基于計(jì)算流體力學(xué)的旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器數(shù)值模擬研究

譚業(yè)發(fā),董貴楊,譚浩廣,譚華,王小龍

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇南京 210007;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)研究生院,內(nèi)蒙古包頭 014010）

基于計(jì)算流體力學(xué)的旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器數(shù)值模擬研究

譚業(yè)發(fā)1,董貴楊1,譚浩廣2,譚華1,王小龍1

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院,江蘇南京 210007;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)研究生院,內(nèi)蒙古包頭 014010）

為了實(shí)現(xiàn)空氣預(yù)濾器瞬態(tài)內(nèi)流場的數(shù)值模擬,為新型高效空氣預(yù)濾器的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供一種有效的計(jì)算方法。運(yùn)用FARO-LDI三維激光掃描測量系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器進(jìn)行逆向建模,建立了其全流道三維幾何模型;利用ANSYS ICEM CFD對內(nèi)流道模型進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分;采用Fluent中用戶自定義函數(shù)和多流動(dòng)區(qū)域耦合算法中的滑移網(wǎng)格模型實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)器葉輪的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。湍流模型選為RNG k-ε模型,壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法,壓力離散格式采用PRESTO格式,動(dòng)量方程的擴(kuò)散項(xiàng)和壓力項(xiàng)采用中心差分格式,對流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式。研究結(jié)果表明,運(yùn)用該方法能夠準(zhǔn)確計(jì)算空氣預(yù)濾器內(nèi)部流場和模擬旋轉(zhuǎn)器葉輪的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

流體力學(xué);空氣預(yù)濾器;逆向工程;計(jì)算流體力學(xué);用戶自定義函數(shù);數(shù)值模擬

0 引言

空氣預(yù)濾器作為車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濾清系統(tǒng)的重要組件,能將氣流中大部分灰塵在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)主空氣濾芯之前過濾掉,從而延長濾芯保養(yǎng)周期及發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命,尤其是對提高機(jī)械車輛在沙塵環(huán)境下工作效率和延長其服役壽命具有重要意義。美軍針對海灣戰(zhàn)爭中軍用裝備遭遇的沙漠環(huán)境適應(yīng)性差的問題,研究了一種沙漠預(yù)濾器專門用于M1坦克,此裝置可使發(fā)動(dòng)機(jī)空氣濾芯即使在遭遇沙塵暴惡劣環(huán)境時(shí)也能行駛數(shù)百千米而不被堵塞,極大提高了美軍坦克的作戰(zhàn)效率[1-3]。旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器具有初濾效率高、進(jìn)氣阻力小、自動(dòng)排塵及無需維護(hù)的特點(diǎn),其在保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)方面表現(xiàn)出優(yōu)越性能。

空氣預(yù)濾器內(nèi)部流動(dòng)情況直接決定了其進(jìn)氣阻力和過濾效率,所以研究其內(nèi)部流場對開發(fā)高效能空氣預(yù)濾器至關(guān)重要。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)進(jìn)行流體機(jī)械的數(shù)值模擬研究,描述復(fù)雜幾何內(nèi)部的三維流動(dòng)現(xiàn)象,能夠定量計(jì)算出幾何內(nèi)部壓力、速度分布情況,從而發(fā)現(xiàn)影響空氣預(yù)濾器性能的關(guān)鍵因素。

逆向工程測量技術(shù)為非標(biāo)零件的三維形貌數(shù)據(jù)采集,二維幾何尺寸數(shù)據(jù)采集以及公差和質(zhì)量的檢測提供了快速、高效的手段。本文利用FARO-LDI三維激光掃描系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器進(jìn)行逆向建模,結(jié)合三維流動(dòng)理論和CFD的發(fā)展,利用Fluent軟件自帶的用戶自定義函數(shù)(UDF)實(shí)現(xiàn)空氣預(yù)濾器旋轉(zhuǎn)器的被動(dòng)旋轉(zhuǎn),力求在空氣預(yù)濾器瞬態(tài)流場計(jì)算方法上有所突破。

