狹長梯形濾芯反吹清灰噴嘴優選研究

曹海宇，李明華，徐洪斌，陳克新

(中國北方車輛研究所， 北京 100072)

1 引言

狹長梯形濾芯具有更高的容塵量體積比，在緊湊車輛動力系統中具有較高的應用價值，但其狹長結構為脈沖清灰機構設計帶來難度。常規的圓形濾筒由于其更大的氣流擴散空間，濾筒軸向天然的均勻性清灰特性，其噴吹機構的設計更為容易，國內外學者對圓形濾筒噴吹機構進行了大量的試驗研究、仿真研究以及性能優化，其主要有拉瓦爾噴嘴類[1]、錐形散射器類[2]、多孔材料散射類[3]以及文氏引流管[4]等類型，其設計理念均為將高壓超音速氣流迅速散射成錐形結構并在濾筒內部施加清灰力[5]。一種典型結構的圓筒濾芯用脈沖反吹清灰噴嘴結構如圖1所示。

圖1 典型結構的圓筒濾芯用脈沖反吹清灰噴嘴 結構示意圖

對于狹長梯形濾芯，圓筒濾芯成熟的噴嘴結構完全不能通用。狹長梯形濾芯氣流擴散空間小，噴吹機構設計難度大，噴吹效果難以實現與圓筒濾芯等同的水平，特別是在本研究的高緊湊空間下，更難以實現較好的噴吹效果，故開發適合于狹長梯形濾芯的清灰噴嘴有較高的實用價值。

結合濾芯狹長結構特點，本文選擇了長錐雙側開孔噴嘴(a)、直管+導流板噴嘴(b)以及爆炸頭(c)3種噴嘴，圖2所示為3種噴嘴結構。其中直管+導流板噴嘴的導流板可分為橫置與豎置2種典型結構，共組成長錐雙側開孔噴嘴、直管+橫置導流板噴嘴、直管+豎置導流板噴嘴、爆炸頭噴嘴4種典型結構的噴嘴，本文對4種噴嘴進行清灰試驗并選擇了前3種噴嘴進行流場特性分析。

其中，直管+橫置導流板噴嘴、直管+豎置導流板噴嘴具有完全相同的結構尺寸，其噴吹距離受到空氣濾殼體的限制，統一確定為導流板末端距離濾芯0 mm，導流板錐角設計為40°；長錐開孔噴嘴結構參考了工業袋式除塵器的設計[6]，采用孔徑越來越小，管徑越來越小的設計，沿錐管取左右各兩排管，孔徑設計為10～8 mm，孔數9個；爆炸頭噴嘴為新型噴嘴，其頭部為類球形，其上具有若干小孔用于散射氣流，設計孔徑為8 mm，孔數為20個。

本研究所使用濾芯為豎折布置，其對于清灰力分布的需求是沿濾芯長度方向的清灰力盡可能平均，濾芯高度方向的清灰力分布允許分布不均；濾芯出口附近的過濾氣流流速高，積灰多，需要比遠離出口方向更大的清灰力。

2 研究方法

本文主要通過濾芯離線噴吹試驗研究，結合CFD流場分析，獲得四種典型結構的反吹清灰噴嘴的清灰特性，比較并優選出一種反吹清灰噴嘴，并將其安裝于原空氣濾清器進行壽命試驗。

如圖3所示為反吹空氣濾清器試驗臺，在常規空氣濾清器試驗臺的基礎上，增加了脈沖信號控制裝置，用于對脈沖閥門開閉進行實時控制。本研究通過反吹空氣濾清器試驗臺制備帶灰濾芯進行反吹效果試驗并將加裝優選噴嘴的空氣濾清器樣機進行壽命試驗。

1-粉塵噴射器；2-進口測壓管；3-空壓機；4-氣動三聯件；5-儲氣罐；6-脈沖閥；7-被試反吹空氣濾清器總成；8-脈沖控制儀；9-出口測壓管；10-絕對濾清器；11-空氣流量計；12-空氣流量控制裝置；13-抽氣機；14-壓力計(壓差計)

