进气空气滤清器流阻特性CFD仿真分析

杨神林

【摘 要】空气滤清器除了要有良好的声学性能外，同时要考虑其动力学性能，以保证发动机有良好的动力性能。本文基于流体动力学理论，利用CAD三维模型建立CFD仿真模型，通过对不同空气流量下空气滤清器空腔本体及含滤纸滤清器系统的内部流场进行计算，深入了解该空气滤清器阻力及内部流场压力、速度特性，并在此基础上对其流阻特性进行评估。

【关键词】空气滤清器；CFD；流阻特性

对进气系统的研究，过去主要着重于进气效率、滤清效率以及压力损失等方面，随着技术的发展以及对汽车舒适性要求的提高，进气系统的声学特性方面的研究也越来越有必要。空气滤清器除了要有良好的声学性能外，同时要考虑其动力学性能，以保证发动机有良好的动力性能。

本文基于流体动力学理论，利用CAD三维模型建立计算流体动力学模型（Computational Fluid Dynamics，简称CFD），主要计算90m3/h、180m3/h、270m3/h、360m3/h、450m3/h、540m3/h空气流量下含滤纸滤清器流阻与内部流场。同时，为便于比较分析，还对上述空气流量下该滤清器空腔本体流阻及内部流场也进行了计算。

1.空气滤清器内流场分析模型的建立

根据空气滤清器的三维模型，建立用于CFD计算的该空气滤清器内腔的三维实体模型，采用四节点四面体单元对该空气滤清器实体模型进行网格离散，通过收敛性分析确定的合适单元尺寸，得到的内腔网格模型，节点51788个，单元264448个，其实体模型及网格模型不做介绍。

假设空气滤清器中的流动为恒温、稳态流动，已知空气滤清器的流量，在计算中给定入口压力边界条件和出口速度边界条件，滤纸给定多孔介质边界条件。设定压力值为101325Pa，空气流出速度可通过已知流量及出口截面面积等数据计算得到，如表1.1中所列。

表1.1 不同空气流量下出口平均速度

设定滤纸多孔介质的边界条件，需要设置粘性阻力系数和惯性阻力系数惯性阻力系数两个参数，粘性阻力系数1/α=150μ（1-ε）

Dε，惯性阻力系数C2=1.75ρ（1-ε）

Dε，代入多孔介质的流阻特性经验公式?P=μv

α+C2v2，其中，μ是空气的粘性阻力系数，D是滤纸的孔隙平均直径，ε是滤纸的孔隙率。

2.空滤器本体空腔内流场结果

在CFD求解器进行网格检查和优化处理后，定义流体物理参数、施加进出口边界条件，不考虑滤纸影响，经过多次计算迭代后得到收敛结果。不同流量下空气滤清器本体空腔压力场和速度场结果分别不同。

空气滤清器内进气管（插入管）出口冲击区域压力较高。出气管为突然收缩管，在与腔体连接处，压力损失比较大。

表2.1 不同流量下空气滤清器本体空腔进出口压差计算结果

表2.1分别给出不同空气流量下，滤清器本体空腔、即不含滤纸条件下的进出口压力差结果。可以看出，进出口压差随空气流量增加而增大，且压差-流量关系曲线表现出斜率随空气流量增加而变大的非线性特征。

3.带滤纸空滤器内流场结果

给定流体物理参数、进出口边界条件，设置滤纸区域多孔介质边界条件，对不同流量下带滤纸空气滤清器的内流场分别进行了计算。计算得到的内腔压力场和速度场也不同。

以360m3/h工况为例，过出口轴线平面内的压力场分布结果可以看出，滤纸下部腔内压力较高，滤纸区域自下而上压力下降明显；滤纸上部整个腔体内压力基本相等。由于截面突然收缩，在出口管处压力梯度较大，压力损失也较大。

过出口轴线平面内的速度矢量结果、并参考无滤纸滤清器内的速度场结果可以看出，滤纸对速度有阻碍作用，经过滤纸后速度明显减小，并且加滤纸后速度矢量在滤清器内没有折返现象。

表3.1 有滤纸空气滤清器不同流量下进出口压差计算结果

表3.1、给出不同空气流量下，含滤纸滤清器进出口压力差计算及实测结果。可以看出，采用滤纸模拟方法计算得到的不同流量下含滤纸空气滤清器进出口压差与实测流阻结果基本吻合。含滤纸滤清器进出口压差随空气流量增加而增大，且压差-流量关系曲线表现出斜率随空气流量增加而变大的非线性特征。

由表3.1、中还可看出，虽然随流量增加、滤纸对空气流动的阻力会有增长，但滤纸对整个空滤系统流阻的贡献率却随流量的增大而减小。采用CFD仿真结果可以计算得到，滤纸阻力在总流阻中所占比重由90m3/h时的45.83%下降至540m3/h时的7.35%左右。参考不带滤纸结构本体空腔流阻计算结果可知，该空气滤清器本体空腔进气阻力占系统总流阻的主要部分。总体来说，该空气滤清器在发动机负荷范围内具有较好的流阻特性，计算最大流量540m3/h下、滤清器出入口最大压差约为2.4kPa，小于一般工程上最大允许压差3kPa。

4.结论

本文基于流体动力学理论，利用CAD三维模型建立CFD仿真模型，通过对不同空气流量下空气滤清器空腔本体及含滤纸滤清器系统的内部流场进行计算，深入了解该空气滤清器阻力及内部流场压力、速度特性，并在此基础上对其流阻特性进行评估。结果表明，滤清器在发动机负荷范围内具有较好的流阻特性，计算最大流量540m3/h下、滤清器出入口最大压差约为2.4kPa，小于一般工程上最大允许压差3kPa。计算得到了不同流量下滤清器内部流场、压力场结果，该结果对了解该空气滤清器实际工作性能与状态具有重要指导意义。同时，基于多方案的CFD计算可在概念与方案设计阶段结构型式与尺寸参数的确定提供数据支持，采用滤纸模拟模型具有较高精度，可在今后公司类似结构滤清器流阻计算中采用。

【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，2006，06.

[2]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（2）.