新型沙漠空气粗滤器流场分析与结构优化

2016-03-18CFDanalysisandstructureoptimizationofnewtypedesertswirltubeairfilter

制造业自动化 2016年1期

关键词：结构优化

A CFD analysis and structure optimization of a new type desert swirl tube air filter

张伟社，李美美，梁学双，李　珂

ZHANG Wei-she, LI Mei-mei, LIANG Xue-shuang, LI Ke

（长安大学工程机械学院，西安 710064）

新型沙漠空气粗滤器流场分析与结构优化

A CFD analysis and structure optimization of a new type desert swirl tube air filter

张伟社，李美美，梁学双，李珂

ZHANG Wei-she, LI Mei-mei, LIANG Xue-shuang, LI Ke

（长安大学工程机械学院，西安 710064）

摘要：针对重型卡车用的沙漠空气滤清器中旋流管式空气粗滤器，提出一种新型结构形式，并建立三维几何模型，应用计算流体动力学（CFD）对其进气口、旋流管组气流阻力进行单相（空气）数值仿真分析。根据分析结果对其栅格与圆孔形进气口、旋流管与旋流管组结构参数提出了改进方案。

关键词：旋流管；空气粗滤器；结构优化；流场分析

0 引言

常在沙漠、油田、煤矿等灰尘“重灾区”工作的工程机械与重型卡车，需要装配一种沙漠空气滤清器，以满足延长发动机使用寿命的要求。

沙漠空气滤清器由纸质滤芯与多旋流管式粗滤器共同组成的一种双级干式空滤器，空气从进气口进入旋流管进行粗过滤，大部分灰尘受离心作用被滤出，并通过锥形管道导入集灰腔。粗滤后的气体再经过旋流管内管进入纸质滤清器，再进行进一步过滤[1]。

多旋流管式粗滤器的气流阻力是其性能的度量指标之一，应用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）数值仿真分析软件STAR-CCM+，对其气流进行模拟已逐步成为重要手段。应用CFD与k-ε紊流模型，对空气滤清器入口部分进行压力、速度特性分析，优化入口结构[2,3]；应用两相（灰尘和空气）流计算方法对不同结构旋流管的滤清效率比较分析[4]；对空气滤清器的内部流场进行分析，优化内部结构[5,6]；对锥形旋流管内部流场进行数值模拟，优化旋流管结构[7～9]。

本文应用STAR-CCM+软件，对一种新型结构形式的、重型卡车用的旋流管式沙漠空气粗滤器气流进行数值模拟，以分析其进气口与旋流管结构参数对空气流动阻力的影响，为该新型粗滤器结构的进一步优化与应用提供依据。

1 新型空气粗滤器及其计算模型

1.1 新型沙漠空气粗滤器

用于重型卡车上的新型旋流管式沙漠空气粗滤器包括旋流管组件与粗滤器上下壳体三部分，如图1所示。图1中新型粗滤器上壳体前面设有栅格式进气口，下壳体后面设有一组圆形进气孔，上下壳体连接后的侧面设有栅格式进气口。多个旋流管由支架固定构成旋流管组，旋流管组件将粗滤器壳体内部隔离成净化空气腔、含尘空气腔和集尘腔三部分。实验表明该新型沙漠空气粗滤器对于在沙漠、煤矿等灰尘“重灾区”作业的工程机械与重型卡车效果十分明显。

1.2 几何模型建立及网格划分

应用Pro/E建立的新型沙漠空气粗滤器的三维几何模型，用Hypermesh11.0软件对新型粗滤器数模进行几何清理，除去外面的支架结构以及对内部影响不大的结构部分，并生成面网格，其结果如图2所示。

采用Star CCM+7.06软件对此模型进行网格划分并且进行计算处理，使用trim网格，根据计算的需要，对旋流管区域进行加密，共生成体网格单元总数1800万个，网格模型如图3所示。

图2　计算区域三维几何模型

图3　计算网格模型

1.3 流场特性数学模型

在计算流体力学时应遵循质量守恒、能量守恒和动量守恒。实际情况下，空气在粗滤器中的流动为一种紊乱无序的湍流流动。因此，本文选用标准的k-ε模型对新型的沙漠空气粗滤器进行流场分析，并用雷诺时均N-S方程进行求解[10]。相关方程如下：

