简林均 吴斌
Jane Jian Bin Wu
曼胡默尔滤清器（上海）有限公司 上海市 201815
摘要
空气过滤器的压损与内部气体流场的均匀性直接关系到其工作寿命。通过对空气过滤器的进气管进行流场分析，发现内部存在较大的漩涡，致使滤芯入口截面上的气流不均匀。通过在进气管上设置符合气体流动特性的导流板，改善空气在进气管内的流动，使得流速更加均匀。减弱了腔内的漩涡，滤芯进风侧的法向流动分布更加均匀，从而提高了滤芯的使用效率和寿命。从整个系统来看，导流板的设置降低了最高流速，减少了压力损失，改进后的结构有利于提高空气过滤器的工作性能。
关键词：空气进气系统，导流板，压力损失，滤芯寿命
中图分类号：TK413.4 文献标识码：A
1.前言
空气过滤器安装于汽车发动机的入口处，过滤掉空气中的灰尘、颗粒物，将优质空气引入发动机中，清洁、干燥、充足的空气可以提高汽油燃烧效率，从而降低空气污染物的排放。进而保持发动机的性能并保护其免受损坏[1-3]。
若空气过滤器流体设计不当，使得滤芯截面上气流不均匀，会使得部分滤芯的过滤能力不足时，其他部位的滤芯仍具备充足的过滤能力。这就大大降低了滤芯的使用寿命，使得滤芯频繁更换，如不能及时更换，还会导致发动机效率大幅降低。
目前相关研究人员对空气过滤器内的气体流动开展了一些研究，研究主要聚焦于空气过滤器的外部结构、滤芯结构设计、材料匹配方面的影响。贾彦龙[4]对过滤器入口的外部结构进行了优化，使得更符合气流流动特性，并改进了拐角的角度，使得进口无撞击，利用CFD分析发现内部流场与速度的分布都得到了改善。何志霞[5]对某空气滤清器及其管道的空气动力学特性开展了研究，研究发现采用进气插入管结构有效地降低流动阻力损失，进气插入管入口采用斜截面结构可以有效地提高滤芯流动均匀性。李佳[6]对滤纸的材质、尺寸和折数等因素的影响进行了研究，研究发现对于星型折状空气滤清器,流动阻力在滤纸夹角小于3°时增长迅速,滤纸夹角大于5°后无明显变化,滤纸夹角应介于3～4°之间较为合理。徐燕辉[7]对空气过滤器滤芯的结构与材料进行了研究，发现采用无纺布层在前、滤纸层在后的双层滤芯结构可以有效提高空气过滤器的效率。
进气系统的外部结构受到严格限制，不能任意优化。本文利用CFD方法对进气系统内部开展气体流动计算分析，研究滤芯截面上的速度分布，进而提出结构改进方案，对优化前后的气体压损与滤芯截面上的速度分布进行对比。
2.结构模型介绍及流动阻力分析
本文研究的课题来自于实际开发的项目，因管理要求对模型进行了简化。该空气滤清器主要由以下部件组成：进气管道、下壳体、滤芯、上壳体、排气管道（如图1所示）。
图1 空气滤清器构成
流动阻力值是汽车空气过滤器主要的性能指标，其大小直接影响进气效率。定义为：当空气流过总成时，其上下游的压力损失[8]。空气过滤器的阻力由两部分组成，即空气过滤器流道结构阻力和滤芯材料的阻力。流道结构较为复杂，通常由进气管道、下壳体、上壳体和排气管道组成。在实际项目中，下壳体部分产生的阻力值在整个系统中的占比较大，这是因为空气进入下壳体之前往往需要经过一个弯管，进入下壳体之后即将穿过阻力较大的滤芯，使得下壳体内部的速度先急剧增大后急剧减小，从而产生较大的压力梯度。
原始方案的空气过滤器下壳体结构如图2的左图所示，该腔体呈扁长形，长宽比为3左右。腔体右端的高度为102mm，左端高度为53mm，左端高度仅为右端的1/2。这样的几何机构容易导致气流在右端产生漩涡，不利于空气顺利穿过滤芯。
图2 下壳体结构改进前/后的对比
改进方案是在下壳体的底部增加了6个月牙形的导流板（如图2右图所示）。导流板的高度为30mm，宽2mm，导流板的布置方向与空气的流动方向一致。为了减少空气动能损失，同时又要达到将空气引导至右端深度较高的区域，保持导流板距左端气流入口处设有一段距离。
