（机械电子工程专业论文）基于三维紊流数值模拟的空气滤清器结构优化设计.pdf

山东轻t 业学院硕十学位论文 摘要 空气滤清器是内燃机进气系统的重要部件，直接影响内燃机性能。提高空 气滤清器内气流速度分布均匀性，降低压力损失，是提高其滤清效率、延长其 使用寿命的重要措施，也是空气滤清器结构设计的关键。应用先进的三维数值 计算技术可以获得空气滤清器内部流场详细信息，得到其综合评价结果，为空 气滤清器结构优化设计提供重要的理论依据。 应用多孔介质模型模拟了空气滤清器粗滤器内的丝网和精滤器内的滤芯， 建立了空气滤清器内部流动数学模型。利用p r o e n g i n e e r 建立了空气滤清器三 维几何模型，利用s t a r c d 前处理器p r o a m 生成了其流场三维非结构化计算 网格。 在确定初值、边界条件后，应用s t a r c d 求解器s t a r 较详细地计算了 空气滤清器内部流场，利用压力云图和速度矢量分布图等进行了内部流场显示， 得到了速度场、压力场的分布规律。结果表明：气流对空气滤清器入口部分拐 角处产生了强烈冲击，出口处的速度分布不均匀；空气滤清器内部存在明显涡 流，造成较大的压力损失。 分析计算了空气滤清器入口处壁面圆弧大小对其压力分布、速度分布的影 响。在此基础上，对空气滤清器入口处进行了结构优化设计，以圆弧结构取代 原直线结构。结构优化前后的计算分析结果表明：优化后入口部分内部流场速 度分布均匀性提高了1 0 ，进出口压力损失降低了3 2 。 关键词：空气滤清器；流场；数值模拟；结构优化；s t a r c d ；多孔介质 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n ei n t a k es y s t e m ，t h e a i rf i l t e rh a sd i r e c t l ye f f e c to ni t sp e r f o r m a n c e s t h ei m p r o v e m e n to ft h ef l o w v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt h er e d u c t i o no ft h ep r e s s u r el o s sa r eh e l p f u lt oi n c r e a s ea i r f i l t e rf il t r a t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o l o n gi t ss e r v i c et i m e ，a n dt h e ya r ea l s ot h ek e y st o d e s i g n a i rf i l t e r w i t ha d v a n c e dt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ，t h ed e t a i lf l o wf i l e di nt h ea i rf i l t e rc a nb eo b t a i n e d ，a n dt h eo v e r a l l e v a l u a t i o nc a nb eg o t t e n ，a n dt h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nc a nb ep r o v i d e d f o r t h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ft h ea i rf i l t e r t h em e s hi nt h ep r e l i m i n a r yf i l t e ra n dt h ef i b r ec o r eo ft h ef i n ef i l t e ra r e s i m u l a t e dw i t hap o r o u sm e d i u mm o d e l a n dt h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e f l o wi na i rf i l t e ri ss e tu p t h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r ym o d e l so ft h ea i rf i l t e r a r em a d eb yp r o e n g i n e e r ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc o m p u t a t i o ng r i d so ft h e f l o wf i e l di na i rf i l t e ra r eg e n e r a t e db ys t a r c dp r e t r e a t m e n tt o o lp r o a m b a s e do ns t a r c d t h es