1、第 4 期2023 年 8 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.4Aug.2023可靠优化车用柴油机空气滤清器的流场分析及结构优化张佳佳1,2,郭展宏1,2,张浩清1,2,王旭峰1,2(1.塔里木大学机械电气化工程学院,新疆维吾尔自治区 阿拉尔市,843300;2.新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室,新疆维吾尔自治区 阿拉尔市,843300)摘要:针对南疆风沙环境下采棉车辆所装配的双级空气滤清器堵塞问题展开分析。采用流体力学软件 FLUEN 建立空气滤清器流场分析模型,利用 k-epsilon 湍流模型进行数值仿真,重点研究空气滤清器内部结
2、构对空气流动的影响。同时,以降低空气滤清器内部的流动阻力为目的,进行结构参数改进及仿真对比验证。结果表明:改进空气滤清器进排气口的尺寸、位置、处理空气滤清器内腔圆角能够改善空气滤清器内部流场,减少腔内涡流现象和进排气口的压力差,从而使整体的气体流动更加顺畅,该研究为优化采棉机用空气滤清器的工作性能提供了理论依据。关键词:空气滤清器;k-epsilon 湍流模型;流场分析;结构改进中图分类号:TK421 文章编号:1000-6494(2023)04-0026-07收稿日期:2023 年 6 月 13 日基金项目:塔里木大学校长基金青年项目(TDZKSS202120)作者简介:张佳佳(1994),
3、女,硕士,主要研究方向为南疆特色农业机械装备研发,E-mail:ZhangjiajiaTaru 。通讯作者:王旭峰(1974),男,教授,主要研究方向为南疆特色农业机械装备研发。Flow Field Analysis and Structure Optimization of Diesel Engine Air Filters for VehiclesZHANG Jiajia1,2,GUO Zhanhong1,2,ZHANG Haoqing1,2,Wang Xufeng1,2(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Tarim Un
4、iversity,Alar 843300,China;2.Modern Agricultural Engineering Key Laboratory at Universities of Education Department of Xinjiang Uygur Autonomous Region,Alar 843300,China)Abstract:The analysis is carried out for the clogging problem of the dual-stage air filters fitted to cotton picking vehicles in t
5、he windy and sandy environment of South Xinjiang.The fluid dynamics software FLUEN is used to establish the flow field analysis model of the air filter,and the k-epsilon turbulence model is used for numerical simulation,focusing on the influence of the internal structure of the air filter on the air
6、 flow.At the same time,to reduce the flow resistance inside the air filter for the purpose of structural parameter im-provement and simulation comparison verification.The results show that improving the size and location of the air filter inlet and ex-haust ports and dealing with the rounded corners
7、 of the air filter internal cavity can improve the internal flow field of the air filter,so that the vortex phenomenon in the cavity is reduced,the pressure difference between the inlet and exhaust ports is reduced,and the o-verall gas flow is smoother,and the related work provides a theoretical bas
8、is for the optimization of the working performance of the air filter for cotton pickers.Key words:air filter;k-epsilon turbulence model;flow field analysis;structural improvementsDOI:10.20082/ki.nrj.2023.04.005第 4 期张佳佳,等:车用柴油机空气滤清器的流场分析及结构优化27 0 前言在新疆维吾尔自治区的南部(南疆)地区,沙尘天气频繁,特别是在秋收季节,采棉机高负荷运行时,沙尘颗粒容易淤
