空气滤清器的空气动力学仿真及优化

何志霞¹，蒋兆晨¹，王硕²，王谦¹，玄铁民¹

(1. 江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江，212013；

2. 北京中流汉泰科技有限公司，北京，100083)

摘要：采用多孔介质模型，针对某空气滤清器及其管道的空气动力学特性开展数值模拟，分析空气滤清器及其管道的流动阻力损失和空气滤清器滤芯流动均匀性，并进一步研究采用插入管结构、内置挡板结构后的流动特性。研究结果表明：采用进气插入管结构有效地降低流动阻力损失，降低滤芯流动均匀性，随着插入管长度的增加，流动均匀性呈现降低的趋势；采用挡板结构提高流动阻力损失，降低滤芯流动均匀性。进气插入管入口采用斜截面结构流动阻力略有增加，但可以有效地提高滤芯流动均匀性。

关键词：空气滤清器；多孔介质；数值模拟；结构优化

中图分类号：TK413.4            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)03-1179-06

Aerodynamic simulation and structural optimization of air filter

HE Zhi-xia¹, JIANG Zhao-chen¹, WANG Shuo², WANG Qian¹, XUAN Tie-min¹

(1. School of Energy Resources and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;

2. Beijing SinoFlow Hytech Inc. Ltd., Beijing 100083, China)

Abstract: Using a porous medium model, numerical simulations of the aerodynamics characteristics for the air filter and its inlet and outlet pipes were carried out to analyze the flow resistance losses in them and filter flow uniformity. Afterwards, the air flow characteristics were also studied when the inlet pipe was extended to inside of the filter and baffles were put inside the filter. The simulation results show that the flow loss and filter flow uniformity both decrease when the inlet pipe is extended to inside of the filter; the flow loss increases and filter flow uniformity drops when baffles structure is applied, and the flow loss increases a bit but filter flow uniformity is much better with a inclined inlet section of the inlet pipe.

Key words: air filter; porous medium; numerical simulation; structural optimization

空气滤清器是空气进气系统的重要组成部分，其性能直接影响内燃机工作的可靠性和使用寿命。它对滤除空气中的杂质和减少进气噪声起着十分重要的作用，但同时也是进气阻力的主要来源。因此，在保持使用效果的前提下如何尽可能降低流动阻力损失和提高空气滤清器的使用寿命，就成为当前的研究重    点^[1-4]。然而受空气滤清器内部结构和工作环境的限制，要完全真实了解其内部流场特性十分困难。依靠经验和试验手段来研制空气滤清器不仅成本高、周期长，且无法得到其内部全面的流场信息，数值模拟则提供了一种有效的研究方法^[5-7]。本文作者则采用多孔介质模型重点对空滤器流动阻力损失和滤芯流动均匀性开展了空气动力学仿真研究，分析了采用插入管结构和挡板结构对于流动阻力损失和滤芯均匀性的影响，

从而为空气滤清器的结构改型设计提供了理论依据。

1  几何模型和网格划分

空气滤清器的容积为8 L；长宽高之比为4:3:3；进气管和出气管直径均为55 mm；进气管和出气管总长均为400 mm，都存在2个90°弯角；滤芯的厚度为30 mm；进气管处建立边长为500 mm的立方体稳压腔。本文对空气滤清器的研究包括了其进气管和出气管部分。

图1所示为该空气滤清器的网格生成图。其中，稳压腔网格划分较为稀疏，而空气滤清器及管道的网格划分较密，滤芯处网格单独划分。采用了非结构网格，通过网格无关性验证，最终确定的网格数目为  505 998个。

图1  空气滤清器网格划分

Fig.1  Mesh of air filter

2  多孔介质模型

空气动力学仿真中，滤芯的模拟采用了多孔介质模型。在简单、均质的多孔介质上，动量方程中增加了一个代表动量消耗的源项，即

           (1)

式中：源项S_i中第1项是黏性损失项，也称为达西公式项，第2项为惯性损失项。为多孔介质渗透性系数；C₂为惯性阻力因子；μ为流体黏性系数；ρ为流体密度；v为流体通过多孔介质的流速。