圖3 反吹空氣濾清器試驗臺示意圖

Fig.3 Schematic diagram of pulse-jet air filter test bench

梯形濾芯反吹如圖4所示，反吹氣流通過反吹噴嘴由濾芯出口進入濾芯內壁清灰。

圖4 梯形濾芯反吹示意圖

2.1 制備帶灰濾芯

采用某狹長濾芯空氣濾清器殼體帶預濾器在反吹空氣濾清器試驗臺上制備帶灰濾芯，共制備12個狹長梯形帶灰濾芯，每種噴嘴使用3個濾芯進行3次重復性試驗。計劃濾芯加灰量750 g，試驗粉塵為270目石英砂。制備完成的12個濾芯增重結果如表1所示。

表1 制備帶灰濾芯增重結果

2.2 靜態清灰效果試驗

使用上述帶灰濾芯在反吹空氣濾清器試驗臺進行離線清灰效果試驗，反吹空氣濾清器試驗件如圖5所示，將帶灰濾芯裝入空氣濾中進行噴吹，以此模擬實車中的噴吹效果。試驗分為清灰效果試驗(1)與清灰拍攝試驗(2)。

圖5 反吹空氣濾清器試驗件圖

試驗(1)為4種典型結構噴嘴安裝于反吹空氣濾清器(帶預濾器)分別使用3個帶灰濾芯進行了3次重復性試驗，每個濾芯連續噴吹3次，記錄每次噴吹前后濾芯的質量變化，噴吹參數如表2所示。試驗(2)為4種噴嘴安裝于反吹空氣濾清器(不帶預濾器)，在開蓋狀態下拍攝清灰過程試驗，并記錄出灰位置。

表2 靜態噴吹參數

2.3 CFD流場分析方法

采用CFD對4種典型結構噴嘴的流場特性進行分析，其中直管+橫置導流板噴嘴、直管+豎置導流板噴嘴、爆炸頭3種噴嘴由于管路很短，瞬態特性不明顯，故采用穩態計算。長錐開孔噴嘴由于管路較長，管內可能會存在震蕩的壓力波動[7-9]，故采用Profile壓力階躍信號入口的瞬態計算先進行試算，發現其瞬態特性不明顯，故最終4種噴嘴均采用穩態計算。

濾芯區域簡化為多孔介質區域，阻力系數計算方法來自于濾芯流阻特性曲線擬合[10]，穩態計算仿真基本參數如表3所示。

表3 穩態計算仿真基本參數

本文選取氣流在濾芯內壁的總壓衡量氣流清灰力的大小[11]。對介于剛性濾料與柔性濾袋之間的過濾介質，清灰力為慣性清灰力與反吹氣流清灰力共同作用效果，國內外學者對滲透氣流[12]、有效清灰加速度[13]、徑向速度[14]、織物中的迅速扭曲[15]、以及反向氣流壓力峰值和壓力上升速度[16]等噴吹效果影響機理進行了大量的研究，總壓參數可以包含包括氣流速度、流體密度以及濾芯振動加速度等多種影響因素，故本研究選取氣流在濾芯內壁的總壓衡量氣流清灰力的大小，仿真計算后統計濾芯內壁氣流總壓參數。

2.4 加裝優選反吹噴嘴的脈沖反吹空氣濾清器壽命試驗

為測試優選噴嘴對于原空氣濾清器的壽命的實際提升效果，在原空氣濾清器結構加裝氣罐與反吹優選噴嘴，如圖5所示，壽命試驗在圖3所示的反吹空氣濾清器試驗臺上完成，表4是空氣濾清器壽命試驗參數，表5是壽命試驗噴吹參數，噴吹策略為試驗初期每運行2 h噴吹一次，試驗后期到達終了阻力后即刻噴吹，直到兩次噴吹間隔小于半小時，終止試驗，即認為達到濾芯壽命。

