高原环境下空气滤清器性能改进与试验研究

卢进军， 杜莉莉， 乔梦华， 李文超， 陈克新

(中国北方车辆研究所, 北京 100072)

某系列轻型履带式装甲底盘在高原环境下存在着进气系统阻力大、保养间隔时间短、发动机增压器异常磨损等问题.通过故障分析，可以得到其故障原因与重型装甲车辆基本一致，即空气滤清器总成的1级滤清器、2级滤清器在设计中没有充分考虑高原环境，同时滤芯结构和滤清器流场布置存在缺陷.在高原环境空气密度降低的条件下，要保证质量流量不变化，发动机进气体积流量就会增加，系统气流速度就会增高，而空气滤清器在高气流速度时阻力增大，从而导致发动机输出功率明显下降，无法正常工作[1].

基于故障原理分析，提出解决方案可以从如下两个方面出发：1)优化滤清器流场，降低系统阻力；2)提高滤清容尘能力.改进效果将应用仿真手段与试验方法进行验证.

1 新结构仿真模型的建立

在文献[1]研究的基础上，形成3个改进措施，分别是取消了原空气滤清器的集气箱，滤芯形状由圆柱形改为圆台形，并在滤芯尾部加装了导流锥.

改进后的空气滤清器总成三维造型如图1(a)所示，通过将1级滤清器模型和2级滤清器模型分别简化为具备一定阻力特性的多孔介质模型来建立三维仿真模型，同时对空气滤清器复杂结构简化处理，增加前端进气道，分离滤芯前后端进气腔，组合成为系统仿真模型，改进后的空气滤清器系统仿真模型如图1(b)所示.

图1 空气滤清器

将生成的系统仿真三维模型在ANSYSY Workbench的流体仿真模块中进行前处理，即划分网格和定义区域.依据流体计算域划分为4个部分体结构：滤芯前端气腔、滤芯后端气腔、滤芯体和1级滤清器体.定义滤芯体和1级滤体为多孔介质单元Porous zone.原车滤清器滤芯前后端腔体网格数为1 400 042，圆柱形滤芯网格数为324 512，1级滤清器体内旋流管多孔介质体共65个，网格数为201 474.改进方案空气滤清器滤芯前后端腔体增加了导流锥和圆台形滤芯斜面，网格数量为1 482 567，圆台形滤芯网格数为401 562.由于改进前后两方案采用同一款1级滤清器，故1级滤清器网格数一致[2].

2 仿真参数的确定

在计算过程中多孔区域可以简化为增加压力降的流体区域，多孔区域流体速度-压力降拟合公式为

(1)

(2)

(3)

式中：C2x为惯性阻力因子；ρ为空气密度，kg/m3；△nx为单个旋流管长度或滤纸纸折厚度，m；αx是渗透特性系数；μ为空气动力粘度，10-5Pa·s；Δpx为流体通过多孔介质产生的压力降，Pa；vx为通过多孔介质的流速，m/s；下标x为t或f，t表示旋流管参数，f表示滤芯参数.

将式(2)和式(3)代入式(1)中，可以得到待确定参数1/αx和C2x.该参数可在已知旋流管和滤芯的速度与压力降试验数据的基础上通过插值的方法求出[3].

设定发动机额定工况下进气流量为1.2 kg/s，海拔0 m至4 500 m的大气压力、温度和空气密度通过查询国际标准大气数值得到.海拔越高, 空气越稀薄, 空气滤清器的性能随海拔的升高而恶化的影响也就越明显.将质量流量依据空气密度折算为不同的体积流量后，将不同海拔高度下的试验结果进行拟合，将密度和尺寸参数代入拟合后的函数表达式，可以依次得到单个旋流管元件和单个滤芯在不同海拔环境下的多孔介质参数(见表1).

Workbench Fluent工作模块的Setup连接Fluent求解器，在环境设置中选取平原和高原两种环境设置，设置不同的温度和空气粘度.设置模型的边界条件为压力入口和速度出口，压力入口在一级滤清器前端气道，依据两种地域的海拔高度的空气密度数据，计算空气滤清器的出口流量.在出口面积一定的条件下，出口流速即可确定.在两种多孔介质模型设置中选择圆形多孔介质，多孔介质模型的粘性阻力系数1/α和惯性阻力系数C2依据表1输入，不随海拔高度变化而变化[4].

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表1 不同海拔高度下滤清器的试验数据与多孔介质参数[1]

3 仿真结果与分析

通过仿真计算，得到了两种海拔高度(0 m和4 500 m)下，空气滤清器滤芯的流场分布图、空气滤清器总成的速度云图、滤芯流速分布云图和空气滤清器总成速度分布矢量图，如图2～图8所示.

图2 原空气滤清器圆柱形滤芯速度流场分布图(平原 )

图3 改进方案圆台形滤芯速度流场分布图(平原)

图4 改进方案空气滤清器总成流速分布图(平原)

图5 改进方案空气滤清器总成流速分布图(高原)

图6 改进方案空气滤清器总成流速剖面图(平原)

图7 改进方案空气滤清器总成流速剖面图(高原)

通过读取特定截面仿真数据，得到仿真数值结果如表2所示，从表2中可以看到改进前后的压力降仿真结果.

