基于FLUENT的某商用車前進氣道灰塵分離效率的優化設計

唐蓮花，肖鵬程，姜榮賀，穆盈盈

(河北億利橡塑集團有限公司，河北邢臺 054800)

0 引言

商用車的行駛工況比較復雜，如果在多塵的環境下行駛，發動機則會吸入含有大量灰塵等雜質的空氣，會對其內部的零部件造成磨損，影響其使用壽命。因此，需要在發動機前端安裝一套進氣系統，主要分為進氣道和空氣濾清器兩部分，其功能是盡可能多地為發動機提供清潔、干燥的空氣。而進氣道的主要作用是在盡可能小的壓力損失狀態下保證空氣進入空氣濾清器之前就對空氣中的雨水和灰塵起到一個分離作用，這樣既可以增加分離雨水、灰塵的效率，也可以延長空氣濾清器濾芯的使用壽命。

除了傳統的實驗方法，CFD數值仿真分析已經成為產品研究設計的主要手段，它可部分替代實驗，可大大縮短研發周期、減少研發費用，可重復性強[1]。作者采用FLUENT中的DPM(Discrete Phase Model)模型對某商用車進氣道的流場特點和灰塵分離效率進行改善[2-3]。

1 進氣道原始結構

進氣道原始結構如圖1所示。

圖1 原始結構

試驗結果表明：原始結構的灰塵分離效率比較低，為66.3%，灰塵隨氣流從格柵進入后，除了進氣道底座處可以沉積一部分灰塵外，沒有別的灰塵分離結構，使得灰塵直接進入空氣濾清器，造成進氣系統整體灰塵分離效率低下。

2 新集塵結構設計

考慮到灰塵進入進氣道后垂直運動，不會有集塵效果，但如果增加灰塵顆粒的旋轉切向速度，再增加灰塵收集結構，從而增加灰塵分離效率。

作者基于這種理念，為達到表1所示的設計目標，設計開發了雙旋風筒式進氣道，并對底座進行一定的優化，通過CFD仿真計算得出結構內部的流場、灰塵分離效率。

表1 設計目標

2.1 數學模型

計算時將空氣作為連續相，灰塵顆粒作為離散相，采用標準的湍流模型建立連續相和兩相流中的DPM模型耦合的控制方程組進行計算。

2.1.1 連續相數學模型[4-5]

采用標準的k-ε湍流模型進行計算。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程為：

(3)

ε方程為：

(4)

方程(3)和(4)中：Pk表示由速度梯度而產生的湍流動能；Pb為由浮力產生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動。其余經驗系數見表2。

表2 經驗系數表

2.1.2 離散相顆粒的控制方程

FLUENT中通過積分拉式坐標系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。對每個單顆粒求解運動控制方程：

(5)

式中：vk為顆粒k的運動速度；mk為該顆粒的質量； (∑F)k表示顆粒所受的合力。

顆粒的軌跡方程：

(6)

顆粒的運動方程為：

(7)

其中：FD(u-up)為顆粒的單位質量曳力，并且：

(8)

在所有相間力中，曳力相對最重要。因為涉及離散相液滴崩裂的非穩態流動模型，所以選用動態曳力模型，以液滴形狀變化的動態形式確定曳力系數。

球形曳力系數表達式：

Cd,sphere=0.424(Re>1 000)

(9)

(10)

非球形曳力系數表達式：

Cd=Cd,sphere(1-2.632y)

(11)

其中：y為液滴的變形值，由下式決定：

(12)

