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1、基于SolidWorksFlowSimulation的滤清器过滤效果分析发表时间：2014-2-18 作者：陈璟*梁健*周金卿*邓昌建 来源：万方数据关键字：SolidWorks Flow Simulation滤清器过滤效果分析应用SolidWorks软件的Flow Simulation插件对一款典型的发动机滤板式滤清器核心部件进行CFD分析通过流体动力学仿真分析，可以直观地得到滤清器内部空气的流线分布，获得内部流体速度场切片云图。通过粒子轨迹示踪法，模拟三种不同粒径的杂质在滤清器内部的运动过程，可预测该款滤板式滤清器对气 流中不同粒径杂质过滤效果，以便于下一步对产品结构进行优化设计。发动机在
2、工作时，需吸入大量空气，若空气中含有灰尘等杂质将会加剧发动机内部零件的磨损；若空气中曲轴润滑油的油滴随空气流入发动机内，则这些油滴混在燃油内与空气一起发生燃烧反应，会导致 大量浓烟。因此，为了最大限度地避免这些现象，必须在发动机前安装空气滤清器。本文所涉及的模型，是一款典型空气滤清器的核心部件，该部件有一个入口，一个岀口，内置一块滤板，其中该内置滤板通过改变气流路径来分离岀空气中的油滴等杂质。本文采用专业的计算流体动力学分析软件 SolidWorks Flow Simulation对气流经过滤清器过程进 行数值模拟，通过粒子追踪方法，评估了该滤清器对三种尺寸（8卩m 13卩m和18卩油滴等杂质
3、的过滤效果。本文CFD分析的目标是，评估该结构的滤清器对不同尺寸油滴等杂质过滤效果，并用P=1-Moutlet/Minlet来计算预测的过滤量。其中：Moutlet及Minlet分别表示流经入口及出口的质量流量一、模型简化及数值模拟假设1. 简化模型创建空气滤清器的原始模型含有缸套、密封垫、活塞环及螺栓等部件，比较复杂。为方便计算分析，本文对原始模型进行了简化处理，其基本结构组成及坐标系如图1所示。图1滤清器模型结构出口Ondet人口霸TM lit RcKimCmucaed 各 raieti TfTTT 專CunncCTcd模型由壳体、入口、出口和滤板四部分组成。滤板将壳体分隔成左右腔室， 入
4、口和出口皆在壳体上, 壳体腔内高200mm内径为80mm入口和出口直径均为 14mm流体经入口进入第一腔室，遇到滤板阻隔，整体向下流动，从相通处流至第二腔室，再经出口流出。其中流体经入口的质量流率为0.0001kg/s，沿法向进气，出口处边界条件为默认数值：101325Pa和293.15K。2. 数值模拟假设滤清器对不同尺寸油滴等杂质的过滤效果用P=1-Moutlet/Minlet来计算预测实现的过滤量，因实际问题中杂质及油滴相对整个气体质量流量很小，对气体流动的影响甚微，所以，可用粒子示踪法来模拟 小颗粒随气流的运动状况。这类数值模拟分析是基于以下假设：示踪粒子是有体积（直径可设定）的质 点
5、；示踪粒子对流场无影响；示踪粒子之间无相互作用；示踪粒子的运动完全由流场决定。二、前处理1.初始设置及边界条件使用SolidWorks Flow Simulation中的向导进行初始设置：国际制 （SI）长度单位为mm入口体积流率单位为m/s ;分析类型为内部流动，排除内部没有流动条件的空腔；流体为空气；默认初始条件。边界条件设置：入口流体的质量流率为 0.0001kg/s，沿法向进气，出口处边界条件按默认为101325Pa及293.15K。通过“检查模型”显示状态正常，分析类型为内部，流体体积为0.000989057m3，如图2所示。图2计算流体对象2.网格划分条件本模型虽结构简单，在采用自
