基于FLUENT的汽油滤清器内部流场数值模拟

汤哲鹤

(江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330000)

基于FLUENT的汽油滤清器内部流场数值模拟

汤哲鹤

(江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330000)

基于FLUENT流体分析软件，研究某车型汽油滤清器的内部流场，通过数值模拟既能掌握滤清器内部流动特性，也能为优化滤清器结构设计提供理论基础。在汽油滤清器工作时，滤纸能过滤汽油中孔径较大的颗粒与水，从而导致滤清器内部存在较大的压降。数值模拟结果表明：当t=0.01 s时，进出口的压差Δp=136 kPa，但是随着时间的推移压降快速下降；当t=0.1 s时，压降减少的幅度降低，此时Δp=17 kPa；当t=0.15 s以后，压降趋于稳定，Δp=11 kPa。数值模拟结果表明：此款滤清器在压降性能方面表现良好，满足低压燃油系统对滤清器的要求(≤20 kPa)。

滤清器；内部流场；压降；FLUENT仿真

0 引言

汽油滤清器作为燃油系统的重要配件之一，其性能直接影响发动机的使用性能和工作寿命。同时，还关系到发动机的经济性和动力性。其主要工作原理是依靠其内部滤芯的多孔介质结构将汽油中有害发动机的较大颗粒物质和水分离，并且将干净的汽油输送到气缸内燃烧。与此同时，滤清器以一定回油方式(短回油、长回油或者无回油)，将多余的燃油返回到油箱。图1所示为Bosch某款电喷式汽油发动机系统，汽油在系统中的流动方向如图所示。

从图1可知，滤清器通常布置在高压油泵和低压油泵之间，这种布置方式具有结构简单、工作可靠的特点。这主要是由于滤清器通常需要工作在较高的压力下，这样才能有效去除燃油中的杂质和水，并且保证过滤后的燃油仍具有较高压力抵达高压油泵。

目前，我国滤清器行业发展迅猛，但是和发达国家相比仍存在较大的差距。国内OEM的配套已大部分实现国产化，但是正向研发的全新产品极少，基本停留在对国外产品样件的测绘阶段。较有名的滤清器厂家目前分布在安徽蚌埠、河南新乡和浙江温州等地，其设计大多是基于国外产品进行逆向设计，这种设计方法需要投入较大的成本和周期。

图1 博世电喷式汽油发动机系统

但是，国际上实力较强的滤清器公司先后在国内建立合资或外资企业，如SOFIMA、弗列加、Donaldson等公司，在国际市场开发经验和研发能力等方面都很强[1]，特别与OEM的匹配优势使其在国内占尽先机，并且其配套范围是不断扩大，对国内滤清器行业形成挤压态势。

近年来，我国科研机构与高等院校对汽油滤清器的研究大多停留在台架试验方面，比如上海第二工业大学的科研工作者们通过搭载台架试验，采用采集滤清器数据和试验相结合的方法，主要通过调节进口与出口的流量，分析一定压力和流量条件下，滤清器过滤杂质的性能参数[2]。随着CFD(Computational Fluid Dynamics)软件分析技术的逐渐发展，许多高校与企业的科研工作者们开始逐步使用它进行流场问题的分析。滤清器的过滤介质即滤纸，可以看作流体中的多孔介质模型，因此可以将滤清器的流场问题用FLUENT进行数值模拟。据调查，目前运用FLUENT进行滤清器内部流场分析还是比较少，但是在空气滤清器领域已经比较成熟，如吉林大学成凯教授成功运用FLUENT软件对车辆空气供给系统做了流场分析模拟，山东工业学院王仁人课题组用FLUENT对发动机中空气滤清器进行气固两相流数值模拟[3]。

1 数学模型

1.1 流体力学基本控制方程

汽油在滤清器的流动受到物理方程控制，其主要的控制方程有质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。

1.1.1 质量守恒定律

任何流体的流动都必须满足质量守恒定律。其表达式如式(1)所示:

(1)

式中：u为流体在x方向上的速度，m/s;v为流体在y方向上的速度，m/s；w为流体在z方向的速度，m/s。

1.1.2 动量守恒定律

流体在运动过程中，需要满足动量守恒定律，如式(2)所示：

(2)