表4 空氣濾清器壽命試驗參數

表5 壽命試驗噴吹參數

3 清灰效果試驗結果與流場特性

3.1 4種典型結構噴嘴的清灰試驗結果

根據上文試驗方法，對4種噴嘴分別使用3個帶灰濾芯進行了3次重復性清灰效果試驗，每個濾芯連續噴吹3次，以及對4種噴嘴分別進行1次清灰拍攝試驗，試驗結果如下。

3.1.14種典型結構噴嘴清灰效果試驗結果

表6是4種典型結構噴嘴清灰效果試驗結果，其中，連續噴吹次數為對每個濾芯進行的連續3次噴吹，平均清灰量為3次重復性試驗的清灰量平均值，平均累積清灰率為3次重復性試驗的累積清灰率的平均值；圖6為4種噴嘴累積清灰率平均值，可見對于狹長梯形濾芯，僅看清灰率指標，清灰效果為直管+豎置導流板噴嘴>直管+橫置導流板噴嘴>長錐開孔噴管>爆炸頭噴嘴。

表6 4種典型結構噴嘴清灰效果試驗結果

圖6 4種噴管累積清灰率平均值曲線

如圖6所示，累積清灰率曲線的斜率可以一定程度上反映噴嘴的清灰潛力。對于直管+豎置導流板噴嘴、直管+橫置導流板噴嘴以及長錐開孔噴管來說，隨著噴吹次數的增加，累積清灰效率繼續增加，斜率維持穩定，本試驗的氣量限制了3種噴嘴的清灰能力，如果換裝更大容積的氣罐，單次噴吹效果還將繼續提升；對爆炸頭噴嘴，累積清灰效率斜率為0，本試驗氣量已經榨干噴嘴的清灰能力，繼續提高氣量并不能提高清灰能力。

3.1.24種典型結構噴嘴清灰過程直觀對比分析

圖7 為4種典型結構噴嘴清灰過程拍攝截圖，拍攝時刻為脈沖信號開始時刻后的20 ms和24 ms，可觀察粉塵從濾芯上掉落的位置，并可定性的推斷分析出各個噴嘴氣流流場的分布情況。如圖7各個分圖所示，照片左側為濾芯出口方向，將其定義為前方；右側為遠離濾芯出口方向，將其定義為后方。下面對4種噴嘴分別分析。

1) 長錐開孔噴嘴：由圖7(a)(b)可觀察到，濾芯出灰位置沿濾芯長度方向分布在宏觀上是均勻的，且可以明顯看出積灰為成股下落，分別對應9個噴孔處的集中射流；但可以觀察到，每股掉落的積灰股與股之間并不連續，在濾芯的折距尺度上，濾芯的出灰位置并不均勻；且較長的管長所導致的脈沖氣流的瞬態特性并未明顯影響到各個噴孔位置的清灰到達時間。

2) 直管+橫置導流板噴嘴：由圖7(c)(d)可觀察到，濾芯出灰位置沿濾芯長度方向分布在宏觀上是均勻的，且積灰出灰形態為均勻的粉狀彌散態，觀察不到任何粉塵集中掉落的現象；濾芯沿長度方向可分為明顯的3個區域：前1/3長度方向范圍內出灰從無到有；前1/3到2/3長度方向范圍內出灰較少，沿濾芯長度方向出灰均勻；后1/3長度方向范圍內出灰較前部增多。總體來看濾芯沿長度方向出灰量為從無到有，逐漸變多。

3) 直管+豎置導流板噴嘴：由圖7(e)(f)可觀察到，濾芯出灰位置沿濾芯長度方向分布不均勻，濾芯沿長度方向可分為明顯的2個區域：濾芯前1/2長度范圍積灰出灰形態為大股扇形出灰，出灰量較大；濾芯后1/2長度范圍為均勻的粉狀彌散態出灰，出灰量較少。該清灰力分布形態剛好滿足濾芯出口需要更大的清灰力的清灰力分布需求，故雖其在整個長度范圍內沒有直管+橫置導流板噴嘴的清灰力分布均勻，但其清灰效果為最佳。