i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l di nt h ea i rf i l t e ri sc a r r i e do u t m o r ed e t a i l e da f t e rt h ei n i t i a la n db o u n d a r yv a l u e sa r ed e t e r m i n e d t h ef l o wf i e l d v i s u a l i z a t i o ni sd o n ew i t ht h ep r e s s u r ea t l a sa n dv e l o c i t yv e c t o r ，t h ep r e s s u r ea n d v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sa r eg o t t e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wh a das t r o n gi m p a c t o nt h ee n t r a n c ec o r n e ro fa i rf i l t e ri n l e tp a r t ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h ee x i ti s u n e v e n ，a n dt h ev o r t e x e se x i s ti na i rf i l t e r ，s ot h a ti tc a u s e dg r e a t e rp r e s s u r el o s s t h ei n f l u e n c e so fi n l e tb o xa r ci ni n l e to ft h ea i rf i l t e ro nt h ep r e s s u r ea n d v e l o c i t yd is t r i b u t i o n sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，a n dt h e nt h ei n l e tb o xs h a p eo f t h ea i rf i l t e ri s o p t i m i z e du s i n gt h ea r cs t r u c t u r et or e p l a c et h eo r i g i n a l l i n e a r s t r u c t u r e t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yi s e n h a n c e d1o a n dt h ep r e s s u r el o s si sr e d u c e d32 a f t e rt h es t r u c t u r eo p t i m i z e d k e yw o r d s ：a i rf i l t e r ；f l o wf i e l d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ； s t a r c d ；p o r o u sm e d i a i v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 一 、 论文作者签名：塑茏垫 导师签名： 日期：龇年上月垄鲔 同期：立竺壁年左月兰查日 山东轻工业学院硕j j 学位论文 第1 章绪论 1 1 空气滤清器的研究现状与发展趋势 1 1 1 空气滤清器的功用 空气滤清器是保护内燃机、燃气动力设备及空气压缩设备正常工作的进气 过滤处理设备，其作用是过滤进入动力设备的空气中所含的灰尘和杂质，以减 少气缸套与活塞之问、活塞组之间和气门组之间的磨损，并抑制内燃机的进气 噪声，延长动力设备的使用寿命，为动力设备提供洁净的空气。空气滤清器的 过滤效率、通气阻力等性能参数直接影响发动机的动力性、燃油( 气) 经济性、 使用可靠性和耐久性等【1 1 。 f o d o r 2 , 3 1 在研究中发现，发动机8 0 左右的故障都归因于磨损。同等条件下 的对比试验表明，装与不装空气滤清器的柴油机，其活塞与气缸的磨损量相差 3 5 倍，活塞坏的磨损量相差8 1 0 倍1 4 j 。计算表明，发动机如果没有安装空气滤 清器，在含尘量为2 5 3 9 m 3 的环境中，转速为1 8 0 0 r m i n 时，1 2 1 5 0 l 型柴油机吸 入气缸的灰尘量将达到4 5 k g h 1 5 1 。 对空气滤清器的总体要求是：滤清效率高、过滤阻力小、储灰能力大、结 构简单、保养容易、体积小与重量轻。其中，滤清效率和过滤阻力是主要参数， 决定了空气滤清器的整体性能。从减少内燃机磨损、提高使用寿命的角度考虑， 空气滤清器滤尘能力应越强越好，过滤的砂尘和杂质的粒度应尽量的小，但这 样会使空气滤清器的阻力增大，影响内燃机的动力性和经济性【6 】。