基于計算流體力學的旋轉自潔式空氣預濾器數值模擬研究

譚業發,董貴楊,譚浩廣,譚華,王小龍

(1.解放軍理工大學野戰工程學院,江蘇南京 210007;2.內蒙古科技大學研究生院,內蒙古包頭 014010）

基于計算流體力學的旋轉自潔式空氣預濾器數值模擬研究

譚業發1,董貴楊1,譚浩廣2,譚華1,王小龍1

(1.解放軍理工大學野戰工程學院,江蘇南京 210007;2.內蒙古科技大學研究生院,內蒙古包頭 014010）

為了實現空氣預濾器瞬態內流場的數值模擬,為新型高效空氣預濾器的設計和性能優化提供一種有效的計算方法。運用FARO-LDI三維激光掃描測量系統對旋轉自潔式空氣預濾器進行逆向建模,建立了其全流道三維幾何模型;利用ANSYS ICEM CFD對內流道模型進行混合網格劃分;采用Fluent中用戶自定義函數和多流動區域耦合算法中的滑移網格模型實現了旋轉器葉輪的被動旋轉。湍流模型選為RNG k-ε模型,壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法,壓力離散格式采用PRESTO格式,動量方程的擴散項和壓力項采用中心差分格式,對流項采用一階迎風格式。研究結果表明,運用該方法能夠準確計算空氣預濾器內部流場和模擬旋轉器葉輪的被動旋轉狀態。

流體力學;空氣預濾器;逆向工程;計算流體力學;用戶自定義函數;數值模擬

0 引言

空氣預濾器作為車輛發動機進氣濾清系統的重要組件,能將氣流中大部分灰塵在進入發動機主空氣濾芯之前過濾掉,從而延長濾芯保養周期及發動機使用壽命,尤其是對提高機械車輛在沙塵環境下工作效率和延長其服役壽命具有重要意義。美軍針對海灣戰爭中軍用裝備遭遇的沙漠環境適應性差的問題,研究了一種沙漠預濾器專門用于M1坦克,此裝置可使發動機空氣濾芯即使在遭遇沙塵暴惡劣環境時也能行駛數百千米而不被堵塞,極大提高了美軍坦克的作戰效率[1-3]。旋轉自潔式空氣預濾器具有初濾效率高、進氣阻力小、自動排塵及無需維護的特點,其在保護發動機方面表現出優越性能。

空氣預濾器內部流動情況直接決定了其進氣阻力和過濾效率,所以研究其內部流場對開發高效能空氣預濾器至關重要。采用計算流體力學(CFD)進行流體機械的數值模擬研究,描述復雜幾何內部的三維流動現象,能夠定量計算出幾何內部壓力、速度分布情況,從而發現影響空氣預濾器性能的關鍵因素。

逆向工程測量技術為非標零件的三維形貌數據采集,二維幾何尺寸數據采集以及公差和質量的檢測提供了快速、高效的手段。本文利用FARO-LDI三維激光掃描系統對旋轉自潔式空氣預濾器進行逆向建模,結合三維流動理論和CFD的發展,利用Fluent軟件自帶的用戶自定義函數(UDF)實現空氣預濾器旋轉器的被動旋轉,力求在空氣預濾器瞬態流場計算方法上有所突破。

1 幾何模型

旋轉自潔式空氣預濾器主要由導向葉片、旋轉器及外殼三部分構成。由于其內部流道較為復雜,且流場具有三維特征,所以必須使用三維流動控制方程才能保證其內部流場模擬的準確性。運用FARO-LDI三維激光掃描系統測量得到空氣預濾器各部件表面的點云數據,并利用該數據在正向CAD建模軟件UG中建立空氣預濾器各部件及裝配體的幾何模型(見圖1)。為減弱氣體回流,提高計算精度和收斂性,需加長出氣口段,使其長度為直徑的2倍。