质量守恒方程：

式(1)中，ρ表示密度，t表示时间，ui是速度矢量，xi是位移矢量。

动量守恒方程：

式中，p为流体的压力，μ为流体的黏度，Si为动量方程广义源相，i和j为张量指标，取值范围为（1，2，3）。

雷诺应力方程：

式中，μt为湍流粘度（µt=Cµk2/ε），δij为流体变形率的张量分量。

标准k-ε方程中k方程：

式中，σk、σε分别是k、ε方程湍流普朗特数，C1ε、C2ε是经验值，Gk是由于平均速度引起的湍流动能k的产生项。

为了使模型简化，设：1）空气为定常与不可压缩；2）空气的物性是各向同性的；3）粗滤器稳定工况下保持温度不变且整个流动过程不存在热交换。

本文使用Star CCM+7.06软件进行数值模拟分析，采用有限体积法将计算区域离散化，沙漠空气粗滤器控制方程采用时均N-S方程，压力—速度耦合采用SIMPLE算法，对新型沙漠空气粗滤器三维紊流流场进行单相（空气）计算和分析。

1.4 边界条件及初始值

在沙漠空气粗滤器外围流场中，压力为标准大气压P0=1.01325×l05Pa，温度T=293K，空气密度ρ=1.225kg/m3，空气分子黏度μ=1.81×l0-5Pa.s，比热c=1006.0J/kgK。

1）入口边界：沙漠空气粗滤器入口采用相对压力边界，设为 P=0Pa。

2）出口边界：沙漠空气粗滤器出口气流可以认为是均匀分布的，分析的流体为理想状态下的不可压缩的空气。根据给定的汽车发动机流量要求和出口截面几何尺寸，可以确定出口空气的速度。流量Q=1600m3/h，出口截面积S=31827.5mm2，计算得出口空气速度为v= 13.964m/s。

3）对称面边界：沙漠空气粗滤器的对称面取为symmetry对称边界条件。

4）壁面边界：采用无滑移条件，壁面速度为0。

模型经验常数取值为：σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09。湍流强度I=0.03，湍流粘性比ε=2。

2 计算结果与分析

1）新型沙漠空气粗滤器进气口压降模拟计算。下面针对沙漠空气滤清器三个进气口在流量为1280m3/h、1600m3/h、1920m3/h分别进行模拟计算。侧面栅格孔总进气面积为S=10184mm2，斜度为40°，数量为；前面栅格孔面积S=592mm2，斜度为35°，数量为32；后面圆孔尺寸D=8mm，数量为240。根据模拟计算结果，由三个进气口里外压力差分别计算各进气口的气流压降，其结果如表1所示。

表1　粗滤器进气口压力损失模拟计算结果　（单位：Pa）

2）旋流管压降模拟计算。沙漠空气粗滤器单个旋流管气流流场的模拟方法为：由流体不可压缩条件知，进气口气流流量等于出气口，据此分别计算入口、出口的气流流速作为其边界条件，其结果如表2所示。

表2　滤清管入口/出口流速（m3/h）及其压降（Pa）

3）旋流管组件压降模拟计算。新型沙漠空气粗滤器的旋流管组件由66个旋流管组成，进气管口圆环外径D1=36mm，内径D2=24，出气管口直径d=14mm。模型采用压力进口边界，设为P=0Pa；出口边界为速度，依据通过流量和出气口截面面积（S=31827.5mm2）计算，其值及旋流管组件压降模拟计算结果如表3所示。如图4所示是流量Q=1600m3/h时旋流管组件压力分布情况。

表3　出口流速（m3/h）及旋流管压降（Pa）

4）新型粗滤器压降模拟计算结果分析。由表1、表3可知，新型沙漠空气粗滤器的总压降为进气口与旋流管组件压降之和，其结果如表4所示，表中也列入实验结果。

图4　流量Q=1600m3/h时旋流管组件压力分布

表4　粗滤器压力损失模拟计算结果

由表4可知，新型沙漠空气粗滤器数值模拟结果较实验值小，这是因为实验是在多相（空气、尘粒、水等）条件下进行的。但随着气流量的增大压降也增大，趋势是一致的。单个旋流管的压降较旋流管组件小，这是因为旋流管组件中各旋流管之间的阻挡所致。

3 空气粗滤器结构优化

1）进气口结构优化。由表1可知，三个进气口的压力损失后面圆孔最大，前面栅格次之，侧面栅格最小，因此对粗滤器壳体后面圆孔进行优化。优化的结果为：圆孔数量为275，圆孔直径Φ=9，压力损失减小8.25%。

2）旋流管组件结构优化。对于单个旋流管，增大其结构参数（如管径）能减小其压力损失；对于旋流管组件，减小旋流管结构参数，增多旋流管数量，使旋流管组件中各旋流管之间的阻挡面积减小，能减小旋流管组件的压力损失。优化的结果为：旋流管组件旋流管数量为106，进气管直径D=32mm，出气管直径d=11mm，旋流管组件的压力损失减小16.71%。