空气滤清器滤芯的流阻特性是通过不同流速下滤芯两侧表面的压力降情况来反映。在实际进气系统中，气体通过空气滤清器滤芯时的气流速度相对较低，可看作是层流。多孔介质层流模型中，压力降与其速度成正比，常数C₂可认为是0。于是动量方程源项简化为达西定律：

                (2)

由于滤芯是一种折叠结构，在与折叠平行的方向上，流阻值很小，通常取滤芯表面法向参数的1/10；另外一个方向气流要穿过则需要穿透所有折叠起来的滤芯过滤层，所以流阻值将会较大，取滤芯表面法向参数的10倍。

对于有限厚度的多孔介质的压力变化，可由式(1)推到而来。源项为滤芯单位厚度的压力降，忽略惯性损失项，将滤芯的实际厚度移到等式右边得：

              (3)

式中：?p为压力降；?h为滤芯的实际厚度。通过实验测量出不同工况下的流量和压力降情况，据此拟合出滤芯表面法向上参数1.9×10^{8 [8-12]}。

3  空气动力学仿真

空气滤清器内气流运动遵循连续性方程、动量守恒方程，湍流模型则采用标准的k-ε两方程模型。其边界条件设定，进口采用压力边界，表压为0，出口采用速度边界，速度为27.5 m/s。方程的离散采用有限体积法，压力修正采用SIMPLEC算法，对流项的差分格式采用二阶迎风格式，以提高计算的精度^[13-14]。

3.1  流动阻力损失

判定空气滤清器流动阻力损失的主要指标是进口位置和出口位置之间的总压力损失。图2所示为空气滤清器内各流动截面处的总压力分布，反映出了整个流动过程中的能量损失情况。图3所示为各截面处的面积加权总压力，反映每个具体位置流动阻力情况。

从图2可以看到：整个空滤器及管道处，流动阻力最大的区域是进气管道与空滤器的交界面。由于管道较短，引起的沿程阻力损失较小，而由流通截面大小和方向的变化所产生的局部阻力损失较大。稳压腔出口、空滤器进口和弯管部分都有比较大的压力降。这几处位置在图中都有比较明显的压力梯度，是流动阻力较大的区域。其中8截面和9截面分别是滤芯的下表面和上表面。管道进口处和管道出口处的总压力差为：1 596.81 Pa，滤芯部分的压力降为178.87 Pa，整个空滤器的压力降为884.9 Pa。

图2  各流动截面的总压力分布

Fig.2  Total pressure distribution of different flow sections

3.2  滤芯流动均匀性

如果滤芯的某些位置在气体流动方向上的速度较大，长期使用中可能会出现这部分滤芯被击穿的情况。在空滤器设计时，总是希望通过滤芯上、下表面的气流速度尽可能均匀，以使滤芯得到充分的利用，延长滤芯和空滤器的使用寿命。

图3  各流动截面的面积加权平均总压力

Fig.3  Area-weighted average total pressure of  different flow areas

图4所示为滤芯上、下表面的速度云图和散点图。速度、散点图中横坐标表示滤芯水平截面X轴方向上不同位置，纵坐标表示不同位置处各个点上气流速度。从图4可知：X轴正方向，出气管一侧靠近空滤器壁面的位置处流速比较快。这一区域中的滤纸容易老化甚至被击穿，使用寿命较短。

图4  滤芯上、下表面速度云图和散点图

Fig.4  Contours of velocity and XY plot of upper and under surface of filter element

可采用畸变参数k进行空滤器滤芯流动均匀性的分析^[15]：

              (4)

其中：v_max和v_min分别表示通过滤芯速度的最大值和最小值，而v_av表示滤芯区域的质量加权平均值。k值越小则流动均匀性越好。

本计算中，流动方向速度的最大值v_max为5.098 m/s，最小值v_min为-1.604 m/s，质量加权平均值v_av为1.476 m/s，最终求得畸变参数k=4.54。

4  空气滤清器的结构优化

在前述基本结构空气滤清器内气流流动特性数值模拟基础上，对采用了进气插入管结构和挡板结构以及将插入管入口由圆截面改为斜截面后的空气滤清器内的流动阻力损失和滤芯的流动均匀性开展了进一步深入系统的分析，从而为滤清器的结构优化设计提供理论指导。

