汽车空气滤清器流场特性CFD仿真分析

摘 要 空气滤清器负责为机械设备提供清洁的空气，如何提高其内部空气流动特性，对于空气滤清器的生产应用有着很重要的作用。本文对其流场特性进行了分析，以CFD仿真的形式评估了空气滤清器的内部流场特性，为其设计提出建议。

关键词 空气滤清器；流场特性；CFD仿真

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0026-02

空气滤清器是进气系统的重要组成部分，其性能不仅决定了发动机的可靠性和寿命，还对发动机的动力性、经济性和排放性能有着很大的影响，提高滤清器内部气流流动均匀性、减小滤清器的流动阻力是提高滤清器性能的关键。本文通过CFD仿真方法针对汽车的空气滤清器流场特性进行了分析，并通过仿真分析全面的评估了空气滤清器的内部流场结构，提出了改进方案。

1 空气滤清的几何模型建立

本文所述空气滤清器分为入口、出口、出气段、滤芯和进气段组成，其中进气管等效直径为56 mm，和出气管直径为

54 mm，滤芯的尺寸为291 mm×175 mm×21 mm。进气管、出气管和滤清器在CFD中使用四面体网格进行划分，滤芯采用棱柱层网格进行划分。最终体网格数190万，为方便后续结果分析仅针对空气滤清器分为进气段，滤芯段和出气段3部分进行

分析。

2 空气滤清器流场特性数学模型

在计算流体力学的时候，遵循质量守恒、能量守恒和动量守恒三大基本定律的原则。一般来说，通过滤清器中的气流流动属于湍流流动，因此本文采用雷诺平均的NS方程进行求解，相关方程式如下。

质量方程：

式中为密度，、、为矢量方向上的速度，、、为矢量方向，为流体动力粘度，为平均速度引起的湍流动能的产生项，、分别为方程的湍流普朗特系数，为涡粘系数。

式中：C1为惯性系数，C2为粘性系数。

边界条件设置：本文使用FLUENT软件进行仿真，计算模型为标准湍流模型，使用SMPISO算法进行计算，程序设定气温为20℃。空气密度为1.225 kg/m3。

3 仿真结果与分析

把上述方程式代入软件中，通过仿真分析得到不同流量下各段和全程的压降情况，随着入口流量的增加，各段压降随之增加，这是因为随着气流流速的增加，内腔中过度不平稳区域气流会产生紊流区，消耗能量。由此可以看出在不同流量下，各段的压降占比相差很小；出气段的压降占比高于滤芯和进气段，且随着流量增加，趋势更加明显。因此在空气滤清器的设计中进行优化管道设计时，可重点优化出气段管路设计。

如图2所示是滤芯进气面速度云图，从图中显示可以知道进气面速度分布不均，在进气面中心区域存在高速区（速度高于7 m/s），在这个区域气流直接冲击滤芯；在高速区附近存在速度小于2 m/s的大片区域；局部受到高速气流冲击，导致滤芯过早损坏，滤芯利用率低。因此在进行设计时需要对进气面增加气流分流沟槽以平均气面的速度分布，降低气流冲击。

如图3所示是滤芯出气面云图，从图上可以知道滤芯出气面速度分布较为均匀，在出管口附近位置速度稍大。因此在设计的时候可以在出管口处加设一个分流沟槽，这样整体速度就可以降低。

如图4所示是过度区域速度分离图，从图中可以看出在进出气过度区域都存在速度分离区，气流在流经过度区域时，由于气流与管壁的附面层出现分离，导致在过渡区气流背部产生强烈的漩涡，结果使得流动阻力增加。所以在进行设计的时候需要在气流与管壁的附面层上增加沟槽以减少漩涡，最终减小流动阻力。

4 结论

本文通过对空气滤清器的流场特性进行仿真分析，得出以下结论：1）滤清器的出口段压力损失较大，建议减小出气管路弯曲曲率；2）滤芯进气面速度分布不均匀，滤芯利用率低；3）在进气段和出气段过度区域存在气流分离，建议对过度区域进行倒圆。通过在实际设计中应用试验证明，该结论是有效的。

参考文献

[1]蔡兴旺汽车构造与原理[M].北京：机械工业出版社，2004.