置形成了较大的速度，这反过来也造成了流动阻力的增加。

图6 中截面上的总压分布

图7 中截面上的速度场分布

通过以上流场分析，主要的优化对象就是减小拐角处的回流区域。由此做了两种方案的优化:方案一是挖去回流区的结构，得到压力场和速度场，如图8、图9所示。方案二是在拐弯处加了一块导流板，使流体在拐弯后减小惯性作用的效果，得到的压力场和速度场如图10、图11所示。

图8 方案一中截面上的总压分布

图9 方案一中截面上的速度场分布

图10 方案二中截面上的总压分布

图11 方案二中截面上的速度场分布

通过图8、图9可以看到，方案一在拐角处已经没有了低压区，在靠近出口区出现了一个新的较小的回流区，而且靠近出口处的速度仍旧较大，这是流道变窄造成的结果。通过图10、图11可以看到，方案二在拐角处还是低压区，但这个低压区相比原始结构中形成的低压区小了很多。由于低压区减小使得流通截面积增加，从而使得出口处的流速减小流动更加稳定，同时流阻也有相应的减小。因此可以得到方案二是最可取的优化设计方案。即在过滤器的拐弯处加上一块导流板，使流体在拐弯后能达到减小惯性作用的效果，且减小流阻，较好的达到了降低能耗的作用。

4 结束语

对于处理复杂几何，多面体网格有很好的贴合性，能够得到高质量的计算网格，计算收敛性较好。优化后的两个方案通过和原型对比，发现优化方案二改进方法更加简单，并且能够得到较好的流场，而且仿真结果也验证了方案二的有效性，这对类似的设计都具有指导意义。需要说明的是，对于过滤器的优化本文仅仅只做了一部分工作，接下来可对方案二进一步完成设计。

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