4.1  进气插入管结构

空气滤清器的进气插入管长度分别取40，60，70，80，90，100和120 mm形成了7种不同的方案，逐一开展了数值模拟。图5所示为不同方案下由数值模拟得到的出口总压力。从图5可以看出：插入管长度为80 mm到100 mm时，出口总压力较大，对于降低流动阻力效果较好。与原方案相比，采用较为合理的进气插入管结构可以降低流动损失约40~50 Pa。

图5  不同长度插入管的出口总压

Fig.5  Total pressure at outlet section with different lengths extended inlet pipes

除了流动阻力因素外，滤芯流动均匀性指标也十分重要。采用畸变参数指标对各种长度进气插入管结构滤芯流动均匀性分析如图6所示。从图6可以看出：随进气插入管长度增加，通过滤芯流动方向上的速度也随之增加，而在整个滤芯区域的质量加权平均速度基本保持不变，导致随着插入管结构的增加，滤芯的流动均匀性呈现降低的趋势。

图6  不同长度进气插入管的滤芯流动均匀性

Fig.6  Flow uniformity of filter element with different lengths extended inlet pipes

4.2  挡板结构

在空气滤清器内部，进口截面和滤芯下表面之间增加挡板结构。挡板的高度为50 mm，分别设置在距离空滤器进口截面55，70，85，100，115，130，145和160 mm的位置。逐一开展数值模拟，得到不同挡板位置出口总压力情况，如图7所示。

当挡板位置在距离进口截面85 mm处时的出口总压力最低，说明在该位置流动阻力最大。整体来看，与初始方案和插入管方案相比，在空滤器中加入挡板结构使得整个空滤器的流动阻力增加。由于加入挡板后，空气粒子流过滤芯的速度加快，使得滤芯上下表面的压差较初始方案有所增加。随着挡板与进口距离继续增加，流动阻力呈现降低的趋势。

滤芯上、下表面速度散点图则反映了各挡板位置下的滤芯流动均匀性，如图8所示。从图8可以看出：与图8(a)中采用插入管结构时滤芯下表面速度峰值集出现在出气管壁面一侧不同，图8(b)和图8(c)采用挡板结构的滤芯下表面速度峰值的位置都出现在挡板位置附近。滤芯上表面速度的峰值依然出现在出气管壁面一侧的位置。

图7  各挡板位置的出口总压力分布

Fig.7  Total pressure at outlet section with baffle structure located at different positions

4.3  进气插入管入口斜截面结构

当进气管入口由圆截面改为斜截面结构时，流动面积增加，会对流动阻力和滤芯流动均匀性产生影响，所以对于插入管长度为80 mm的方案，管口采用斜截面后进行分析。斜截面与X轴负方向呈45°。表1所示为初始方案(即进气管尚未伸入滤清器的结构)、插入管长80 mm时入口圆截面方案和插入管长80 mm入口斜截面方案的出口总压力，滤芯压力差以及畸变参数的比较。入口斜截面方案的流动损失要高于圆截面时的插入管结构方案，但小于初始方案。而从滤芯流动均匀性来看，采用插入管结构后无论是否在管口进行斜截面处理，均匀性都有所下降，而采用斜截面时效果相对稍好。插入管方案使得滤芯处的流速增加，在滤芯中的压力降也有所升高。

图8  滤芯上表面和下表面的速度散点图

Fig.8  Velocity at upper and under surface of filter element

表1  不同方案的比较

Table 1  Comparison of different schemes

值得注意的是，采用插入管和挡板的主要目的是降低空滤器的进气噪声，提高NVH(噪声、振动和舒适度)性能。这与减小进气阻力和滤芯流动的均匀性是矛盾的，因此，在空滤器设计时要权衡好三者之间的关系。

5  结论

(1) 空气滤清器中采用进气插入管结构降低了流动阻力损失，降低了滤芯流动均匀性。进气插入管长度在80 mm到100 mm之间时，对降低流动阻力效果较好。随进气插入管长度的增加，通过滤芯流动方向上的速度也随之增加，滤芯的流动均匀性呈现降低的趋势。

(2) 空气滤清器中采用挡板结构提高了流动阻力损失，降低了滤芯流动均匀性。当挡板位置在距离进口截面85 mm附近时，流动阻力损失最大。随着挡板与进口截面距离的增加，滤芯中流动方向上的最大速度呈现降低的趋势，滤芯的流动均匀性有所提高。所以，实际设计中采用挡板结构更主要的是去降低进气噪声。

(3) 进气插入管采用斜截面结构虽然在流动阻力上略有增加，但是可以有效地提高滤芯流动均匀性。

参考文献：

[1] 庞剑, 谌刚, 何华. 汽车噪声与振动: 理论与应用[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2006: 17-448.
PANG Jian, ZHAN Gang, HE Hua. Noise and vibration of vehicle: Theory and application[M]. Beijing: Beijing Polytechnic University Press, 2006: 17-448.