3.CFD基础理论
计算流体力学，简称CFD（Computational Fluid Dynamics），是一门集流体力学、数值数学和计算机科学相互交叉的学科。是研究各种流体问题的一种数值方法。它基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程三个基本控制方程。运用计算机并结合多种数学方法对问题进行离散化，通过分析得到复杂流场的各个位置的物理量，和物理量随时间的变化，以获得全面的流场特性情况。
3.1物理模型
空气滤清器内流体流动需遵循动力学的质量守恒定律、动量方程。由于空气在实际的流动过程中几乎不发生热传递， 故不考虑能量守恒方程。
流体的流动根据雷诺数进行判别，一般将流体的流动分为层流和湍流两种，当雷诺数小于临界雷诺数时，流体的流动为层流状态（即流体分层流动，各层之间互不干扰）。随着流速的增大（雷诺数亦逐渐增大），流体内产生很多漩涡，流体呈现不规则运动状态，在垂直于流动流动的方向上出现流动，各层流体之间产生干扰，即各层流体之间产生混合，该种流动称之为湍流。空气过滤器内的流速较快，绝大多数情况下都是湍流状态，本文中对雷诺数Re进行计算。
雷诺数Re的计算公式为：
（1）
式中，
为空气密度，v是流速，d的管径，
是空气粘度值。
计算得出Re值为208861，可以判定流动状态为高雷诺数下的湍流，湍流模型选择K-E双方程，同时求解壁面函数，以期获得近壁面附近的流动状态。
3.2 滤芯模型
对于空气滤清器的滤芯部分采用多孔介质模型处理, 多孔介质是动量方程的源项中增加的动量损失项。动量损失包括黏性损失项和局部损失项。针对空气滤清器的滤芯, 采用多孔介质进行处理, 其黏性阻力系数为：
（2）
惯性阻力系数为：
（3）
式中：
为空气粘度值；
为滤清器滤芯的空隙直径；
为空气滤清器滤芯孔隙率。
滤芯两端的流阻特性关系式为：
（4）
式中： a为滤芯的渗透因子； 
为惯性阻力系数；v为速度值。
4.2 网格划分及边界条件设置
我们使用STAR-CCM+进行CFD计算，采用ANSA软件进行前处理，包括：流体域提取、几何清理、面命名以及面网格划分。然后将面网格导入STAR-CCM+中，并进行计算域分割和体网格划分，体网格选用STAR-CCM+多面体网格，该类型的特点是网格质量高，网格数量较少。为了更好地捕捉结构壁面附近的流动特性，在壁面划分2层边界层网格。滤芯的进气侧和出气侧为空气穿过的壁面，此处不设边界层,体网格数量为58.3万。
图3 空气过滤系统的体网格划分
边界条件设置：在进气管前增加了半球面作为空气入口，这与实验过程中的进气管直接与外界大气接触相类似。压力值设定为1个大气压，即：101325Pa。在排气管出增加了一段延长管，目的是为了在出口处获得稳定的流场。出口流量根据给定的体积流量换算而来，即：0.25kg/s。将滤芯设置为各向异性多孔介质，分别给定各方向的惯性阻力系数和粘性阻力系数。阻力系数的大小与滤芯的尺寸大小，滤纸厚度、折数和透气率相关。
3.计算结果
5.1 压力损失结果对比
将整个空气过滤器的压力损失划分为5段来计算。分别为进气管段（in-tube），下壳体段（housing），滤芯段（ele），上壳体段（cover）以及排气管段（out-tube）。通过对比图4的左图与右图可以得知，在下壳体增加了导流板以后，下壳体段和滤芯段的压力损失得到了改善，而其余的三段压力损失保持不变，总的压力损失降低了0.06kPa。
图4优化前后的压损结果
5.2 流线图对比