1 幾何模型

旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器主要由導(dǎo)向葉片、旋轉(zhuǎn)器及外殼三部分構(gòu)成。由于其內(nèi)部流道較為復(fù)雜,且流場具有三維特征,所以必須使用三維流動(dòng)控制方程才能保證其內(nèi)部流場模擬的準(zhǔn)確性。運(yùn)用FARO-LDI三維激光掃描系統(tǒng)測量得到空氣預(yù)濾器各部件表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),并利用該數(shù)據(jù)在正向CAD建模軟件UG中建立空氣預(yù)濾器各部件及裝配體的幾何模型(見圖1)。為減弱氣體回流,提高計(jì)算精度和收斂性,需加長出氣口段,使其長度為直徑的2倍。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

數(shù)值模擬的實(shí)質(zhì)是求解流動(dòng)控制方程,通過求解離散化方程(連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程)得到三維流動(dòng)的解。文中采用流體計(jì)算軟件Fluent求解三維不可壓縮時(shí)均化Navier-Stokes方程。為簡化計(jì)算,空氣預(yù)濾器數(shù)值模擬時(shí)未考慮溫度變化,因此只需考慮質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒。

對于不可壓縮粘性流動(dòng)的連續(xù)性方程為

式中:為哈密頓微分算子;v為速度矢量。

動(dòng)量方程的本質(zhì)是滿足牛頓第二定律,據(jù)此可導(dǎo)出粘性不可壓縮流動(dòng)的動(dòng)量方程為

式中:T為粘性應(yīng)力張量;ρ為工作介質(zhì)密度;p為粘性流體平均意義上的壓力;F為流體的質(zhì)量力

(1)式和(2)式合稱為Navier-Stokes方程組,目前計(jì)算機(jī)計(jì)算能力難以對此瞬態(tài)流動(dòng)控制方程進(jìn)行精確求解,而時(shí)均化Navier-Stokes雷諾方程將瞬態(tài)的脈動(dòng)量通過某種模型在時(shí)均化方程中體現(xiàn)出來。雷諾方程避免了計(jì)算量過大的問題,是目前工程數(shù)值模擬最常用的方法[4]。

2.2 湍流模型

為了更加準(zhǔn)確地計(jì)算空氣預(yù)濾器內(nèi)流場,還需要選擇合適的湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是工程上應(yīng)用最廣泛的模型,但不適用于具有較大壓力梯度、強(qiáng)分離流、強(qiáng)旋流和大曲率流動(dòng)。針對空氣預(yù)濾器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)流場,采用了重組化群k-ε模型(RNG k-ε模型),它是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型基礎(chǔ)上發(fā)展而來,通過大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響,能夠準(zhǔn)確地考慮各項(xiàng)異性,如旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、浮力效應(yīng)、曲率效應(yīng)和近壁面效應(yīng)等[5]。

2.3 計(jì)算區(qū)域的離散

計(jì)算區(qū)域的離散即對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,建立相應(yīng)的控制體積和節(jié)點(diǎn),并將連續(xù)的計(jì)算區(qū)域劃分成有限個(gè)離散、無重疊的控制體積,在每個(gè)控制體積內(nèi)應(yīng)用控制方程的守恒型式,從而得到代數(shù)方程。空氣預(yù)濾器瞬態(tài)流動(dòng)計(jì)算采用全流道模型,利用多流動(dòng)區(qū)域耦合方法[6],將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為進(jìn)氣導(dǎo)向區(qū)域、旋轉(zhuǎn)器區(qū)域、排塵區(qū)域及出氣口區(qū)域四部分(見圖2),各區(qū)域之間的采用interface端面耦合傳遞流場數(shù)據(jù)。