图8 改进方案滤芯流速云图(高原)

参数名称参数值原空滤器(平原)改进方案(平原)原空滤器(高原)改进方案(高原)空气流量V/(m3·h-1)3370337039603960出口流速v/(m·s-1)5.024.677.636.05系统压力降P/kPa4.83.85.44.2滤芯面流速vf/(m·s-1)12.25.814.36.5

通过对空气滤清器总成的结构计算和仿真分析，可以得到以下结论：

1)原方案由于流场不均匀造成滤芯表面流速不均匀，加上集气箱的流体扩展空间体积小，出气口收口无过渡等因素，所以在平原和高原两种状态下，最大进气量时的流速和阻力均较高，平原地区阻力达到了4.8 kPa，高原地区阻力更是高达5.4 kPa.而改进方案在采用了前述两方法优化流场后，最大进气量时，平原地区系统阻力为3.8 kPa；在高原地区发动机最大进气量时，系统阻力为4.2 kPa.改进后的空气滤清器阻力较原方案降低了22%，系统阻力的降低满足了发动机增压器前端阻力需求.

2)圆台形滤芯和锥形导流装置，达到了降低系统压力降的目标.系统初始阻力的降低，带来了容尘过程中阻力增长余量的提高，特别是容尘初始阶段，系统阻力增加缓慢，极大提高了系统容尘总质量，提高了空气滤清器的使用寿命.

3)从仿真图中可以看到，原空气滤清器圆柱形滤芯局部面流速在高原状态最高达到了14.3 m/s，有局部击穿的风险.改进方案通过改变滤芯形状、加装导流装置等方式优化流场，降低了滤芯表面流速，改进方案在高原状态滤芯表面最大面流速为6.5 m/s.

4 高原测试

4.1 测试方案

空气滤清器性能和环境参数的测试工具，包括压力传感器、风速传感器和数据记录装置.该测试场海拔4 500 m，现场温度10 ℃，大气压力59 kPa.主要测试项目如下：

2)空气滤清器进气流量测试；

3)空气滤清器容尘能力的监测.

空气滤清器的阻力、进气流量和容尘能力的测试方法均参照文献[1]中采用的方法，即应用压力传感器测量压力降、应用风速传感器测量风速，通过进气截面积的换算得到进气流量，以及通过记录空气滤清器保养间隔得到容尘能力的方法.

空气滤清器数据记录盒的连接状态与压力传感器的安装形式如图9、图10所示.

图9 数据记录盒 图10 压力传感器

4.2 测试结果

经过高原测试，得到了空气滤清器高原工作状态下各测试点的静压分布，其中出口处的静压值减去入口处的静压值即为空气滤清器出口处的压力降.空气滤清器进气流量测试得到的单管流速数值，通过旋流管数量和截面积的换算，得到了试验测试的空气滤清器进气量数据见图11.在同一流量下对比仿真和试验测试的压力降数值，可以得出在海拔4 500 m的高原条件下，空气滤清器压力降仿真结论与试验结果之间的对比关系，同时可以验证仿真的准确程度.

图11 空气滤清器在不同单管流速时出口处压力降仿真与实验对比

通过将仿真结果与试验结果进行对比分析可以看到：以滤清器进气流量为基准得出的空气滤清器压力降曲线，仿真结果与试验结果在趋势上是一致的，只是在数值上，试验结果比仿真结果高出5%～8%.通过分析，是因为模型简化了空气滤清器进气腔中的线缆等障碍物和加工过程中产生的腔体表面粗糙等因素，使得流场更趋于理想，阻力相对实测值要小一些.

通过对高原装甲车辆跑车过程的全程监控和滤芯保养时间的统计分析，得到了改进后的空气滤清器在高原地区的维护保养平均时间约为20 h，改进前空气滤清器的维护保养平均时间约为16 h，改进后的空气滤清器保养周期提高了25%.

5 结 论

从某系列轻型履带式装甲车辆空气滤清器高原地区实际使用问题出发，在理论分析研究的基础上，提出了提升空气滤清器高原性能的方向与3个改进措施，分别是取消了原空气滤清器的集气箱，滤芯形状由圆柱形改为圆台形，并在滤芯尾部加装了导流锥.通过改进措施的实施，空气滤清器的阻力和容尘能力性能得到了提升.其中，改进前后空气滤清器的阻力降低了约22%，改进后的空气滤清器保养周期提高了25%，表面滤清器的容尘能力也得到了提高.

加工了试验样机产品，赴高原试验场进行了场地试验，通过试验数据的采集与分析得到试验结果，证明了性能改进是有效的.主要表现在：改进措施有效地降低了空气滤清器高原地区使用过程中的系统阻力，保证了发动机功率的有效输出，解决了长期困扰高原地区装甲车辆使用中的难题.高原试验与仿真结果对比分析表明，试验结果与仿真结论的误差处于可接受的范围内，验证了仿真结论的正确性，同时也表明，仿真方法可以真实地模拟空气滤清器部件和系统在不同流场条件下的工作状态，得到可信度较高的性能曲线，初步达到代替野外试验的目的.

[1] 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，2015,36(8)： 1556-1561.

[2] Lucki T，Fissan H． The prediction of filtration perform-ance of high efficiency gas filter elements[J]． Chemical Engineering Science，1996，51(8):1199-1208.

[3] Fluent Inc. FLUENT 6.3 user's guide[M]． NH，Lebanon: Fluent Inc. 2006．

[4] Fabbro D L，Laborde J C，Merlin P，et al． Air flows and pressure drop modeling for different pleated industrial filters[J]． Filtration & Separation，2002，39( 1) : 34-40．