可见，两者 是相互制约、相互矛盾的，必须综合考虑滤清效率和过滤阻力的影响因素，妥 善解决它们之间的矛盾，才能研制出理想的空气滤清器【7 1 。 目前，汽车和拖拉机上使用的空气滤清器均带有滤芯，存在着进气阻力大、 维修周期短等问题，而且随着使用时间的增加会导致内燃机功率下降，油耗上 升。因此，完善现有的空气滤清器，对促进内燃机发展和节约能源都具有重要 的意义。 1 1 2 空气滤清器的分类 车辆发动机所用的空气滤清器种类很多，它有很多种分类方法。 按布置形式分类有单级式和多级式两种，最常用的还是单级式，仅在消声 要求的发动机和在特别恶劣的环境条件下工作的发动机才考虑多级式； 按滤清原理大致可分为三类：过滤式、惯性式和油浴式； 按是否装有油液又可分为干式和湿式。实际中所用的绝大多数是综合采用 几种滤清方法的空气滤清器。 按工作方式分类有表1 1 所列的种类： 第1 章绪论 表1 1 空气滤清器的分类【6 ，8 】 1 1 3 空气滤清器的研究现状 目前，对于空气滤清器内部流场的研究和分析主要是通过试验和数值模拟 两种方法。 试验方法所得到的试验结果真实可信，它是理论分析和数值模拟的基础， 其重要性不容低估。近几年来，由于采用引进技术和国际通用试验方法，使空 气滤清器试验更加规范，提高了国内外试验结果的可比性，采用试验的方法， 可以准确的获得试验数据，通过对比可验证要研制的空气滤清器是否符合要求 【9 j 。然而，试验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制， 有时可能很难通过试验方法得到结果，例如对于复杂的气固两相流的流动，目 前还很难通过试验的方法精确地测量和显示其内部气流与颗粒流的速度场，这 使得研究受到很大影响。 采用数值模拟的方法则很容易解决这些问题，通过数值模拟，可以得到极 其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，数值模拟可以形象地再现流动情景以及这些物理量随时间的变化情况， 通过计算并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节，确定旋涡分 布特性、空化特性、激波的运动、强度，流动的分离、表面的压力分布、受力 大小、随时间的变化及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，与c a d 联合，还可进行结构优化设计。 近年来，伴随着计算机的发展及计算技术的进步，计算流体力学( c f d ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 得到了迅猛的发展【l 。它利用计算数学的算法 将流场复杂的控制微分方程组离散到一系列网格节点上以求解线性方程组，最 终得到离散的数值解。与试验研究相比，c f d 开发的时间短，所需经费少。数 2 山东轻工业学院硕l ：学位论文 值模拟作为一种研究流体力学的手段，能部分的替代试验，降低研制费用和缩 短研制周期，比试验研究更自由、更灵活，还具有很好的重复性。但是，数值 模拟也存在着一些缺点，如因没有完全搞清楚紊流等流态特性，还没有普遍适 用的紊流数学模型。数值计算不能完全替代试验，试验对于校正c f d 方法和检 验c f d 结果是非常必要的【l 。 在空气滤清器结构方面，国内外的研究人员根据各个地区的实际情况对空 气滤清器做出了一些改进。 应用旋风式空气滤清器不能捕集粒径小于5 2m 的粒子，但利用旋风的作用 可以实现自动清灰。静电式空气滤清器可以清除粒径小于5 2m 的尘粒，但静电 捕集的灰尘会堆积在收尘电极上。文献 1 2 】将静电旋风微粒捕集器应用于柴油 机的空气滤清器发动机的进气系统中，提出了一种比较理想的旋风静电式空气 滤清器。这种新型的空气滤清器具有除尘效率高，进气阻力小，高效率、免清 洗等优点。 文献 1 3 】针对空气滤清器防尘罩经常堵塞，影响发动机功率和作业速度， 每天需要清理4 , - - 5 次，既耽误了作业时间，又减少了作业量等问题，对空气滤 清器进行了改装，如图1 1 所示。经过改装后，排气管排气产生的吸力将空气滤 清器防尘罩中的灰尘吸到排气管排出，避免了防尘罩中灰尘大量沉积、堵塞进 气通道的现象既减少了清理次数( 3 4 天清理一次) ，又保证了空气清洁，充 分发挥了发动机的动力性和经济性，提高了作业效率。 6 7 1 发动机排气管2 不锈钢管3 喇叭口4 胶管5 塑料接头6 防尘罩7 空气滤清器 图1 1 空气滤清器改装示意图 文献 1 4 1 对矿用汽车空气滤清器进行改进，在不改变空气滤清器外形、安 装尺寸、联接方式的前提下，在原有空气滤清器内加装一个小纸质滤清器，从 而解决了集尘口由于种种原因位置不当造成初级过滤失效的设计缺陷。 文献 1 5 】针对风沙地区的特殊情况，在一级旋风式滤清器后又加装了一级 第l 章绪论 滤清器，从而达到较理想的效果。 文献【1 6 提出了一种新型的空气滤清器。该滤清器采用纸质材料，对于结 构型式，在机车结构和安装空间已经限定以及不改变原车结构设计的情况下， 采用圆筒折褶式结构型式。经过试验，该滤清器具有滤清效率高，容尘量大， 清洗周期长，进气阻力小，体积小重量轻，便于安装等特点，较好地解决了密 封不严，容易开胶，安装不方便的问题。 