圖2 計(jì)算模型Fig.2 Computational model

計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格利用ANSYS ICEM CFD前處理軟件生成。進(jìn)氣導(dǎo)向區(qū)域采用周期性方法劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,在導(dǎo)向葉片近壁面附近采用O型網(wǎng)格剖分,能夠獲得高質(zhì)量的近壁面網(wǎng)格;排塵口區(qū)域是相對規(guī)則的結(jié)構(gòu),亦采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格策略;旋轉(zhuǎn)器區(qū)域結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,采用八叉樹方法生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;出氣口區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將整個(gè)空氣預(yù)濾器內(nèi)流道模型分成四個(gè)區(qū)域分別劃分網(wǎng)格,采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的分塊混合網(wǎng)格技術(shù)能夠在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí),大大縮小網(wǎng)格規(guī)模[7]。

各區(qū)域生成計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示,網(wǎng)格裝配后整體計(jì)算區(qū)域生成283萬網(wǎng)格。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model

2.4 計(jì)算方法及邊界條件

Fluent采用有限體積法(FVM)離散控制微分方程。FVM是將所計(jì)算的區(qū)域劃分成一系列控制體積,每個(gè)控制體積都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)作代表,通過將控制方程對控制體積作積分導(dǎo)出離散方程。圖4為空氣預(yù)濾器CFD瞬態(tài)流場計(jì)算流程圖。

計(jì)算中采用分離式求解器,即分別求解Novier-Stokes方程組中連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。因旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器全流道計(jì)算模型較為復(fù)雜,綜合考慮計(jì)算的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性,壓力速度耦合算法采用SIMPLE算法,壓力離散格式采用PRESTO

圖4 CFD計(jì)算流程圖Fig.4 Flowchart of CFD calculation

格式(適用于高旋流),動(dòng)量方程的擴(kuò)散項(xiàng)和壓力項(xiàng)采用中心差分格式,對流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式,也可將低階算法和離散格式的計(jì)算結(jié)果作為高階格式的初始條件,以提高收斂速度和計(jì)算精度。

非定常計(jì)算的邊界條件具體設(shè)置為:進(jìn)氣口采用壓力進(jìn)口條件,出氣口采用速度出口,其大小可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量和預(yù)濾器出氣口橫截面積計(jì)算得出,各區(qū)域交界面設(shè)置為interface網(wǎng)格分界面,其他邊界都設(shè)為壁面條件。

2.5 滑移網(wǎng)格模型及用戶自定義函數(shù)

當(dāng)計(jì)算區(qū)域中同時(shí)存在運(yùn)動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域時(shí),Fluent可以采用動(dòng)參考系(MRF)模型、混合平面(MF)模型和滑移網(wǎng)格模型,其中只有滑移網(wǎng)格模型可以用于瞬態(tài)計(jì)算?；凭W(wǎng)格模型允許相鄰網(wǎng)格之間相對滑動(dòng),因此不需要在分界面上排列網(wǎng)格面。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)也可以對運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行瞬態(tài)模擬計(jì)算,但缺點(diǎn)是網(wǎng)格更新后難以保持較高的網(wǎng)格質(zhì)量,且需要耗費(fèi)更多的計(jì)算機(jī)硬件資源。ANSYS Fluent 13.0之后的版本提供了嵌入式滑移網(wǎng)格模型,從而可以替代動(dòng)網(wǎng)格,在某種程度上保證了網(wǎng)格質(zhì)量,也不會(huì)喪失太多的精度。

旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)器依靠發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣負(fù)壓驅(qū)動(dòng),其旋轉(zhuǎn)速度由內(nèi)流場決定。因此需要利用Fluent的用戶自定義函數(shù)UDF編譯實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)器的被動(dòng)旋轉(zhuǎn),利用DEFINE_CG_MOTION宏來指定旋轉(zhuǎn)器區(qū)域的運(yùn)動(dòng),該宏能夠指定每一時(shí)間步的速度和角速度,Fluent利用這些速度更新動(dòng)態(tài)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置。其基本思想是:根據(jù)旋轉(zhuǎn)器當(dāng)前的位置和角速度ω1計(jì)算出流場,利用UDF中的宏函數(shù)Compute_Force_And_Moment計(jì)算得到當(dāng)前旋轉(zhuǎn)器的力矩Tz,再根據(jù)(3)式計(jì)算旋轉(zhuǎn)器此刻的角加速度ω·1,假設(shè)旋轉(zhuǎn)器在接下來的微小Δt時(shí)間內(nèi)的角加速度不變,這樣便可根據(jù)(4)式計(jì)算出下一時(shí)刻旋轉(zhuǎn)器的位置。反復(fù)進(jìn)行以上過程,便可以得到旋轉(zhuǎn)器的運(yùn)動(dòng)軌跡。

