当前热文：在汽车发动机的进气系统中，对空气滤清器进行建模和分析。
文|无邪
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编辑|无邪
随着关于汽车排放和性能的法规越来越严格，内燃机所有子系统的预期性能也变得至关重要。如今，发动机的尺寸缩小了，它们的功率增加了对进气系统的需求，这种需求已经显著增加。因此，对安装在进气系统中的典型空气过滤器进行了分析，以确定其流动特性。
在本研究中，设计了现有空气过滤器的CAD模型，并对内燃机的各种运行状态进行了CFD分析。数值结果得到了实验数据的验证。从后处理的结果中，我们可以看出本过滤器的设计存在缺陷，因为过滤器的底部阻止了空气的向上运动。因此，进气通道可以被重新布置以提供向上的切向运动，这可以仅通过空气的惯性作用有效地增强较大灰尘和煤烟颗粒的去除。
介绍
现代发动机被设计成高效、紧凑和清洁的。随着发动机的小型化，以减少空间和增加功率，空气滤清器的工作变得很重要。设计合理的空气滤清器不仅能延长发动机的寿命，还能降低滤清器本身的再生和维护成本。
通常，空气过滤器设计用于更好的流动效率和更好的声学性能。声学性能非常重要，因为政府法规规定了车辆在通过测试时可以达到的最大空气质量流量水平。进气系统产生的空气速度可能是噪声水平的重要因素。全面了解空气滤清器的流动动力学非常重要，因为设计合理的空气滤清器可以偏转和分配空气，使大部分灰尘在进入主滤清器之前被分离出来。
如果流量分配适当，过滤器上的负载将是均匀的，并且再生、更换间隔可以得到改善。如今，数学和数值建模在更好地理解过滤器和设计更好的进气系统方面发挥着重要作用。为了更好地理解和验证CFD结果，建立了一个实验装置，用变速鼓风机模拟通过过滤器的不同流动特性。
实验装置
试验台由空气过滤器、进排气管和压力计组成。鼓风机的眼连接到空气过滤器的出口，以模拟连接到发动机的过滤器的实际工作条件。在实验装置中的两个位置提供压力计接口以测量压降。鼓风机出口处装有风速计，用于测量空气速度。通过调节鼓风机速度，以不同的空气流速通过空气过滤器进行实验。
计算模型描述
使用CATIA预处理软件创建了空气过滤器的几何模型。为了节省计算时间和成本，忽略了对于流体流动而言重要的几何细节，例如圆角、倒角、刚度和阶梯。在忽略上述细节的情况下，从实体模型中获得了一个简化的几何模型。
为了以合理的准确性捕捉域内的三维流动，需要良好的形式质量网格。采用多块结构化六面体网格被认为是最佳选择，并使用商业网格生成器Gambit创建。
该模型大约包含55万个六面体流体单元。边界层的y+值为40至200，以捕捉复杂区域内的物理现象。
空气被假定为稳态可压缩流体媒介。K-ε湍流模型在工业应用中被广泛使用。近壁单元厚度的计算满足壁边界的对数定律。其他流体性质被视为常数。进气系统的过滤介质被建模为多孔介质，流体通过过滤介质遵循达西定律，并且假设在多孔介质内部处处流动为层流。
对于多孔介质，假设在包含分布阻力的体积内，到处都存在压力和阻力之间的局部平衡
其中ξi（i = 1, 2, 3）代表（相互正交的）正交方向。Ki是渗透率，ui是ξi方向上的表面速度，渗透率Ki被假定为表面速度大小的拟线性函数，形式如下：
其中αi和βi是用户定义的系数。通过多孔介质的任何截面的表面速度定义为体积流率除以总截面面积（即液体和固体占据的面积）。在本分析中，假设αi和βi相同。
本研究使用商业CFD求解器Star-CD进行了研究。这是一种基于有限体积方法的求解器，广泛应用于工业领域。该软件在张量笛卡尔形式下求解的控制方程如下。
连续性方程：
动量方程：
动量方程中，S表示源项，cor表示坐标项，cfg表示摩擦项。
其中ρ表示密度，uj表示第j个笛卡尔速度分量，P表示静压力，τij表示粘性应力张量。
4离散化方法
控制流体和固体系统中质量、动量、能量等守恒的微分方程通过有限体积（FV）方法进行离散化处理。
为了方便进行FV离散化，我们使用以下普遍的无坐标形式的守恒方程：
时间离散化
在Star-CD中，只使用隐式方案进行时间推进。对于SIMPLE方法，主要用于稳态流动，但在某些情况下也建议用于瞬态流动模拟，可选择的选项有一阶完全隐式方案、具有三个级别的二阶完全隐式方案。对于针对瞬态流动模拟优化的PISO方法，没有选择，而是使用特殊的隐式方案。