2 數值模擬方法

2.1 控制方程

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

數值模擬的實質是求解流動控制方程,通過求解離散化方程(連續性方程、動量方程及能量方程)得到三維流動的解。文中采用流體計算軟件Fluent求解三維不可壓縮時均化Navier-Stokes方程。為簡化計算,空氣預濾器數值模擬時未考慮溫度變化,因此只需考慮質量守恒和動量守恒。

對于不可壓縮粘性流動的連續性方程為

式中:為哈密頓微分算子;v為速度矢量。

動量方程的本質是滿足牛頓第二定律,據此可導出粘性不可壓縮流動的動量方程為

式中:T為粘性應力張量;ρ為工作介質密度;p為粘性流體平均意義上的壓力;F為流體的質量力

(1)式和(2)式合稱為Navier-Stokes方程組,目前計算機計算能力難以對此瞬態流動控制方程進行精確求解,而時均化Navier-Stokes雷諾方程將瞬態的脈動量通過某種模型在時均化方程中體現出來。雷諾方程避免了計算量過大的問題,是目前工程數值模擬最常用的方法[4]。

2.2 湍流模型

為了更加準確地計算空氣預濾器內流場,還需要選擇合適的湍流模型。標準k-ε模型是工程上應用最廣泛的模型,但不適用于具有較大壓力梯度、強分離流、強旋流和大曲率流動。針對空氣預濾器內部的旋轉流場,采用了重組化群k-ε模型(RNG k-ε模型),它是在標準k-ε湍流模型基礎上發展而來,通過大尺度運動和修正后的粘度項體現小尺度的影響,能夠準確地考慮各項異性,如旋轉效應、浮力效應、曲率效應和近壁面效應等[5]。

2.3 計算區域的離散

計算區域的離散即對計算區域進行網格劃分,建立相應的控制體積和節點,并將連續的計算區域劃分成有限個離散、無重疊的控制體積,在每個控制體積內應用控制方程的守恒型式,從而得到代數方程?？諝忸A濾器瞬態流動計算采用全流道模型,利用多流動區域耦合方法[6],將整個計算區域分為進氣導向區域、旋轉器區域、排塵區域及出氣口區域四部分(見圖2),各區域之間的采用interface端面耦合傳遞流場數據。

圖2 計算模型Fig.2 Computational model

計算區域的網格利用ANSYS ICEM CFD前處理軟件生成。進氣導向區域采用周期性方法劃分結構化網格,在導向葉片近壁面附近采用O型網格剖分,能夠獲得高質量的近壁面網格;排塵口區域是相對規則的結構,亦采用結構化網格策略;旋轉器區域結構較為復雜,采用八叉樹方法生成非結構化網格;出氣口區域采用結構化網格。將整個空氣預濾器內流道模型分成四個區域分別劃分網格,采用結構化與非結構化的分塊混合網格技術能夠在保證網格質量的同時,大大縮小網格規模[7]。

各區域生成計算網格如圖3所示,網格裝配后整體計算區域生成283萬網格。

圖3 計算網格模型Fig.3 Grid model

2.4 計算方法及邊界條件

Fluent采用有限體積法(FVM)離散控制微分方程。FVM是將所計算的區域劃分成一系列控制體積,每個控制體積都有一個節點作代表,通過將控制方程對控制體積作積分導出離散方程。圖4為空氣預濾器CFD瞬態流場計算流程圖。

計算中采用分離式求解器,即分別求解Novier-Stokes方程組中連續性方程和動量方程。因旋轉自潔式空氣預濾器全流道計算模型較為復雜,綜合考慮計算的穩定性、準確性和經濟性,壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法,壓力離散格式采用PRESTO

圖4 CFD計算流程圖Fig.4 Flowchart of CFD calculation

格式(適用于高旋流),動量方程的擴散項和壓力項采用中心差分格式,對流項采用一階迎風格式,也可將低階算法和離散格式的計算結果作為高階格式的初始條件,以提高收斂速度和計算精度。

非定常計算的邊界條件具體設置為:進氣口采用壓力進口條件,出氣口采用速度出口,其大小可根據發動機進氣量和預濾器出氣口橫截面積計算得出,各區域交界面設置為interface網格分界面,其他邊界都設為壁面條件。