式中:Jz為旋轉(zhuǎn)器相對于直角坐標(biāo)系z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,給定材料后,其數(shù)值可由UG三維建模軟件的高級質(zhì)量屬性直接讀出。

運(yùn)用C語言編寫UDF時(shí),還應(yīng)考慮滾動(dòng)軸承摩擦力矩對旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速的影響。軸承摩擦力矩受眾多因素的影響,如結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、加工、摩擦、潤滑、使用條件等,其中載荷和轉(zhuǎn)速對滾動(dòng)軸承的摩擦力矩影響最大[8]。綜合考慮編程與模擬計(jì)算的簡便性,在對計(jì)算結(jié)果影響不大的前提下,忽略轉(zhuǎn)速變化對滾動(dòng)軸承摩擦力矩的影響,將摩擦力矩取為定值。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算中設(shè)定空氣預(yù)濾器流量為14 m3/min,折合為出口速度為30 m/s,進(jìn)口壓力設(shè)置為相對壓力0 Pa.首先設(shè)定轉(zhuǎn)子為靜止壁面,進(jìn)行定常計(jì)算,待計(jì)算收斂后再進(jìn)行非定常計(jì)算。時(shí)間步長Δt= 0.002 s,經(jīng)過500個(gè)時(shí)間步,流動(dòng)時(shí)間t=500×Δt= 1 s時(shí),空氣預(yù)濾器旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定(見圖5).

3.1 摩擦阻力對旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速的影響

分別計(jì)算了滾動(dòng)軸承摩擦阻力矩T為0 N·m、0.10 N·m、0.15 N·m和0.20 N·m時(shí)空氣預(yù)濾器的內(nèi)流場。旋轉(zhuǎn)器在不同摩擦阻力矩下轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化情況如圖5所示,轉(zhuǎn)速隨著摩擦阻力矩的增加而降低,符合實(shí)際情況。因此通過試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法,確定摩擦阻力矩,將試驗(yàn)實(shí)測的摩擦阻力矩用于空氣預(yù)濾器數(shù)值模擬,以提高數(shù)值模擬的精確性[9]。

圖5 計(jì)算過程中旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.5 Rotor speed curves in the calculation process

3.2 壓力速度云圖

選取摩擦阻力矩T為0.15 N·m的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖6所示為空氣預(yù)濾器整體橫、縱向截面及旋轉(zhuǎn)器表面相對總壓力(即靜壓+動(dòng)壓)隨計(jì)算時(shí)間的變化情況。定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始條件,非定常計(jì)算開始階段,旋轉(zhuǎn)器所受轉(zhuǎn)矩較大,因此旋轉(zhuǎn)角加速度較大,旋轉(zhuǎn)器加速旋轉(zhuǎn),通過網(wǎng)格交互面進(jìn)行能量傳遞,1.0 s時(shí)計(jì)算結(jié)果區(qū)域穩(wěn)定。整個(gè)計(jì)算是循環(huán)計(jì)算過程,也是計(jì)算值不斷修正、接近真實(shí)值的過程。

圖7和圖8分別為預(yù)濾器內(nèi)部速度矢量圖和等值線圖,是反映流場內(nèi)部速度變化、旋渦及回流的有效手段。在出氣口附近產(chǎn)生了漩渦,造成了動(dòng)壓損失,而此處的漩渦對提高空氣預(yù)濾器過濾效率無益,因此需要改進(jìn)出氣口以減小此處的動(dòng)壓損失。導(dǎo)向葉片下游喇叭口內(nèi)側(cè)出現(xiàn)漩渦,是由于氣流在此處發(fā)生較大轉(zhuǎn)向,由此造成的動(dòng)壓損失直接影響空氣預(yù)濾器過濾效率,因此需要對喇叭口結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。