9、积在空气滤清器表面,增大进气阻力,导致空气滤清器堵塞,严重时可能引起缸套和活塞的早期磨损,影响发动机的正常工作,从而耽误棉花的机械化采收进程。发动机作为采棉机的动力源,其工作性能对采棉机采收棉花的效果影响很大。而空气滤清器的作用是为发动机提供净化后的新鲜空气。因此,对采棉机用发动机空气滤清器内部流场特性进行分析和结构参数优化显得十分重要。目前,利用实验方法还原空气滤清器的内部流场还不够成熟,而计算流体力学(CFD)技术则能够快速模拟实际工况,从而为采棉机用柴油机空气滤清器的结构优化和改进提供理论依据。特别是对南疆棉花采收机械装备关键技术的研发提供了重要的理论支持。研究发现发动机的动力输出与空气
10、滤清器的工作性能密切相关,设计合理的空气滤清器能够有效提高发动机的工作的可靠性,从而提升整车的使用功能1-2。现有文献中,国内外的研发人员通常使用固体试验法和数值模拟法研究过滤器流场。国外研究人员已经采取了多种措施来优化这种不均匀性。Gurumoorthy 3等人使用计算方法预测了空气过滤器内气流速度的不均匀性,并进行了实验验证。Sabins 4等人证明了空气过滤器内存在速度不均匀现象,且不均匀气流速度与均匀气流速度之间的过滤效率存在显著差异。1 采棉机空气滤清系统在秋收季节,采棉机在南疆地区面对复杂多变的外部环境,尤其是多灰尘的情况下,采用高效空气滤清器能够有效过滤大田中的灰尘、棉屑等杂质,
11、确保发动机稳定运行。为了进行分析,我们采用建模软件对采棉机用干式双级空气滤清器进行合理简化后创建了结构模型。为保证数据准确性,已将内腔细节保留,空气滤清器的结构如图 1 所示。1.进气歧管;2.泄压阀;3.空气滤清器外壳;4.空气滤清器进气口;5.铁丝网;6.底座;7.排尘管端盖;8.排尘管;9.滤清器端盖;10.导流装置;11.一级滤芯;12.二级滤芯图 1 采棉机空气滤清器结构示意图在本次分析中,所用空气滤清器进气口直径为 60 mm,排气孔的直径为 58 mm。考虑到滤芯对进入空气滤清器的空气产生阻力的影响相对稳定且分析数据相对单一,在对比改进外壳细节优化时,认为滤芯对流场的影响几乎相同
12、。因此,此次仿真分析不考虑滤芯在空气滤清器中的影响,仅考虑外壳的体结构对其的影响。2 仿真模拟数学模型对于空气滤清器内部的流场分析,需要建立流体的数学模型,其中气体在空气滤清器内部的流动遵循流体力学中的质量守恒定律、动量方程等。由于空气在空气滤清器内部的流动过程中几乎不发生热量交换,因此在此分析中不考虑温度的影响,即不考虑能量守恒定律的影响5-6。2.1 连续性方程根据以上空气滤清器的数学模型假设分析,可以得出笛卡尔坐标系条件下的三坐标下的公式为:-udydz+u+u xdx()dydz=u xdxdydz-vdxdy+v+v ydy()dxdz=v ydxdydz(1)28 内燃机2023
13、年 8 月-wdxdy+w+w xdz()dxdy=w xdxdydz连续性方程为:u x+v y+w z=0(2)2.2 动量方程动量方程是描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程,根据牛顿第二定律和流体微元法表示作用力为:ma=mDuDt=DuDtdxdydz(3)将体积力、面积力等表达式带入到牛顿第二定律表达式中化简可得:DuDt=-x+xx x+yx y+zx z+fx(4)同理可得其他两个方向的方程表达式:DvDt=-y+xy x+yy y+zy z+fyDwDt=-z+xz x+yz y+xz z+fz(5)2.3 湍流模型在本仿真分析中选用基于二方程模型的 k-ep-silon 湍
14、流模型,该模型假设流动为完全湍流,分子粘性的影响可以忽略 7-9。在标准 k-epsilon 模型中,K 和 为基本的未知量,输运方程则表示为:K()t+ujK()xj()=xj+tPrK()K xj+PK+Gb-YM+SK t+uj()xj=xj+tPr()xj+C1KPK+C3Cb()-C22K+S(6)式中:PK为由于平均速度梯度引发的湍流动能 K 的产生项;Gb是由于浮力引起的湍流动能 K的产生项,对于不可压缩流体,Gb=0。综上所述,确定采棉机用发动机空气滤清器的 CFD 仿真分析流程如图 2 所示。图 2 采棉机用发动机空气滤清器仿真模拟流程3基于 FLUENT 的原始空气滤清器仿
15、真分析采用流体力学软件 ANSYS FLUENT 进行空气滤清器的仿真分析,其仿真前处理需要对几何模型添加局部尺寸、创建流体区域、添加边界层,而后根据需要的小单元模型,进行网格划分,并且对拐角和一些细节部位需要细化网格 10-11。3.1 网格划分前处理网格划分的最小尺寸为 0.395mm,最大尺寸为 6.579mm,其增长率为 1.2。在计算单元时利用尺寸函数 Curvature&Proximity,不忽略临近度,采取曲率法向角 18,单元总数共计 6 822 412 个。网格划分完成后,空气滤清器的网格模型图如图 3所示。图 3 空气滤清器网格模型图第 4 期张佳佳,等:车用柴油机空气滤清
16、器的流场分析及结构优化29 3.2 后处理条件设定空气滤清器中的气体流动是相对复杂的。在此选用湍流模型 k-epsilon 模型中的 Realizable12,模型常数中选择 C2-Epsilon 为 1.9,TKE Prandtl数为 1,TDR Prandtl 数为 1.2,并选择可扩展壁面函数(SWF)。考虑到空气中的成分复杂,不同环境下的含尘量也不同,空气的密度为 1.225kg/m3,流动时的粘度为 1.789410-05 kg/(ms)。边界条件设定时,以空气滤清器进气口的动量为速度入口,速度定义法为 Magnitude,Normal to Boundary,并且设置速度大小为 30m/s,湍流强度为 1%,湍流粘度比为 10。同时,设定空气滤清器排气口的动量为压力出口,回流参考系为 Abso-lute,其表压为0Pa,压力 Profile 放大为1,回流方向设置为 Normal to Boundary,回流压力设置为 To-tal Pressure。在设置求解方法时,采取 Coupled 压力速度耦合方案。通量类型选择为 Rhie-Chow:distance based,