文献 1 7 】提出了一种新型车用高速旋转式动态空气滤清器。该滤清器的结 构简图见图1 2 ，含尘空气由进气口进入切向螺旋进气道l ，气流在螺旋进气道 内做旋转运动，将气流中的大颗粒抛向气道外壁；气流经进口导向叶轮2 后进人 离心叶轮3 ，即转子部分。转子由离心叶轮、轴向叶轮组成，由电机、液压或机 械等方式驱动，做高速旋转运动。在转子部分，气流中的颗粒在离心力的作用 下被抛向叶轮的边缘，在壳体6 的内壁有螺旋形的集尘槽道5 ，槽道上均布有排 尘口1 1 ，被抛到壳体内壁处的颗粒，经集尘槽道收集后，通过排尘口排到集尘 室1o 后经排尘口排到体外。经过转子部分以后，气流中的绝大部分颗粒己被滤 掉，在壳体内壁附近未被排出或滤掉的极少量的细小颗粒，通过滤清器后部的 排尘环缝进一步排除。清洁的空气经出口导向叶轮8 进入发动机入口。试验表明 该滤清器的滤清效率达9 9 5 以上，具有自清洁能力，不需要专门的抽尘装置， 在高尘、沙漠地区应用将使空气滤清器的保养周期大大增加：进气阻力小，对 发动机的性能影响较小等特点。 1 螺旋进气道2 进口导向叶轮3 离心叶轮4 主轴5 集尘褶6 壳体7 轴向叶轮 8 后导向叶轮9 排尘环缝1 0 集尘室1 1 排尘孔1 2 集尘室排尘口 图1 2 高速旋转式动态空气滤清器结构简图 文献 1 8 】提出的高速旋转式动态空气滤清器作为一种新型的空气滤清系统 的方案研究主要针对滤清效率和使用寿命这两方面进行了探索。针对1 2 v 1 5 0 z l 发动机进行的样机设计，增速试验台的建立。 4 山东轻工业学院硕十学位论文 文献 1 9 】应用数值计算的方法研究了旋转自洁式空气滤清器的气固两相流 场。采用s i m p l e c 方法计算了滤清器叶轮流道中的气相三维紊流流场，运用 l a g r a n g e 分析方法推导了颗粒的运动控制方程，在计算气相三维流场的基础上， 计算了固体颗粒的运动轨迹，取得较理想的效果。并建立了试验风洞测试模型 样机，试验结果与计算数据基本一致，试验台示意图见图1 3 。 加尘装置空气 图1 3 试验台示意图 过滤后空气 文献 2 0 】通过滤清效率对比试验，对旋转自洁式空气滤清器进行了6 种结构 进行了试验研究，从而确定了滤清器的最佳结构方案。 设计出的空气滤清器结构常常有很多种可行方案，对于这些方案，往往需 要进行选择和优化。a 1 s a r k h i 对车用空气滤清器结构与空气滤清器内空气流动 阻力和速度分布之间的联系进行了研究，试验结果表明对空气滤清器结构进行 的简单改变都会对过滤时的速度分布和压降等产生很大的影响，这就决定了不 可能对每一个改动都进行试验测试【2 。如果用试验的方法对全部可行方案或所 有优化结构进行测试，经常会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期长 等许多用难。 文献 2 2 】用n s 方程和两方程模型来预测旋j x l 分离器的流场。计算中采用零 方程模型确定初始的涡粘系数的分布，用低雷诺数模型计算近壁区的流场，用 高雷诺数模型计算紊流旺盛区的流场，实测值与计算结果相吻合。 1 1 4 空气滤清器的发展趋势 随着车用发动机向高速化、轻量化和环保型的发展，对空气滤清器的各方 面要求也越来越高，空气滤清器的研制和设计正在向着阻力小、环保、耐用的 方向发展。 第l 章绪论 发动机空气滤清器作为进气系统的一个部件，也将需要满足新的设计、布 置的限制、新技术、性能、制造和成本等目标。 未来一些课题可能包括【2 3 j ： 可能要求一种精细的滤清： 发动机空气滤清器有较长的使用寿命： 布置上的限制要求将促使设计结构小型化； 滤清材料的设计必须能承受较高的表面速度； 在机罩下具有较高的可靠性和耐用度，以满足温度和耐久性的要求； 系统总成包括了空气流量传感器、谐振器、各种其它动作的传感器、执 行器、蓄电池冷却盒等； 通用化设计以降低成本； 降低整个系统的成本； 绿色滤清器重复循环使用性； 为用户提供更高使用价值的产品。 1 2 计算流体力学基本理论与方法 1 2 1 计算流体力学方法的形成与发展 计算流体力学形成于2 0 世纪6 0 年代中期，涉及经典流体力学、计算方法、 数值分析、程序编制和资料处理等，它的出现标志着工程流体力学发展的新阶 段。自1 9 世纪物理模型的理论诞生以来，物理模型一直是流体力学理论研究和 解决工程流动问题的主要手段。为了进一步定量描述各种流动的物理现象，数 学模型应运而出。数学模型将己知的流体动力学基本定律用数学方程进行描述， 在一定的初始条件和边界条件下求解这些数学方程，从而模拟某个流体动力学 问题或工程实际问题。 由各种流动现象而建立的数学模型，例如连续性方程、动量方程等组成的 微分方程组，多是非线性和非恒定性的，只有很少量特定条件下的问题，可根 据求解问题的特性对方程和边界条件作相应简化，而得到其解析解。绝大多数 的工程问题只能通过数值计算方法才能求得结果，在这方面往往受到计算机容 量和速度的限制。随着计算机技术和现代计算方法的发展，这一障碍已经逾越， 许多复杂的工程流动问题均可通过数值计算解决。 计算流体力学的任务是研究各种流体问题的数值计算方法。以各种离散化 方法建立各种数值模型，并通过计算机进行解算，得到在时间和空间上的数字 集合体，最终获得定量描述流场的数值解。