2.5 滑移網格模型及用戶自定義函數

當計算區域中同時存在運動區域和靜止區域時,Fluent可以采用動參考系(MRF)模型、混合平面(MF)模型和滑移網格模型,其中只有滑移網格模型可以用于瞬態計算?；凭W格模型允許相鄰網格之間相對滑動,因此不需要在分界面上排列網格面。采用動網格技術也可以對運動區域進行瞬態模擬計算,但缺點是網格更新后難以保持較高的網格質量,且需要耗費更多的計算機硬件資源。ANSYS Fluent 13.0之后的版本提供了嵌入式滑移網格模型,從而可以替代動網格,在某種程度上保證了網格質量,也不會喪失太多的精度。

旋轉自潔式空氣預濾器內部旋轉器依靠發動機進氣負壓驅動,其旋轉速度由內流場決定。因此需要利用Fluent的用戶自定義函數UDF編譯實現旋轉器的被動旋轉,利用DEFINE_CG_MOTION宏來指定旋轉器區域的運動,該宏能夠指定每一時間步的速度和角速度,Fluent利用這些速度更新動態區域的節點位置。其基本思想是:根據旋轉器當前的位置和角速度ω1計算出流場,利用UDF中的宏函數Compute_Force_And_Moment計算得到當前旋轉器的力矩Tz,再根據(3)式計算旋轉器此刻的角加速度ω·1,假設旋轉器在接下來的微小Δt時間內的角加速度不變,這樣便可根據(4)式計算出下一時刻旋轉器的位置。反復進行以上過程,便可以得到旋轉器的運動軌跡。

式中:Jz為旋轉器相對于直角坐標系z軸的轉動慣量,給定材料后,其數值可由UG三維建模軟件的高級質量屬性直接讀出。

運用C語言編寫UDF時,還應考慮滾動軸承摩擦力矩對旋轉器轉速的影響。軸承摩擦力矩受眾多因素的影響,如結構、設計、加工、摩擦、潤滑、使用條件等,其中載荷和轉速對滾動軸承的摩擦力矩影響最大[8]。綜合考慮編程與模擬計算的簡便性,在對計算結果影響不大的前提下,忽略轉速變化對滾動軸承摩擦力矩的影響,將摩擦力矩取為定值。

3 計算結果與分析

計算中設定空氣預濾器流量為14 m3/min,折合為出口速度為30 m/s,進口壓力設置為相對壓力0 Pa.首先設定轉子為靜止壁面,進行定常計算,待計算收斂后再進行非定常計算。時間步長Δt= 0.002 s,經過500個時間步,流動時間t=500×Δt= 1 s時,空氣預濾器旋轉器轉速趨于穩定(見圖5).

3.1 摩擦阻力對旋轉器轉速的影響

分別計算了滾動軸承摩擦阻力矩T為0 N·m、0.10 N·m、0.15 N·m和0.20 N·m時空氣預濾器的內流場。旋轉器在不同摩擦阻力矩下轉動速度變化情況如圖5所示,轉速隨著摩擦阻力矩的增加而降低,符合實際情況。因此通過試驗與模擬相結合的方法,確定摩擦阻力矩,將試驗實測的摩擦阻力矩用于空氣預濾器數值模擬,以提高數值模擬的精確性[9]。

圖5 計算過程中旋轉器轉速變化曲線Fig.5 Rotor speed curves in the calculation process

3.2 壓力速度云圖

選取摩擦阻力矩T為0.15 N·m的計算結果進行分析。圖6所示為空氣預濾器整體橫、縱向截面及旋轉器表面相對總壓力(即靜壓+動壓)隨計算時間的變化情況。定常計算結果作為非定常計算的初始條件,非定常計算開始階段,旋轉器所受轉矩較大,因此旋轉角加速度較大,旋轉器加速旋轉,通過網格交互面進行能量傳遞,1.0 s時計算結果區域穩定。整個計算是循環計算過程,也是計算值不斷修正、接近真實值的過程。