3.3 數(shù)值模擬誤差分析

CFD數(shù)值計(jì)算不可能完全模擬實(shí)際工況,因此計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。分析研究CFD數(shù)值模擬產(chǎn)生誤差的原因有利于提高計(jì)算精度。文中空氣預(yù)濾器數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在誤差的原因如下:

1)為了保證網(wǎng)格質(zhì)量,對空氣預(yù)濾器模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

2)數(shù)值計(jì)算中假定氣流無泄漏,全部從出氣口流出,未考慮排塵口的空氣泄漏量;且對旋轉(zhuǎn)器滾動(dòng)軸承的摩擦力矩進(jìn)行了簡化處理。

3)RNG k-ε湍流模型還不能考慮到所有非定常因素對湍流結(jié)構(gòu)影響,這也是計(jì)算時(shí)均化方程的固有缺陷,應(yīng)逐步研究采用大渦模擬法及直接模擬法。

圖6 全壓云圖Fig.6 Total pressure nephogram

4)計(jì)算時(shí)將空間連續(xù)場進(jìn)行有限離散,受計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制,在復(fù)雜計(jì)算域劃分的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量有限,且網(wǎng)格間尺寸差異造成數(shù)據(jù)在網(wǎng)格單元間傳遞時(shí)存在數(shù)值損失。

4 結(jié)論

1)逆向工程三維建模技術(shù)可以為CFD提供良好的前處理幾何模型。

圖7 速度矢量圖(t=1.0 s)Fig.7 Velocity vector diagram(t=1.0 s)

圖8 速度等值線(t=1.0 s)Fig.8 Contoured velocity(t=1.0 s)

2)提出了采用滑移網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值計(jì)算瞬態(tài)、時(shí)均化的旋轉(zhuǎn)自潔式空氣預(yù)濾器三維湍流流動(dòng)控制方程的計(jì)算方法,并利用UDF控制旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)速由空氣預(yù)濾器內(nèi)流場實(shí)時(shí)控制的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)數(shù)值模擬。

3)提出的空氣預(yù)濾器三維湍流瞬態(tài)計(jì)算方法在空氣預(yù)濾器瞬態(tài)流場計(jì)算方面有所突破。

4)運(yùn)用該方法能夠較為真實(shí)地計(jì)算空氣預(yù)濾器內(nèi)部流場分布情況,較為明顯地發(fā)現(xiàn)影響空氣預(yù)濾器性能的結(jié)構(gòu)因素,從而為性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。

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Numerical Simulation of Rotary Self-cleaning Air Pre-filter Based on CFD

TAN Ye-fa1,DONG Gui-yang1,TAN Hao-guang2,TAN Hua1,WANG Xiao-long1
(1.College of Field Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,Jiangsu,China;
2.Graduate School of Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,Inner Mongolia,China)

An effective computational method is provided for the design and performance optimization of new efficient air pre-filter.The method can be used for the numerical simulation of transient turbulent flow in air pre-filter.A 3D geometric model of rotary self-cleaning air pre-filter flow channel is established by FARO-LDI 3D laser scanning measurement system which is used for reverse modeling.The hybrid grid of flow channel is generated by ANSYS ICEM CFD.The passive rotation of the rotating impeller is achieved by the user-defined function and the sliding mesh model of the multi-flow region coupling algorithm in Fluent.The RNG k-ε turbulence model and PRESTO pressure discrete format are used in the simulation,SIMPLE algorithm with first order upwind format is used for pressure-velocity coupling,and the central difference scheme is also used in the diffusion and pressure terms of the momentum equation. The results show that this method can be used accurately to calculate the flow field of air pre-filter and simulate the passive rotation state of rotating impeller.

fluid mechanics;air pre-filter;reverse engineering;computational fluid dynamics;user-defined function;numerical simulation

TK413.4+6

:A

1000-1093(2014)03-0409-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.018

2013-01-30

譚業(yè)發(fā)(1963—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:tanyefa7651@163.com;董貴楊(1986—),男,碩士研究生。E-mail:dongguiyang6861688@163.com