汽車空氣濾清器入口位置與形狀對流動特性的影響研究(哈爾濱工業大學汽車工程學院,威海,264209)流計算模型，對空氣濾清器內部氣相三維粘性流動進行了數值模擬詳細分析了入口位置、入口形狀結構參數對空氣濾清器內流動下的速度場和壓力場分布情況。通過對比分析可知所以合理設計入口形狀可明顯減小空氣濾清器內的流動的能量損失。Theinfluenceofentrancepositionand（SchoolofEnergyScienceandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China）1.1夏利TJ7101轎車用空氣濾清器濾清器的實物照片。該濾清器由連有進氣管的下殼體和連有出氣管的上殼體組成，內部腔內是紙質濾芯。上下殼體由鋼扣扣緊。觀察發現：濾清器進氣管為直管，且與下殼體側面1.2流場計算幾何模型的建立空氣濾清器中的流動十分復雜，本文在對其內部流場的分析中作如下假設：(1)空氣濾清器中所有的構件為絕對剛體。即：濾芯在工作過程中沒有相對的軸向位移，上、下殼體及濾芯在工作中沒有變形。這一假設主要忽略了形成流道的固體壁面和工作介質之間的相互耦合作用。(2)工作介質在任何工況下密度變化很小。根據GB、ISO及SAE各標準對空氣濾清器的要求，工作介質密度和粘度在工作過程中的變化很小，這意味著空氣濾清器中的工作介質為典型的不可壓縮粘性流體。(3)在同一工況下，空氣的物性與多孔介質（濾芯）的分布情況是各向同性的。該假設相當于將空氣濾清器的動態流場特性作了時間周期的平均。(4)空氣濾清器是等溫的工作過程，工作介質的內能在工作中沒有變化。本文只研究工作介質的動力狀況，不探討工作介質的溫度變化。不可壓縮流體的能量方程獨立于連續方程和動量方程之外。本文的最終研究目的在于分析流場對空氣濾清器性能參數的影響，為此只需要知道流場的速度場和壓力場就已經足夠。幾何模型的建立是采用FLUENT的前處理軟件GAMBIT，最后生成的本課題研究的原型空氣濾清器模型的基本尺寸如表1-1所示：在這里對原始模型做一些簡要說明：(2)內部濾芯區域設定為多孔介質區域，并單獨用六面體結構化網格劃分；(3)將下殼體與進氣管連成一體，上殼體與出氣管連成一體，二者均用四面體非結構(4)為簡化處理，進、出氣管均按實物標準畫出部分圖。其中進氣管為直段，出氣管(5)入口管與側面相交面（橢圓面）位于下殼體側面居中位置；出口管與上殼體相交面的圓心也位于上殼體居中位置。1.3空氣濾清器有限元模型對于上下殼體及進氣、出氣管道，則采用非結構化得四面體網格，這樣網格貼體性更優，計算結果也更符合實際情況。利用GAMBIT里的Mesh功能，設定網格間距為0.005m。對于1.4邊界條件的設置數值又與湍流度I和湍流尺度l相關聯。工作中的空氣濾清器在實際情況下其湍流度是非常小的，為了更接近于真實的流場，應該采用盡可能小的湍流度，這里取湍流度為經驗值0.5%，湍流尺度比相應的特征長度低一階。湍流動能k和湍流耗散率ε的值分別為：k=0.00375;ε=0.0075467計算邊界條件的設置如表1-3所示。通過FLUENT的后處理模塊，可以得到空氣濾清器內流場任意截面上的流速矢量圖和壓力空氣濾清器內氣流的速度均勻性和壓力損失的大小。本課題在驗證數學模型可靠性的基礎上，展開空氣濾清器結構參數對流動特性影響的研究，模擬計算了入口位置、入口形狀對空氣濾清器內氣體流動的影響。2.1入口形狀與位置對流動特性的影響在原型進氣管為直管，且管的軸線與下殼體相應側面成30°角（模型1）的基礎上，設計計算了當進氣管改為1/4圓管（模型2）和進氣管仍為直管，但將進氣管往X向的反方向分別移動了0.01m（模型3）和0各模型的網格數量和迭代步數如表2-1所示：空氣濾清器的性能受其流動性影響很大，直接影響其濾清效率、壓降大小，從而影響空氣濾清器的壽命和發動機的經濟性。下面給出濾清器四個模型各截面上的速度分布圖。由圖2-2可以看出，原始模型在上殼體和濾芯區域速度分布比較均勻，在下殼體速度回流；且出口處的速度明顯太小，不符合發動機的進氣要求。由圖2-3可以看出在將入口形狀改變為1/4圓管后出口的速度明顯變得更小，這是因為進氣方向垂直進入下殼體，對正對面的殼體造成較大的沖擊，從而擾亂氣流，產生較大模型3將進氣口的位置做了改變，向X向的反方向移動了0.01m，由圖2-4可知，這樣的布置使得氣體在下殼體中產生更大的渦流，從而加速了氣體的流動，在上殼體和濾芯區域的速度分布變得更加均勻，可以看出在出口處的速度比較大，這樣才更加符合發動機模型4的建立是在模型3的基礎上將進氣口的位置繼續移動了0.01m，由圖2-5可以看出在出口位置的速度不僅沒有提升反而卻有所降低，而且速度的分布變得更加不均勻。由以上分析可對濾清器進氣管結構初步改進為模型3，這樣的布置是得氣體在濾清器中的流動更加均勻，并且出口的速度對比原始模型來說提升很多，這樣僅僅對入口的位置做了適當的調整，卻使得能量的損失有所降低，符合發動機的進氣要求，提高了濾清器的一部分壓力損失。下面給出各模型YOZ平面內壓力切片分布圖。由圖2-6可以看出模型1濾芯區域壓降很有規律，且左右對稱；由圖2-7可以看出模型2在進氣口壓力損失過大，產生這種現象的原因是由于在進氣口垂直壁面進入下殼體，從而對對面的壁面產生較大的沖擊，產生了較大的能量損失，進氣阻力增加，并且可以看出濾清區域的壓降分布變得不太均勻。從圖2-8模型3的壓力分布圖可以看出在對進氣口位置做了改變之后，濾芯區域的壓降變得更加均勻，圖2-9中模型4與模型3相比，濾芯區域的總體的壓力損失較大，且在進氣口的壓力分布沒有模型3均勻。綜合以上對各模型速度分布和壓力分布的分析，選用模型3的入口布置為最優設計。本課題詳細分析了入口位置、入口形狀對空氣濾清器流場中速度和壓力的影響，對比三維流場的計算結果可知：通過對比分析可知，入口位置對空氣濾清器的流動均勻性有明顯的影響，將其放置于下殼體短邊側面且偏離中心0.01m處時，空氣濾清器內的壓力損失變小，速度分布也變得均勻對稱，且在出口處的流速變得更大，這樣的布置更加符合發動機的進氣要求，所以合理設計入口形