圖7和圖8分別為預濾器內部速度矢量圖和等值線圖,是反映流場內部速度變化、旋渦及回流的有效手段。在出氣口附近產生了漩渦,造成了動壓損失,而此處的漩渦對提高空氣預濾器過濾效率無益,因此需要改進出氣口以減小此處的動壓損失。導向葉片下游喇叭口內側出現漩渦,是由于氣流在此處發生較大轉向,由此造成的動壓損失直接影響空氣預濾器過濾效率,因此需要對喇叭口結構進行合理優化。

3.3 數值模擬誤差分析

CFD數值計算不可能完全模擬實際工況,因此計算結果存在一定誤差。分析研究CFD數值模擬產生誤差的原因有利于提高計算精度。文中空氣預濾器數值計算結果存在誤差的原因如下:

1)為了保證網格質量,對空氣預濾器模型進行了適當的簡化。

2)數值計算中假定氣流無泄漏,全部從出氣口流出,未考慮排塵口的空氣泄漏量;且對旋轉器滾動軸承的摩擦力矩進行了簡化處理。

3)RNG k-ε湍流模型還不能考慮到所有非定常因素對湍流結構影響,這也是計算時均化方程的固有缺陷,應逐步研究采用大渦模擬法及直接模擬法。

圖6 全壓云圖Fig.6 Total pressure nephogram

4)計算時將空間連續場進行有限離散,受計算機計算能力的限制,在復雜計算域劃分的非結構網格數量有限,且網格間尺寸差異造成數據在網格單元間傳遞時存在數值損失。

4 結論

1)逆向工程三維建模技術可以為CFD提供良好的前處理幾何模型。

圖7 速度矢量圖(t=1.0 s)Fig.7 Velocity vector diagram(t=1.0 s)

圖8 速度等值線(t=1.0 s)Fig.8 Contoured velocity(t=1.0 s)

2)提出了采用滑移網格技術數值計算瞬態、時均化的旋轉自潔式空氣預濾器三維湍流流動控制方程的計算方法,并利用UDF控制旋轉器轉動,實現了旋轉器轉速由空氣預濾器內流場實時控制的被動旋轉數值模擬。

3)提出的空氣預濾器三維湍流瞬態計算方法在空氣預濾器瞬態流場計算方面有所突破。

4)運用該方法能夠較為真實地計算空氣預濾器內部流場分布情況,較為明顯地發現影響空氣預濾器性能的結構因素,從而為性能優化提供指導。

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Numerical Simulation of Rotary Self-cleaning Air Pre-filter Based on CFD

TAN Ye-fa1,DONG Gui-yang1,TAN Hao-guang2,TAN Hua1,WANG Xiao-long1
(1.College of Field Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,Jiangsu,China;
2.Graduate School of Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,Inner Mongolia,China)

An effective computational method is provided for the design and performance optimization of new efficient air pre-filter.The method can be used for the numerical simulation of transient turbulent flow in air pre-filter.A 3D geometric model of rotary self-cleaning air pre-filter flow channel is established by FARO-LDI 3D laser scanning measurement system which is used for reverse modeling.The hybrid grid of flow channel is generated by ANSYS ICEM CFD.The passive rotation of the rotating impeller is achieved by the user-defined function and the sliding mesh model of the multi-flow region coupling algorithm in Fluent.The RNG k-ε turbulence model and PRESTO pressure discrete format are used in the simulation,SIMPLE algorithm with first order upwind format is used for pressure-velocity coupling,and the central difference scheme is also used in the diffusion and pressure terms of the momentum equation. The results show that this method can be used accurately to calculate the flow field of air pre-filter and simulate the passive rotation state of rotating impeller.

fluid mechanics;air pre-filter;reverse engineering;computational fluid dynamics;user-defined function;numerical simulation

TK413.4+6

:A

1000-1093(2014)03-0409-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.018

2013-01-30

譚業發(1963—),男,教授,博士生導師。E-mail:tanyefa7651@163.com;董貴楊(1986—),男,碩士研究生。E-mail:dongguiyang6861688@163.com