1.2 多空介质模型理论基础

多空介质是指具有多孔骨架构成的空隙空间中充满单相或者多相的复杂介质，比如燃油系统中滤清器的滤芯、碳罐的碳粉[4-5]等。从广义上说，大部分材料都属于多孔介质。

滤清器的工作原理主要是通过滤纸过滤掉有害发动机的较大颗粒杂质和水，因此滤纸就是多孔介质。从本质上说，多孔介质模型就是在动量方程(2)中增加一个代表动量的消耗源项，如式(3)所示:

(3)

式中：μ为流体的动力黏度，Pa·s；α为多孔介质的渗透性；C2为惯性阻尼因子；vmag为绝对速度，m/s；vi为i方向上的速度，m/s。

流体在流过多孔介质时，通常被看成是层流流动，压降正比于速度。如果常数C2=0，忽略对流加速和扩散，多孔介质就简化为Darcy定律[6]，如式(4)所示：

(4)

2 有限元模型的建立

文中分析的滤清器内部流场是以某车型上的滤清器为研究对象，实物如图2所示。采用3D软件CATIA V5将此实物建成3D数模，如图3所示。

图2 滤清器实物图 图3 几何图形

将所建立的几何模型保存为stp格式，并导入ANSYS Workbench平台中进行网格划分。由于此几何图形比较规则，因此网格划分比较简单，但是需注意对几何图形的壁面进行边界层处理，加入inflation命令，并控制好边界层的层数和比例。当网格划分完毕，建立的有限元模型如图4所示。其中节点 168 492个，单元 357 414个。流体的材料为93号汽油(国V92号)，入口速度1.09 m/s，出口压力500 kPa。

图4 有限元模型

3 边界条件设定

当流体从入口进入滤清器时，此时为湍流流动[7]，但是在滤清器的滤芯流动时为层流流动。由于文中只分析滤清器的内部流场，因此不会与周围进行能量交换，在FLUENT软件的设置面板上不需要打开能量方程。

3.1 速度边界条件

此车型的滤清器采用的是短回油的回油方式，低压油泵提供的流量Q=110 L/h,因此速度v如式(5)所示：

v=Q/S

(5)

式中：S为滤清器入口的横截面积，m2。

3.2 出口压力

除了主要的速度边界，滤清器的出口处安装背压阀pback=500 kPa，保证提供给发动机的燃油压力在一定的范围内。

3.3 其他边界

其他边界条件全部设置成wall，各流体与多孔介质的交界面设置成interior。

4 模型验证与仿真结果分析

4.1 模型验证

文中所建立模型的正确性验证是通过OEM提供的DVP上的初始压差Δp≤20 kPa和供应商对滤清器2D图纸的技术要求内对初始压差的规定来判断的。

4.2 内部流场结果与分析

将建好的有限元模型导入FLUENT软件[8]中，同时，设置相应的边界条件，就可以计算出详细的结果。图5为滤清器内部的流线图。可以看出：燃油从入口进入滤清器内部时，先是将滤清器进口与隔板之间的空腔填满，将滤清器内的空气排出，然后随着进入燃油的增多，燃油通过滤芯过滤，从出口处流出，抵达发动机高压油泵。

图5 滤清器流线图

图6为滤清器内部隔板处的流线放大图，可以看出：滤清器在隔板处的流动不像其他地方温和且分布非常不均匀，出现较大的湍流现象，并且在此处出现一定的回流，甚至存在漩涡现象。存在漩涡必然会出现能量损失，导致出口压力降低。因此在设计滤清器时可以着重优化隔板，减少回流和漩涡的产生。

图6 隔板处局部放大图

图7为各时刻燃油滤清器内部在x=0处剖面的压降情况。

图7 各时刻x=0的截面压力图

可以看出：刚开始时，滤清器入口处汽油刚进入时，进出口的压差比较大，这是由于滤清器刚开始工作，进入的汽油将滤清器内部的空气排出，此时滤清器还没有稳定工作，出口处的压力比大气压大；随着时间推移，当t=0.07 s时，进出口处的压差急剧下降为22 kPa，开始接近供应商提供的数值，也说明此时滤清器快进入稳定工作状态；当t=0.1 s时，压降非常小，并小于供应商提供的压差Δp=20 kPa，说明此款滤清器的工作性能较好，在压降方面完全符合设计要求。

图7(f)为滤清器在t=0.15 s时，滤清器横截截面z=0方向上，从壁面到滤芯处的压降情况，可以看出：压力从壁面到滤芯逐渐降低，因此可以说滤芯两侧存在压差，满足多空介质渗流特性。图8为t=0.01 s、t=0.07 s、t=0.15 s各时刻，z=0横截面，沿着y方向(壁面到滤芯)各点的压力曲线图。可以看出：不管滤清器工作在什么时刻，滤芯均存在相近的压降，压降大概为6.5 kPa。同时，也说明t=0.15 s以后，滤清器的主要压降基本上是滤芯导致的。因此在设计滤清器时，滤芯的优化是最关键的。

