某重型车辆空气滤清器改进

毕占东，康 琦

(装甲兵工程学院 a.装备试用与培训大队; b.机械工程系，北京 100072)



【装备理论与装备技术】

某重型车辆空气滤清器改进

毕占东a，康 琦b

(装甲兵工程学院 a.装备试用与培训大队; b.机械工程系，北京 100072)

在不改变空气滤清器原有结构尺寸的情况下，在空气滤清器进气口添加预滤装置，提高了空气滤清器的整体滤清效果。应用Soildworks软件对空气滤清器预滤装置进行三维建模，利用ANSYS-FLUENT软件进行气流阻力分析，得到预滤装置压力分布和气流流速矢量分布曲线。对预滤装置内部进行离散相数值模拟，并追踪颗粒运动轨迹，验证了滤清效果，能满足我国西北风沙大地区某重型车辆使用要求。

预滤装置；滤清效果；速度场；离散相

对于某重型车辆的空气滤清器，在西北戈壁滩等尘土颗粒较小的地区使用过程中，由于金属滤网无法有效过滤细微尘土颗粒，严重影响了空气滤清器的滤清效果，制约了车辆各种效能的有效发挥，使发动机早期磨损。研究能够阻挡较小尘土颗粒的滤清器，对于提高空气滤清器滤清效果具有重要意义[1-3]。

目前军事强国许多老式重型车辆普遍采用复合式空气滤清器[4]。复合式空气滤清器由旋流管粗滤器和精滤器组成，精滤器普遍采用滤尘丝、滤纸和毛毡。随着装甲车辆技术的进步，尤其是动力传动装置向高功率密度、高效率集成化方向发展，促使装甲车辆的进气系统也有了很大的变化。美国M1坦克采用直通式旋流管和V型纸栅式滤纸构成的空气滤清器。俄罗斯T-72坦克采用旋流管和滤尘丝构成的湿式空气滤清器，T-90MS坦克的空气滤清器由铝制旋风管和无纺布组成。英国M88救援车的空气滤清器由两级旋风预滤器和自洁式过滤器组成。国内外主要通过改变空气滤清器体外壳形状和更换滤芯材料等方法提高空气滤清器滤清效果，主要研究方向[4-7]是：采用直通式旋流管、自洁式滤纸、无滤芯式、高压过滤式滤清器。

为了提高某重型车辆空气滤清器的滤清效果，保证发动机功率的有效发挥，作者提出在空气滤清器粗滤(一级滤清器)前设置预滤装置。该方案最大的特点是不改变原有车辆上空气滤清器的结构尺寸，只在进气口添加预滤装置，提高了空气滤清器的滤清效果。

1 理论分析

1.1 流体动力学控制方程

将预滤装置流体的内部流动作为恒温定常流动，流动平衡后各点速度不随时间变化，流体的压强和粘性力也不随时间变化。因此流体在预滤装置中满足质量守恒定律和动量守恒定律。

1.1.1 质量守恒定律

任何的流动问题都遵循质量守恒定律。其数学表达式为：

(1)

其中：ρ为密度，t为时间，ui为速度矢量。

考虑到预滤装置为定常流问题，确定Sm的值为0。

1.1.2 动量守恒定律

(2)

其中：P为静压，τij为应力张量，ui和uj分别为i方向上的重力体积力和外部体积力，Fi包含了其他的模型相关源项。

应力张量由下式给出：

(3)

1.2 气固两相流模型理论

运用Realizable k-epsilon湍流模型对预滤装置中空气和灰尘颗粒两相流的空气状态进行仿真，运用离散相模型对灰尘颗粒流进行仿真。

1.2.1 气流湍流模型

流体的流动状态分为层流和湍流。当雷诺数低于临界雷诺数时，流体的分层流动即为层流；当雷诺数大于临界雷诺数时，流体的运动状态改变，彼此有序互不影响的分层流动变成杂乱无序不稳定的流动，称为湍流。通过计算预滤装置内部流动时雷诺数得到其内部流动为湍流的具体状态。

湍流动能输送方程：

(4)

其中：k表示湍流动能，ε为湍流耗散率，Gk和Gb分别是由于平均速度和浮力引起的湍流产生项，YM表示湍流中脉动扩张的贡献。

1.2.2 离散相模型

离散相：体积分数小于10%时，利用FLUENT离散相模型进行求解可得到较为准确的结果。将粒子当做离散存在的一个个颗粒时，计算连续相流场，再结合流场变量求解每一个颗粒的受力情况，就能获得颗粒的速度，追踪每一个颗粒的轨道。