其基本思想可以归结为：把原来在 时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离 散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点 上变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 6 山东轻t 业学院硕f j 学位论史 与物理模型的试验研究相比，数值计算的特点是适应性强，应用面广。首 先一般流动问题其控制方程均为非线性，自变量多，计算域的几何形状任意， 边界条件复杂，对这些无法求得解析解的问题，用数值解则能很好地满足工程 的需要；其次可以利用计算机进行各种数值试验，通过不同参数的选取对计算 结果进行改进。它不受物理模型的限制，比较省时省钱，灵活性大。 近几十年来，流体数值计算有了很大发展，取得了丰富的成果，各种数值 模拟技术得到了广泛应用。进入上世纪8 0 年代后，紊流模型不断完善，三维紊 流的数学模型己进入实用阶段。9 0 年代后，集成的商用c f d 流体计算软件得 到广泛应用，使流体数值计算在更大的范围内快速发展，应用软件更加多样化。 在日本、美国等发达国家，c f d 技术已经进入实用阶段；在我国，也取得了一 些实际工程应用的宝贵经验。 1 2 2 计算流体力学的计算流程 采用计算流体力学对工程流动问题进行数值模拟时通常要经过以下几个步 骤【2 4 】： 1 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体说就是要建立反映 问题各个量之间关系的微分方程及其相应的边界条件和初始条件，这是数值模 拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。工程流体问题 的数学模型即流动运动控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量 守恒方程，以及与这些方程相应的定解条件。 2 寻求求解模型方程的高效率、高精度的计算方法，即建立针对流体控制 方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计 算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括定解条件引入计算 过程的方法。 3 编制程序进行计算。这部分的工作包括计算网格划分、初始条件和边界 条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花费时间最多的部分。由于 求解的问题比较复杂，比如n a v i e r s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程 组，数值求解方法在理论上不是绝对的完善的，所以需要通过试验加以验证。 正是从这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。 4 显示计算结果。利用计算机图形学的方法将计算结果在计算机上呈现， 以便观察分析流动状态。 为了进行c f d 计算，既可以借助商用软件来完成计算任务，也可以自己直 编写计算程序，两种方法的基本过程是相同的。计算流程如图1 4 所示。 7 第1 章绪论 图1 4c f d 工作流程图 计算流体力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热 传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 可以看作是在流动基本方程控制 下对流动的数值模拟。 1 2 3s t a r c d 简介 随着计算机容量的增加和各种流动解法的发展，使得求解以原始变量表达 的雷诺平均n s 方程直接对三维不可压紊流进行数值模拟成为可能【2 ”。自1 9 8 1 年以米，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、f l u e n t 、k i v a 、 u n i c 等多个商用c f d 软件【2 6 1 ，随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工 程界正发挥着越来越大的作用。 不但c f d 模型方面的基础性成果丰富，而且c f d 软件也非常强大。基础 性成果包括紊流模型、风口模型、网格自动划分算法、方程求解算法、方程求 解加速方法等。 全球第一个采用完全非结构化网格生成技术和有限体积方法来研究工业领 8 山东轻t 业学院硕士学位论文 域中复杂流动的流体分析商用软件包s t a r c d ，是由英国c o m p u t a t i o n a l d y n a m i c sl t d 公司推出的，软件名称是由s i m u l a t i o no ft u r b u l e n tf l o w i n a r b i t r a r yr e g i o n s 再加上公司名称c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c s 的缩写组合而成的。 