2.2 結構設計及CFD仿真計算

2.2.1 模型

按照車廠的安裝空間要求，在進氣格柵后增加了導流筋，在進氣道中增加兩個旋風筒，并且在每個旋風筒中安裝一個旋風葉片，適當增加底座下沉體積。新結構如圖2所示。

圖2 新結構進氣道

2.2.2 網格生成

由于新結構不規則，故采用四面體網格，整體網格數量為290萬左右。

圖3 網格模型

2.2.3 邊界條件設置

流體相：連續相為空氣。

顆粒相：灰塵顆粒為ISO-A2細灰。

進口邊界條件如表3所示，其中不同直徑顆粒的體積百分比如圖4所示。

圖4 灰塵直徑分布圖

出口邊界條件：出口定義為壓力出口。

壁面邊界條件：連續相采用無滑移固體壁面邊界條件，計算時為標準壁面函數法；顆粒相在壁面處不滿足無滑移條件，設置與集塵臺壁面、底座底部壁面的碰撞類型為escape類型。

2.2.4 仿真結果及分析

(1)壓力分布

從圖5中可以看出：氣流經過旋風筒的壓降比較大，并且氣流在從格柵進入后由于慣性向腔體的右側運動，由于在腔體中間增加了導流筋，使得左右兩側的旋風筒內的壓力分布比較均勻。

(2)速度分布

從圖6—7中可以看出：由于導流筋阻礙了氣流流動的方向，因此附近出現渦流，由于旋風筒的結構，使得氣流沿進口到出口方向的速度降低，增加了氣流的切向速度，底座經過結構改善后沉下去的體積更大了，因此出現更大的低速區，氣體流量更少。

圖6 截面的速度分布云圖

圖7 截面的速度分布矢量圖

(3)粒子噴射軌跡

通過觀察灰塵顆粒的運動軌跡，可以判斷不同直徑顆粒的分離效果，再通過加權算法計算出灰塵總的分離效率。

灰塵分離效率η計算公式為：

式中：m1為被格柵反彈的灰塵質量；m2為收集在旋風筒底部的灰塵質量；m3為排塵口逸出的灰塵質量；m為灰塵總質量。

不同直徑灰塵分離效率如圖8所示。

從圖8—9可以看出：灰塵直徑越大，分離效率越大，直徑超過80 μm的灰塵，基本上100%被過濾掉了。灰塵顆粒隨氣流運動，灰塵顆粒在經過旋風葉片時甩到集塵臺里，并且分布到兩個旋風筒的顆粒數量也比較均勻，這樣總的灰塵分離效率有所提高。

從以上各項仿真結果及表4來看，雙旋風筒的結構有助于提高灰塵分離效率滿足設計目標，可以進行樣件制作。

圖8 不同直徑灰塵分離效率

圖9 不同直徑灰塵顆粒軌跡圖

壓力損失/kPa3.2總的灰塵分離效率/%85.8

3 新結構的灰塵分離效率的試驗

通過仿真驗證此結構符合設計目標，快速樣件制作完成后進行了相關性能的試驗驗證。灰塵分離效率試驗臺如圖10所示， 灰塵分離效率試驗現場圖片如圖11所示。

圖10 灰塵分離效率試驗臺

圖11 灰塵分離效率試驗

在1 900 m3/h的工況下對前進氣道進行了兩次試驗，取平均值。從表5可以看出：總的灰塵分離效率達到82.3%，大于設計目標80%，說明這種帶旋風筒式的新結構能明顯提高前進氣道的除塵效果。

表5 灰塵分離效率試驗結果

4 結論

(1)雙旋風筒式新結構的灰塵分離效率比原結構提高了將近23%，滿足了設計要求(≥80%)，并且流場穩定，沒有明顯的渦流區，臺架驗證試驗也證明了這種新結構的可行性。

(2)增加雙旋風筒的結構后壓力損失會有一定的增大，但是灰塵分離效率有很好的提高，可以在保證分離效率的情況下再適當對旋風筒進行改善，盡可能降低壓力損失。

(3)文中通過仿真與試驗相結合的方法對新結構進行設計，兩種結果的誤差控制在5%以內，證明運用這種DPM的仿真模型進行產品設計的方法是可行的，可大量節省研發設計時間與費用，對以后的研究具有較大的參考意義。

參考文獻:

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