[2] 周龙保. 内燃机学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005: 48-76.
ZHOU Long-bao. Combustion engine[M]. Beijing: China Machine Press, 2005: 48-56.

[3] 朱廉洁, 季振林. 汽车空气滤清器声学性能数值计算及分析[J]. 噪声与振动控制, 2007, 27(2): 55-58.
ZHU Lian-jie, JI Zhen-lin. Numerical calculation and analysis of acoustic characteristics of automotive air cleaner[J]. Noise and Vibration Control, 2007, 27(2): 55-58.

[4] 韩青, 孙艺霞. 车用空滤器的流场数值模拟和结构改进设计[J]. 内燃机与动力装置, 2007(5): 12-15.
HAN Qing, SUN Yi-xia. Numerical simulation of flows and structure optimization of automotive air filter[J]. Internal Combustion Engine, 2007(5): 12-15.

[5] CHU Li-ming, CHANG Min-sing, CHEN Jian-lin. Simulation and experimental measurement of flow field within an air cleaner of all-terrain vehicle[J]. Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers: Series C, 2009, 30(2): 143-150.

[6] Harrison M F. A hybrid boundary for prediction of intake wave dynamics in IC engines[J]. Journal of Sound and Vibration, 2004, 270: 111-136.

[7] Huurdeman B, Banzhaf H. CFD simulation of flows in air cleaners with transient dust loading of filter element[C]//SEA 2006 World Congress. 2006: 429-438.

[8] 贾维新. 发动机结构噪声和进气噪声的数值仿真及优化设计研究[D]. 杭州: 浙江大学机械与能源工程学院, 2008: 153-158.
JIANG Wei-xin. Research on numerical simulation of structural noise and intake noise and optimization design[D]. Hangzhou: Zhejiang University. School of Machinery and Energy Engineering, 2008: 153-158.

[9] HAO Zhi-yong, JIA Wei-xin, FANG Fang. Virtual design and performance prediction of a silencing air cleaner used in an I.C. engine Intake system[J]. Journal of Zhejiang University Science, 2005, 6A(10): 1107-1114.

[10] ZHOU Bin, ZHANG Xiao-song, DU Kai. Experimental verification of pressure drop for a new fibrous filter media model[C]//International Symposium on Heating Ventilating and Air Condition, 2009: 1482-1489.

[11] HUANG Sheng-hsiu, KUO Yu-mei, CHANG Kuang-nan. Experimental study on the effect of fiber orientation on filter quality[J]. Aerosol Science and Technology, 2010, 44(11): 964-971.

[12] 王福军. 计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004: 7-16.

WANG Fu-jun. Computational fluid dynamics- theory and application of CFD program[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 7-16.

[13] 罗惕乾. 流体力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007: 56-70.
LUO Xi-qian. Fluid mechanics[M]. Beijing: China Machine Press, 2007: 56-70.

[14] Krishnamoorthy C, Yao S, Ravi K C. Computational investigation of backward-facing step flow preceding a porous medium[J]. International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2010: 195-205.

[15] Yao S, Krishnamoorthy C, Chambers F W. Experiments on backward-facing step flows preceding a filter[C]//Proceedings of Joint ASME/JSME Fluids Engineering Summer Conference. FEDSM, 2007: 1179-1189.

(编辑 陈爱华)

收稿日期：2011-04-28；修回日期：2011-06-16

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50806030)；中国博士后科学基金资助项目(20090451170)

通信作者：何志霞(1976-)，女，甘肃平凉人，博士，副教授，从事内燃机工作过程的数值模拟研究；电话：13776476205；E-mail: zxhe@ujs.edu.cn