s t a r c d 最初是由流体力学鼻祖一英国帝国理工大学c f d 领域的专家教授开 发的，他们根据传统传热基础理论，合作开发了基于有限体积算法的非结构化 网格计算程序，在完全不连续网格滑移网格和网格修复等关键技术上， s t a r c d 又经过来自全球1 0 多个国家，超过2 0 0 名知名学者的不断补充与完 善，成为同类软件中网格适应性、计算稳定和收敛性最好的佼佼者。 s t a r c d 使用非结构化网格和有限体积法来求解n s 方程组，由于采用 非结构化网格，s t a r c d 使得单元形状表现得非常丰富，单元可以进行任意的 变形，并且允许采用滑动内部边界条件，允许单元的任意插入和删除，而且局 部网格优化技术可以用来提高解的精度。s t a r c d 对定常和非定常流动分别采 用优化的s i m p l e 格式和p i s o 格式来进行计算。空间差分格式是二阶格式， 时间差分格式采用的是一阶完全隐式格式，最新紊流模型的推出使得其在计算 的稳定性、收敛性和结果的可靠性等方面又得到了显著的提高。s t a r c d 模拟 紊流流动使用的紊流模型有标准肛8 模型，紊流模型和k 的两层变形模型，在 近壁面区域使用n o r r i s 和r e y n o l d s 方程低雷诺数模型。 s t a r c d 使用的前后处理软件包称为p r o s t a r ，p r o s t a r 集成了建模、求解 与后处理所必需的各种工具，p r o s t a r 主要完成以下功能【27 j ：几何网格读入、 数据修改、网格生成、设定边界条件、设定工质物性、设定计算内容( 多相流， 化学反应) 、设定控制参数( 格式，时间，输入输出参数) 、计算过程监控及计算 结果后处理等。 s t a r c d 使用单一、高效、鲁棒( r o b u s t ) 的s t a r 解算器求解流动这个通 用解算器适用于所有的流动情况与物理现象，s t a r 解算器与最新的时间空间 离散格式相结合，使s t a r c d 在最复杂的c f d 应用方面具有无可匹敌的能力。 s t a r c d 的解算范围：牛顿流体、非牛顿流体；稳态、非稳念；层流、紊 流；可压缩、不可压缩流动；辐射、传热、传质；拉格朗日多相穿流、欧拉多 相流；自由表面流动；燃烧及化学反应；多孔介质与热交换器；多流体流动； 平衡、非平衡化学反应；多组分的复杂化学反应动力学模型；多种n o x 模型； 专用的煤燃烧模型；专用的汽油机和柴油机口燃烧化学反应模型s t a r c d 针 对流场结构提供了精确的分析并作定性及定量上的探讨，并针对特殊问题提供 各式模型，方便使用者设定，如旋转机械，燃烧行为，两相传输等，并可进行 动能、静能的分析以及移动网格等设定。因其功能强大故目前广泛的应用于以 下领域中：汽车，航天航空，船舶工业，生物医学，能源动力，建筑与环境工 程，化学工程，环境污染，旋转机械，核反应堆等1 2 引。 9 第1 章绪论 1 2 4c f d 的研究热点与发展方向 随着c f d 的实用化程度的提高，其应用范围也在逐渐扩大，最近在下列几 方面的应用有了不少尝试【2 9 j ： 各种物理现象，对象空间的联立。例如：在空间热气流计算中引入人体 数值模型，人体热平衡模型中引入生理、心理评价模型等，增强舒适性评价的 力度，还有对城市工程领域的渗透，将建筑物群、地域热气候等模式化，使室 内空间、室外空间的环境分析有机地结合起来。 判明相互耦合的物理现象的内在结构，建立对c f d 计算分析结果的客 观评价体系，增加计算分析的灵敏度和精度。开发新的计算手法，例如：可逆 变换问题，概率计算问题等。 现阶段关于c f d 仍有许多未解决的课题，主要有如下几方面： 计算精度有待进一步提高，达到与热负荷计算之类的模拟计算相当的精 度。c f d 分析如前所述，因其非线性等问题而难度大，并非所有的计算结果都 达到了令人满意的精度，对c f d 计算结果要作综合客观的评价。 需要对与c f d 相关联的数据库作进一步的统一，提高使用效率如加强 与c a d 数据库的联结以提高其通用性。 人才的培养：c f d 软件的操作性能虽大有改善，并包罗有多种数学模 式、解法，但计算的过程中为了能做出正确的选择和判断，则相应的c f d 和空 调专业知识不可缺少，并应具有一定的现场实测经验。 计算结果和实测的验证：应将c f d 的计算结果尽可能通过实测进行验 证，反馈于软件的完善，以期进一步提高计算精度。 1 3 研究目的、意义及主要内容 1 3 。l 研究目的及意义 空气滤清器是滤除空气中的灰尘和杂质，将清洁空气送入发动机，以减少 气缸、活塞和活塞环之i 、日j 磨损的有效装置。随着汽车排放法规日趋严厉，对空 气滤清器的性能要求也越来越高，其内部复杂的气体流动状况是影响其性能的 重要因素。空气滤清器内部气体流动的不均匀性，将会产生涡流和气流分离的 现象，引起流动阻力的增加，造成滤清效率的降低，缩短其使用寿命。此外， 气流通过滤芯时产生的阻力所造成的压力损失，也会影响发动机的动力性和经 济性。因此，如何减少空气滤清器内气体流动速度分布的不均匀性并降低通过 滤芯的压力损失，是空气滤清器结构设计的关键，也是本文的研究重点。 