4) 爆炸頭噴嘴：由圖7(g)(h)可觀察到，出灰位置主要是濾芯前側極小部分成股出灰，以及濾芯中后部成粉狀彌散態出灰，總體出灰量極少。

3.2 3種結構噴嘴的流場特性CFD分析

根據前期3.1噴吹效果試驗研究結果，爆炸頭噴嘴的噴吹效果極差，故流場研究放棄爆炸頭噴嘴，只研究其余3種噴嘴噴吹流場特性。如圖8所示為3種噴嘴濾芯內壁總壓分布圖，使用垂直于濾芯面的總壓衡量氣流的機械能與清灰效果，將濾芯出口定義為濾芯長度等于0處，遠離濾芯出口方向為濾芯長度增加方向。

圖7 4種典型結構噴嘴清灰過程圖

圖8 3種噴嘴濾芯內壁總壓分布圖

3.2.1直管+橫置導流板噴嘴

如圖8(a)所示為直管+橫置導流板噴嘴濾芯內壁總壓分布圖，橫置噴嘴垂直于濾芯面總壓分布沿濾芯長度方向會呈現出穩定高壓區、以及過渡區、超低負壓區4個區域，該總壓分布特性與試驗濾芯清灰力以及粉塵出灰位置分布特性相對應，沒有超高壓區域，粉塵全部成彌散態掉落。

3.2.2直管+豎置導流板噴嘴

如圖8(b)所示為直管+豎置導流板噴嘴濾芯內壁總壓分布圖，豎置噴嘴垂直于濾芯面總壓分布沿濾芯長度方向也會呈現出平緩高壓區、低壓區以及過渡區3個區域，但其導流板附近會出現局部超高壓區域。局部超高壓區域與濾芯前1/2長度范圍積灰出灰形態為大股扇形出灰的現象相對應。

3.2.3長錐開孔噴嘴

如圖8(c)所示為長錐開孔噴嘴內壁總壓分布圖，在9個開孔噴孔處存在有局部的超高壓力區域，氣流機械能垂直沖擊濾芯內壁面，沒有擴散的空間，與試驗濾芯清灰力以及粉塵出灰位置分布特性相對應。這種結構的濾芯壓力分布均勻性不理想，可能會造成過度清灰、濾芯的破壞以及清灰不均勻，且濾芯出口方向噴吹總壓小，不符合清灰力分布需求；其濾芯壓力全部為正壓力，且能夠實現定點精確清灰，具有一定的應用價值，后期研究可通過增加噴孔數量、優化噴孔流量與壓力匹配等方法對該型噴嘴進一步優化，消除超高壓區域，提高總壓分布的均勻性。

3.3 加裝優選反吹噴嘴空氣濾清器壽命試驗結果

將原空氣濾清器加裝優選反吹噴嘴后構成脈沖反吹空氣濾清器，其臺架壽命曲線如圖9，在原空氣濾清器的基礎上增加氣罐噴吹等反吹機構后使得空氣濾清器初始阻力增加，但其時均阻力增長較原空氣濾清器緩慢。原空氣濾清器壽命為67 kg，按照當前噴吹策略加裝優選反吹噴嘴后壽命達到195 kg，提升191%，有力地證明了直管+豎置導流板優選噴嘴的清灰效能，該型噴嘴具有較高的應用價值，后續研究可繼續對噴嘴結構進行參數影響規律的研究，以及參數優化進一步提高噴嘴的清灰性能。

圖9 加裝優選反吹噴嘴空氣濾清器壽命曲線

4 結論

1) 不同結構的噴嘴清灰特性差異較大：直管+橫置導流板噴嘴的有效清灰區域主要集中在濾芯中后部；直管+豎置導流板噴嘴有效清灰區域主要集中在濾芯中前部；長錐開孔噴嘴有效清灰區域為噴孔處離散分布；

2) 直管+豎置導流板噴嘴更適合于狹長梯形濾芯反吹清灰，空氣濾清器樣機臺架壽命達到195kg，較原空氣濾清器提升幅度達191%；

3) CFD得到的濾芯內壁噴吹氣流總壓參數分布與清灰試驗中清灰力、粉塵出灰位置分布具有較好的一致性，可通過氣流總壓分布預測清灰效果。