图8 各时刻沿y方向的压力曲线

5 结论

运用FLUENT流体分析软件对实际使用在某款车型上的滤清器进行数值模拟，得出结论如下：

(1)从滤清器的流线图可以看出，汽油从滤清器的进口到出口，在隔板处的流线位置最紊乱，并且出现一定漩涡，产生较大的能量损失，这为以后滤清器内部结构设计提供一定的理论基础。

(2)滤清器刚开始工作时，压差较大。随着时间推移，当t=0.15 s时，压降逐渐稳定，压差为11 kPa且此时的压差大多在滤芯处，这为滤清器的性能设计提供相应理论基础。

(3)滤清器在工作过程中，汽油通过滤纸即多孔介质是一系列复杂的过程，采用更为合理的多孔介质模型，主要是黏滞阻力和惯性阻力等相关系数确定，这需要借助一定的试验。因此，相应的试验与数值模拟分析软件相结合是滤清器未来研发的必然趋势。

【1】梁洁.关于电喷汽油滤清器的试验研究[J].内燃机与配件,2012(3):4-5. LIANG J.Test Study on EFI Petrol Filter[J].Internal Combustion Engine & Parts,2012(3):4-5.

【2】李方俊.TEFLON喷涂金属网分离率芯压差性能的研究[J].液压气动与密封,2006(1):34-36. LI F J.Study on Differential Pressure of TEFLON Coating Wire Mesh Separator[J].Hydraulics Pneumatics & Seals,2006(1):34-36.

【3】王伟,王仁人,张良.基于CFD的内燃机空气滤清器气固两相流数值模拟[J].德州学院学报,2010,26(2):77-81. WANG W,WANG R R,ZHANG L.Numerical Simulation of Gas-solid Two-phase Flow in Air Filter of Internal Combustion Engine Based on CFD[J].Journal of Dezhou University,2010,26(2):77-81.

【4】BAI X,ISAAC K M,BANERJEE R,et al. Multidimensional,Time-accurate CFD Simulation of Adsorption/Desorption in a Carbon Canister[R].SAE Paper,2003(No.011003).

【5】BAI X,ISAAC K M,BANERJEE R,et al.Modeling and Simulation of N-butane Adsorption/Desorption in a Carbon Canister[R].SAE Paper,2003(No.011680).

【6】FABBROL D L,BRUN P,LABORDE J C,el al.Study of the Clogging of Industrial Pleated Filters by Solid Particles[J].Journal of Aerosol Science,2000,31(S1):210-211.

【7】LIND H,KOPING N.Descending Bed,Continuously Regenerating Type Filter with an Adjustable Length Wash Chamber:U.S.6387283 B1[P].2002-05-14.

【8】江帆,黄鹏.Fluent高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008:47-49.

【9】谭旭,李方军.过滤分离器流场的CFD模拟分析[J].液压与气动,2011(11):102-104. TAN X,LI F J.The Flow Field CFD Simulation of Filter/Sperator[J].Chinese Hydraulics and Pneumatics,2011(11):102-104.

Numerical Simulation of the Internal Flow Field of Gasoline Filter Based on FLUENT

TANG Zhehe

(Jiangling Motors Co.,Ltd.,Nanchang Jiangxi 330000,China)

The objective of this study was to analyze the internal flow field of gasoline filter, then to grasp the internal flow field clearly and to provide theoretical basis for optimizing structure design. When the filter is operated, filter paper can filter the bigger particle and water out, there should be pressure drop. The numerical simulation results show that att=0.01 s,Δpis about 136 kPa, but it will decrease sharply with the time going on; att=0.1 s,Δp=17 kPa, the pressure drop is decreasing slowly; att=0.15 s,Δp=11 kPa, after that time, the pressure drop is steady, although the time is going on. From the numerical simulation results, it is known that this filter has a good performance in pressure drop. It can meet the fuel system requirements in gasoline filter.

Gasoline filter; Internal flow field; Pressure drop; FLUENT simulation

2016-10-11

汤哲鹤(1989—)，硕士研究生，目前主要从事燃油系统工作。E-mail:85875842@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.02.010

U463.1

A

1674-1986(2017)02-039-05