空气滤清器种类繁多，原理各异，为了寻求一种滤清效率高、空气阻力损 失小的空气滤清器，就需要对大量的空气滤清器进行试验研究，采用传统的空 气滤清器系统进行测试费时费力，且误差较大；难以达到精确的控制。因此， 有必要利用较先进的c f d 技术先进行模拟计算，既节省得大量的时间缩短了开 1 0 山东轻工业学院硕上学位论文 发周期，又提高了经济效益，从而满足了现代化企业实际生产的需要。利用c f d 软件s t a r c d 对空气滤清器内的紊流流场进行流动分析，能够有效的模拟出 空气滤清器内的速度场和压力场，从而能够定性的分析出其性能优劣，对于空 气滤清器的各项性能指标的提高及其结构的优化设计具有很高的实用价值。 1 3 2 主要研究内容 本文的目的主要是综合考虑空气滤清器的滤清效率，空气流量，滤清阻力 以及滤清器使用寿命等因素，对空气滤清器的外部结构进行优化设计。 主要的研究内容包括： ( 1 ) 根据空气滤清器的实际结构，进行合理简化后建立其几何模型。 ( 2 ) 把s t l 格式的c a d 文件导入到s t a r c d 的p r o a m 中，进行网格划 分。 ( 3 ) 对计算模型进行合理的简化，建立其数学模型。确定初始条件、入口 与出口处的边界条件等并输入到s t a r c d 的求解器s t a r 中进行流场计算求 解。 ( 4 ) 对计算结果进行处理分析，提供丰富的终端数据和图形输出，给出试 验测试难以获得的大量信息，绘制速度矢量图、压力分布图等。 ( 5 ) 通过计算分析不同的结构参数对性能的影响，以便提供使滤清阻力降 低及提高速度分布均匀性的最佳结构、位置参数，为空气滤清器的丌发设计与 研究提供依据。 第2 章窄气滤清器内流场数学模型的建立及离散 第2 章空气滤清器内流场数学模型的建立及离散 2 1 数学模型的基本假设 空气滤清器内的流体流动非常复杂，为了能够进行数值模拟并达到工程应 用的目的，对模型作如下简化和假设： 1 流体的密度变化很小，为不可压缩单相牛顿流体； 2 滤网尺寸小、数量多，计算经济型差，采用多孔介质模型进行模拟，假 设固体构件均匀分布于控制体内，各向同性； 3 多孔介质骨架固定不动并且不变形； 4 流体在空气滤清器中作定常流动，且满足b o u s s i n e s q 假设； 5 当空气滤清器在稳定工况下工作时，温度基本保持不变，可以不考虑温 度的变化。 2 2 气体流动的控制方程 建立数学模型，是数值计算最初的也是最重要的阶段，它将直接关系到计 算的成败。模型是对实际系统的一种概括和抽象，它通过其假设条件略去次要 的现象以突出主要的过程，引用已知的物理定律，并最终用数学的方程来描述 和表达系统的特性。 无论多么复杂的流动问题，均受三个最基本的物理规律支配，即质量守恒、 动量守恒和能量守恒。空气滤清器内部的气体流动也不例外。对定常粘性气体 流动的质量和动量守恒方程进行雷诺时间平均，并引入b o u s s i n e s q 假设后，可 以得到空气滤清器内不可压缩三维紊流流动的控制方程组： 质量守恒方程： 当：( j 0 - - 1 ，2 ，3 ) 式( 2 1 ) 上= (，3 ) 式( 1 ) o x j 式中，“，x ，方向的分速度； 动量守恒方程： p 毒c 峭，一考+ 毒c 形考一p 葡 式c 2 其中， 一万= “吉c 善+ 挈一；毛后 磊= ： p e f r2 l + p | 1 2 山东轻t 业学院硕士学位论文 鸬= e , o k 2 6 p 空气密度； 尸空气压力； 砌有效涡粘系数； “层流粘性系数； “紊流粘性系数； k 湍动能； 耗散率； 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) e e 含有的未知量多于方程个数，即这组方程是非封闭的。因 此，必须建立相应的紊流模型方程来完成方程组的封闭。 2 3 内流场的紊流模型 2 3 1 紊流机理 紊流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动【3 0 1 。紊流流场充 满着尺度大小不同的漩涡，大的漩涡尺度可以与整个流场区域相当，而小的漩 涡尺度往往只有流场尺度千分之一的数量级。由于流场中大小不同的漩涡不断 产生和消失，相互之问强烈掺混，使得紊流流场中的物理量表现出脉动性质， 具有极强的不规则性和随机性。整个流场中的物理量不仅是空间坐标的函数， 也是时间坐标的函数，物理量的低频脉动是由于流场中的大漩涡引起的，高频 的脉动则是由于小漩涡引起的。尽管紊流流场表现出极强的不规则性和随机性， 但它仍然是粘性流体的一种运动形式，紊流流场中的物理量在每一瞬间仍必须 满足质量、动量和能量守恒定律。紊流流体作为牛顿流体，仍然满足自l 面给出 的连续性方程、n s 方程和能量方程3 1 3 3 】。 那么，从数学角度讲，只要给出相应的紊流存在的边界条件和初始条件， 紊流问题的数值解完全是可求的。然而要正确反映紊流的流场信息，空间网格 划分至少要跟小漩涡的尺度相当，时间步长也要反映出小漩涡的高频脉动。在 这种空间网格划分和很小的时间步长的要求下，所需的计算机内存和运算速度 都非常高，目前的计算机技术难以承受。而且，即使得到了紊流流场的数值解， 从工程上讲也并无多大的实际意义。工程上感兴趣的是流场中物理量的宏观平 均行为，因此，工程中多用平均值方法来描述和求解紊流问题。 