在FLUENT软件中，通过积分拉氏坐标下的颗粒作用力微分方程求解离散相颗粒的运动轨迹，颗粒的作用力平衡方程在笛卡尔坐标系下x的形式为：

(5)

式中：FD为灰尘颗粒的单位质量拽力；up为灰尘速率；u为环境速率；ρP为灰尘的密度；Fx为其他作用力。计算过程中不考虑附加质量力和流体压力梯度引起的作用力、热泳力等。

2 计算模型的建立

预滤装置结构简图如图1，该预滤装置由旋转叶片、内外筒、防尘网格板、防雨盖、出气口、抽尘装置等部分组成。其中预滤装置的出口直径d为92 mm，外筒直径D为156 mm，叶片倾角为32°，集尘处高度h为30 mm，空腔高度为110 mm，叶片导向部分高度e为20 mm。在多尘地区使用时，将此预滤装置装在空气滤清器的进气口。正常工作时，含有大量尘土的空气通过防雨盖、网格板进入预滤装置内部，此时大颗粒的杂物被阻挡在外面；然后空气通过旋流叶片高速旋转，在离心力的作用下，空腔内的大部分尘土颗粒被甩在空腔内壁上。由于自身重力作用，大部分灰尘进入到空气滤清器集尘箱处，最后通过废气抽尘装置或电动抽尘泵将尘土排出。而后较洁净的空气进入到空气滤清器中通过滤网过滤，最终达到提高空气滤清器的滤清效率、预防发动机早期磨损的目的。

图1 预滤装置结构简图

利用Soildworks软件对预滤装置进行建模，得到三维几何模型如图2所示。

图2 预滤装置三维模型

2.1 湍流模型的建立

2.1.1 网格划分

利用ANSYS软件对几何模型抽空得到气体模型，然后对气体模型进行网格划分，网格单元数为1 735 269个、节点数为313 896个。

由于几何形状复杂，为保证仿真效果，采用四面体网格划分，其网格模型如图3所示。

图3 预滤装置网格模型

2.1.2 边界条件的确定

在预滤装置流场分析中，标准大气压为1.0×105Pa，温度为293 K，空气密度为1.204 kg/m3,分子粘度为1.80×105Pa·s，比热容为1 006.0 J/kg。

由于本课题涉及的空气滤清器是为柴油机增压器提供规定流量的空气，故入口采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件。根据某重型车辆发动机在使用转速(1 700-1 900 r/min)条件下空气需求量[7]为1 271.8 g/s以及空气滤清器进气口的尺寸、结构，确定入口速度为30 m/s。对于出口边界条件，设定压力为0 Pa。

2.1.3 仿真方法的确定

本文研究对象为不可压缩的理想气体稳态定常流动三维模型，故不考虑流体的粘度、流体的压缩性和气流的热力学条件。采用有限体积法的基本思想，利用SIMPLE算法进行迭代，迭代次数为1 000次。经过分析决定采用三维单精度稳态求解器，粘性模型选择Realizable k-epsilon湍流模型，对预滤装置内部的三维湍流流场状况进行数值模拟。

2.2 离散相模型的建立

前面对连续相进行了仿真分析，现在在连续相的基础上加入离散相，用已有的空气流场，根据离散相受力平衡求解灰尘的运动轨迹。计算中空气作为连续相，灰尘作为离散相。空气中离散相灰尘的含量为2 g/m3，在350 m3/h空气流量下，灰尘的质量流速为2 g/s，灰尘密度取500 kg/m3，空气密度取1.204 kg/m3。文中采用双向耦合拉格朗日法追踪颗粒运动轨迹，分析结果。

2.3 发动机工作过程模型

以某重型车辆进气系统与预滤装置的匹配为研究对象。应用GT-Power软件建立了该发动机的工作过程模型，对比加装预滤装置前后对发动机的影响。该柴油机的主要结构参数和部分性能指标如表1所示。工作过程模型如图4所示。