图5左侧是原始结构下的流线图。空气进入下壳体的腔内主是沿着侧壁面流动，其中的一部分流体在右侧腔体深度较大的位置形成了明显的漩涡，导致气流不能顺利穿过滤芯。在实际产品中，这样的空间结构容易堆积灰尘，从而影响滤芯的过滤效率，因此必须得到优化。
图5优化前/后流线结果
图5右侧是优化结构后的流线图。由于导流板的分割作用，空气在下壳体的腔内流速更加均匀。在右侧腔体深度较大的位置有比较微弱的漩涡，但空气仍然能垂直向上穿过滤芯，说明增加导流板是很有意义的。
5.3 滤芯进风面速度对比
滤芯进风面的速度均匀性可以表征灰尘在滤芯上分布的厚度，在数值上越靠近1越好。空气穿过滤芯后得到净化，杂质沉积在滤芯的褶皱中，随着时间推移越积越多，当灰尘的量达到一定厚度时，需要更换新的滤芯。相同灰尘量，如果均匀分布在滤芯的每一张褶皱里，则滤芯的效率更高，寿命越长。
在STAR CCM+后处理中，选择读取滤芯进风面的Surface Uniformity可以得到速度均匀性的值。如图6所示，速度均匀性的值分别为0.79和0.86。从中可以看出，增加导流板以后，滤芯进风面的速度更加均匀。尤其在右侧容易产生漩涡的位置，其均匀性效果更好。
图6 优化前/后滤芯进风面速度分布
5.结论
空气过滤器的压损与滤芯截面上的流速分布是影响其工作性能的关键因素，一般研究聚焦于外壳与滤芯的结构，而空气过滤器的外部结构受主机要求不能任意优化。本文对空气过滤器进气管的内部流动进行优化设计，以改善空气在进气管中的流动状态。得出结论如下：
1)从流线图上可以看出，在空气过滤器进气管上设置的6个符合空气流动特性的月牙形导流片，可以使得右侧腔体中的漩涡得到了明显减弱；
2)从压力损失的柱状图中得知，降低了housing和ele两部分的压力损失值；
3)滤芯进风截面的速度均匀性得到了改善，滤芯进风面的速度更加均匀，可以减小在部分滤芯达到使用寿命时仍有部分滤芯可继续使用的占比；
4)在下壳体内增加导流板是改善空气过滤器工作性能的有利措施之一。
需要说明的是，增加导流片的方法仅适用于狭长形的流动腔，对于腔体较小且流动已经很均匀的情况，加导流板的作用无法体现。在本文中housing段的压力损失值在整个系统中占比较大，还可以继续优化导流板的形状和布置方式，进一步降低压力损失值。
4.参考文献
[1]刘阿龙,刘帅帅. 浅谈空气滤清器产品开发过程[J]. 汽车实用技术,2021,46(10):106-108.
[2]肖培壮. 空气滤清器流场探讨[J]. 科学与信息化,2019(12):94,99.
[3]宦栋梁,王强. 提高汽车空气滤清器效能途径[J]. 科技创新导报,2019,16(17):95,97.
[4]贾彦龙,韩青,苏新梅,等. 基于CFD的空气滤清器入口结构改进设计[J]. 湖北汽车工业学院学报,2007,21(4):9-12,21.
[5]何志霞,蒋兆晨,王硕,等. 空气滤清器的空气动力学仿真及优化[J]. 中南大学学报（自然科学版）,2012,43(3):1179-1184.
[6]李佳,刘震涛,刘忠民,等. 空气滤清器流动过程仿真与试验分析[J]. 浙江大学学报（工学版）,2012,46(2):327-332.
[7]徐燕辉,葛晓宏,位松林. 车用空气滤清器的结构优化[J]. 厦门理工学院学报,2020,28(1):9-13.
[8]重庆汽车研究所.汽车用空气滤清器试验方法：QC/T 32-2006[S].北京：中国计划出版社,2006:1-30.
作者简介：简林均（1986— ），女，云南永善人。毕业于华东理工大学化工过程机械专业（换热器方向），硕士研究生。曾从事汽车行业10年的热学与流体的综合设计分析，目前主要从事空气过滤系统CFD计算和水分离效率研究