2 3 2 紊流的数值模拟方法 关于紊流运动的数值计算，是目前c f d 中困难最多因而研究最活跃的领域 之一。目前，对于一般的紊流运动，己经采用的数值计算方法大致可以分为以 下三类【3 4 , 3 5 】： 1 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 直接数值模拟又叫完全数值模拟，是一种采用原始的含时均值和瞬时值的 第2 章空气滤清器内流场数学模型的建市及离散 非稳态的n s 方程来对紊流进行直接计算的方法【3 引。要对高度复杂的紊流运动 作直接数值模拟，必须采用很小的空间与时间步长，才能分辨出紊流中详细的 空间结构及变化剧烈的时间特性。按文献 3 2 】的估算，要对紊流中的一个小漩 涡进行直接数值计算，至少需要布置1 0 个节点，这样对于在一个小尺度范围内 进行的紊流运动，在1 c i n 3 的流场中可能要布置1 0 5 个节点。可见，紊流的直接 数值模拟对计算机的速度和内存空间要求非常高，目前难以应用于工程计算。 2 大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 按照紊流的涡旋学说，紊流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的【3 7 , 3 8 】。 大尺度涡从主流中获得能量，它们是高度各向异性的，而且随流动的情况而异。 大尺度涡通过相互作用把能量传递给小尺度涡，小尺度涡的主要作用是耗散能 量，他们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡差异不大。基于上述 观点，产生了大尺度涡模拟的数值解法。该方法旨在用非稳态的n s 方程来直 接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对于大涡的影响用近似的模型 来考虑。这种数值方法己经有了一些成果报道。尽管这种方法只模拟大尺度涡， 但对计算机的内存及速度的要求仍然比较高。 3 雷诺时均方程法( r e y n o l d s a v e r a g ee q u a t i o n s ) 在工程应用中，人们最为关心的是流动要素的时均值，而对紊流的脉动量 往往不太关注。描述流动要素时均值的雷诺时均方程法是目前工程紊流计算中 所采用的基本方法。在这类方法里，将非稳态的n s 方程对一时间作平均，在 所得出的关于时均物理量的控制方程中包含了所谓雷诺应力等未知量，于是所 得方程的个数就少于未知量的个数，而且不可能依靠进一步的时均处理来使控 制方程组封闭【3 引。要使不封闭的雷诺时均方程封闭，必须做出某种假设，即建 立封闭模型。这种模型把未知的较高阶的时间平均值表示为低阶的在计算中可 以确定的某种量的函数。由于这种表示方法的差异很大，因而形成繁简悬殊的 紊流模型。 在雷诺时均方程法中，由于雷诺时均的假设，对网格的敏感性大大降低， 这样在保证计算精度的前提下，计算网格的数目可以大大降低，提高了计算的 速度，降低了对计算机硬件的要求。所以，它是目前工程流动数值计算中应用 最广的方法。对于空气滤清器内这种十分复杂的流动，采用雷诺时均方程法是 可行的，目前所作的研究工作基本上都是采用雷诺时均方程法。 为了使紊流控制方程封闭，需对动量方程中雷诺应力项和能量方程中的紊 流扩散项增加额外的控制方程，也就是说需对紊流进行模拟。紊流模型可分为 如图2 1 所示几类。 1 4 山东轻t 业学院硕十学位论文 紊流模型 全紊流模拟 紊流直接模拟大涡模拟 【 小涡模拟 舣流体模型 图2 1 紊流类型分类图 2 3 3 紊流模型的建立 紊流的直接模拟需要大型高速计算机，就目i j 计算机的发展水平而言，只 能对简单几何形状物体的流场进行模拟，对空气滤清器这样复杂几何形状的物 体，难于使用此法。紊流的间接模拟就是对雷诺平均的n s 方程中的紊流应力项 进行模拟。在高雷诺数的紊流流动中，紊流的间接模拟又有粘性系数模型和雷 诺应力模型。 在粘性系数模型中，零方程模型( 或称为混合长度模型) 使用简单的代数公 式来描述应力分布，由于模型存在通用性差、未考虑湍动量的对流和扩散输运 等缺点，现在很少应用；双方程模型( k - e 模型) 通过平均流来描述紊流的产生和 消耗，即使用紊流脉动动能方程和湍动能耗散率方程两个输运方程来描述紊流 运动。雷诺应力模型使用6 个雷诺应力输运方程和一个湍动能耗散率方程来描述 紊流，它与缸8 模型相比，可以更精确地描述流动状况【40 。，但对复杂几何形状中 的可压缩流，目前仍有许多问题没有解决1 4 。此外，在雷诺应力模型中，由于 增加了7 t f 输运方程，它所需要的时问是求解缸s 模型所需时间的4 倍左右。 曩吨二方程模型能较真实地描述许多流动的主要物理过程，既有较好的通用 性和精度，又不需太大的计算量，因而在紊流的工程计算中，k - e z 方程模型应 用最广在科学研究及工程实际中得到了最为广泛的检验和成功应用。但是也有 三个缺点： 1 缸模型中有关经验系数的值主要是根据一些特殊条件下的试验结果而 确定的，虽然这些经验系数有较广泛的适用性，但是不能对其适用性估计过高， 方方方数 分理 瓤靴珊删 删艇 凇州 雠郴 掀羚 凇擞 一一 一一 第2 章空气滤清器内流场数学模型的