表1 发动机机构参数及性能指标

图4 发动机的工作过程模型

3 计算结果

3.1 湍流模型的仿真结果

应用ANSYS软件计算得到标定工况下预滤装置内部气流速度分布，如图5和图6所示。

图5 预滤装置整体速度场迹线图

图6 防雨盖和旋转叶片处速度场分布图

3.2 离散相模型的仿真结果

空气作为连续相，灰尘作为离散相，应用ANSYS软件计算得到预滤装置中尘土颗粒的运动轨迹，并对颗粒进行追踪，如图7和图8所示。

图7 颗粒直径为80 μm时的运动轨迹时间云图

图8 预滤装置压降图

3.3 发动机工作过程仿真结果

根据湍流模型和离散相模型计算出预滤装置的参数，对安装预滤装置前后进行发动机工作过程模拟，得到的结果如表2所示。

表2 安装预滤装置前后发动机工作参数

4 分析和结论

由预滤装置整体速度场分布图可以看出：预滤装置的滤清作用能够实现，空气进入旋流片后，流速增快，由于旋流片形状的影响，其轴向、径向及切向流速很不均匀，其径向速度有向心的，也有背心的。经过旋流片后，流速趋于均匀。接近收集器时，流速又发生很大变化，灰尘收集器内流动渐渐停止，而中间灰尘进入的区域，流速又有所增加。

根据图5、图6所得的结果，可以看出：气体在通过旋转叶片时产生的高速旋转气流比较理想，叶片的导流作用显著提高，空腔内气体做高速旋转运动；高速旋转的气流主要分布在预滤装置空腔的整个区域，空腔作用得到有效发挥；预滤装置中气流较稳定，整体分布较均匀。

从图7可以看到，直径为80 μm大小的颗粒从预滤装置进口随空气运动到集尘处，共耗时0.037 s，且颗粒随动性较好，没有明显下落迹象。

从图9可以看到，用GT-Power软件对加装预滤装置进行仿真后，发现发动机的功率下降2.8%，可以对尘土颗粒实现较高的滤清效率，不会明显影响发动机性能，能满足我国西北风沙大地区某重型车辆使用要求。

[1] 韩峰.风沙地区空气滤清器系统的研究[J].内燃机车,2005(10):15-17.

[2] 李继红.多尘环境使用的空气滤清器的研发[J].拖拉机与农用运输车,2011,38(4):59-61.

[3] 马英朝.适用于风沙地区的新型机车空气滤清系统的研究[D].上海:上海交通大学,2006.

[4] 冯益柏.装甲车辆设计[M].北京：化学工业出版社,2015.

[5] 陈海娥,李康,刘金云,陈群.旋风除尘CFD分析[J].设计计算研究,2003(4):13-16.

[6] 付海明,尹峰.空气滤清器过滤阻力多元关联式的研究[J].过滤与分离,2008,18(3):27-30.

[7] 张晓峰.基于CFD的载货发动机用空气粗级滤清器优化设计[D].西安：长安大学,2013.

[8] 骆清国.马志雄.新装备发动机构造、使用与维护[D].北京：装甲兵工程学院,2003.

[9] 卢进军，李继新，孙阳，等.高原环境下某装甲车辆空气滤清器性能仿真分析与试验[J].兵工学报，2015(8):1556-1561.

(责任编辑 周江川)

Performance Improving of the Heavy Vehicle Air Filter

BI Zhan-donga, KANG Qib

(a.Brigade of Armament Trial and Training; b.Department of Mechanical Engineering,Academy of Armored Force Engineering Institute, Beijing 100072, China)

A pre-filter was added to the air vent to improve filter efficiency under the condition that the size of the original air filter remains the same. The three-dimensional model was built in Solidworks, of which the airflow pressure was analyzed in ANSYS-FLUENT. The pressure distribution and the flow rate distribution in pre-filter were obtained. In addition, the inner condition was simulated discretely and the movement of particles was tracked. The result demonstrates that this device is capable of improving the filter efficiency in heavy sand environment, enabling normal application for heavy vehicle in the northwest.

pre-filter; filter efficiency; flow rate field; discrete phase

2016-11-25；

2016-12-29 作者简介：毕占东(1975—)，男，副教授，主要从事车辆运用工程研究。

10.11809/scbgxb2017.04.009

毕占东，康琦.某重型车辆空气滤清器改进[J].兵器装备工程学报，2017(4):42-45.

format:BI Zhan-dong, KANG Qi.Performance Improving of the Heavy Vehicle Air Filter[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(4):42-45.

TQ051.8

A

2096-2304(2017)04-0042-04