边界条件
应用于本研究的不同组分的各种边界条件如下：
对于进口，采用质量流量进口边界条件进行施加。在进口边界处指定密度（1 kg/m3）和湍流强度（5%）的值。
对于出口，采用流出边界条件，并按流量权重1进行施加。在所有壁面上应用不滑移边界条件，主过滤介质的速度发生变化，并采用αi = βi = 3000施加多孔介质边界。
对于空气传感器，采用αi = βi = 290施加多孔介质边界。
整个域被认为在1大气压和298的初始条件下进行。
结果与讨论
为了使CFD模拟具有实际意义，模拟结果应与实验数据相匹配。下图显示了实验压降与计算压降的比较。由于过滤介质表现为多孔材料，流动将遵循达西定律[2]。假设过滤材料具有渗透率，并根据公式(3)进行定义。
从结果中可以看出，所假设的速度边界条件在8 m/s的出口速度下与实际相比较好，但在10 m/s和12 m/s的出口速度下结果略有差异。这种结果差异可能归因于计算中使用的渗透率因子导致的较低阻力。
显然，随着气流速度的增加，压力也增加。
从图中可以观察到，质量流量在500秒后开始保持稳定，当计算时间增加到500秒时，质量流量略有改善。在出口速度为12 m/s的情况下，实验中过滤器的质量流量为0.0602 kg/s，而相同条件下的模拟值略高，为0.078 kg/s。此外，需要600秒才能达到稳态。这种质量通量的变化，即CFD计算预测的较高质量通量与下图中显示的较早结果相比较好，这种变化可以归因于渗透率系数。
过滤器内部流场的演化
CFD模拟是为了模拟真实的瞬态条件下的流动。流动会在一定时间后演化并稳定下来。CAB, DC (矢量图)对比了流场。
可以看到，流动强烈朝着进口路径的相反方向流动。同时，过滤器通量板直接阻挡了流动进入过滤器区域的路径。
因此，一些改进方法包括上升投影的进气歧管，并用具有刚度和额外滤料的底座来替换。
压力轮廓的比较
下图对比了不同出口速度下滤料区域内的相对压力。从压力轮廓图可以明显看出，随着出口压力的增加，区域内的压力也增加。
不同出口速度下颗粒轨迹的比较
为了理解和跟踪流体颗粒的完整运动，图中引入了一个具有质量的虚拟颗粒，并放置在滤料的入口处。从三个不同速度的轨迹图可以观察到，进入的空气在到达设置的对侧之前会先向上流动。一旦颗粒到达顶部，它再次向下转向并到达输送管的入口处。
很明显，设计存在一个缺陷，更好的策略是要么将进气口切向放置，要么将其朝上倾斜，以最小化空气颗粒所需的转向次数。通过进行这些修改，可以消除空气在入口对侧的不必要停滞现象。
对商用滤清器进行了实验和数值研究，以确定其流动特性和设计中的任何缺陷。
(i) 结果显示进气口的正确定位存在缺陷。
(ii) 可以重新调整进气口，使空气以切向方向流动，从而分别创建滚翻型或旋涡型的空气运动。
(iii) 已进行验证，并且结果相当令人满意。
进一步的分析计划包括设计修改，例如引导叶片和重新定位进气口。
R. Yerram, N. Prasad, P. R. Malathkar, V. Halbe, and S. D. Murthy, Optimization of Intake System and Filter of an Automobile Using CFD Analysis, Quality Engineering & Software Technologies (QUEST), Bangalore, India, 2006. STAR—CD Methodology. M. F. Harrison and P. T. Stanev, Measuring Wave Dynamics in I.C. Engine Intake System, School of Engineering, Cranfield University, Cranfield, UK, 2004. Pulkrabek, W. W. (2012). Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. Pearson Education.