6、动设置的情况下，“初始网格的级别”设为 4级精度即可，因滤板厚度为2mm则“最小壁厚”设为 2mm滤板附近网格可细化，选择“优化薄壁面求解”（图 3）。由于本模 型结构较简单，其默认画出 2万多个流体网格和1万多个部分网格（即固体与流体边界的网格）。图3初始网格设置三、结果分析1.速度分布云图图4是内部流体速度场分布示意图，从图中可知，最大速度区域位于气体入口及出口处；图4中(a)是以入口中心轴向做的速度云图，从图中可知，入口处的流体速度场较大，这与实际情况非常吻合。同时 也可以发现因受到滤板的阻挡，流体速度迅速下降， 并向四周分流。图4中(b)是以出口中心轴向做的速度云图，从图中可知，出口处
7、的流体速度场较大，这与实际情况也非常吻合。上人cr才向海体龄速度切片 b )曲口才命滬加燈也損图4速度切片2.流动轨迹图5是用“流动轨迹”的方式直观地显示内部流体速度场分布，从图中颜色可看岀流体的速度，而箭头表示出流体的运动轨迹，SolidWorks Flow Simulation还可以做出动画，能更直观地模拟出流体从进到岀的整个动态过程。从图5中可知，流体从入口进入第一腔室后，因遇到滤板阻碍而向四周分流，并形成一个小漩涡，然后辗转从相通处流至第二腔室，最后从岀口流岀，这与实际情况非常吻合。11 4M IdeilMluu433.313 2M51W jsi Mg啊t HIi 一 I图5内部流场的
8、流动轨迹3. 粒子示踪为了更好地模拟油滴等杂质在滤清器壳体内的运动情况，可用“粒子研究”来预测滤板对不同粒径的油滴等杂质的过滤效果。依据实际情况，对在滤清器流场内可能存在的三种不同尺寸(8卩m 13卩m和18卩m)的粒子进行研究。如图6中(c)所示，在“注入”中设了三个不同尺寸，具体设置过程如图6中(d)所示，评估本结构滤清器对这三种尺寸杂质的过滤效果。项目项目屈性埶曲绘KlKP：数值名称Tutorial 血tor Oil:注程油闰粒子材料屈性;密度900 2*3功力粘度0.01 PaW比热(Cp)1900 (leg%)0.2W4mX)生北效应b)ts 辺?*匕| Inlet Air Voum
9、e Flow門 Outlet Static frensure輕 GG Torque (Y) 1 汽 SG Ay Statx pressure 1 啓t Pressure Drop占 SS 1S g 1扫沁!丰金農SgQ Surface Pa：ranneterc 1H XYB呂回！用 Gc.lD以 1图6粒子研究的相关设置设置油滴的材料属性，如图 6中(a)所示。以粒子直径为 8卩m为例，如图6中(d)所示，其跟随流 体从入口进入。选择入口的内表面为起始，设置显示200个点，“粒子属性”下直径设为0.008mm选择早前已定义的油滴材料。因考虑到油滴粒子的重力，在“粒子分析”中设置好重力方向及重力
10、加速度。另，因油滴在滤清器运动时，易吸附在壁面及滤板上，在“Default Wall Condition上选择“吸收”，如图6中(b)所示。以类似方法定义 13卩m及 18 的粒子注入。运行后，结果如图7所示：可直观地看到，随着油滴粒径增加，滤板的效果愈加明显。每种粒径油 滴的过滤效果可通过在“表面参数”选项下选择岀口的内表面，查看流经岀口的粒子数量，在200个粒子中，8卩m粒径的油滴有19个随流体流出，13卩m粒径的油滴有0个随流体流出，18卩m粒径的油滴有0个 随流体流出。因此，用P=1-Moutlet/Minlet计算得出该结构的滤清器对 8卩m粒径的油滴阻隔效果是 91%对13 gm和18 g m粒径的油滴阻隔效果是 100%图7三种不同粒径的粒子示踪轨迹四、结语CFDSolidWorks Flow Simulation可以很好地解决滤清器内部包含油滴及灰尘等粒子的复杂流体计算司题。通过后处理可以直观获得流体粒子、速度场和压力场的运动状况，为优化产品结构设计提供了1020卩m这个范围，则可则需要再进一步进行 CFD有力的参考，如通过汽车实际测试，需要滤清器过滤的大部分油滴粒子尺寸在 以适当增加滤板的长度，以充分过滤油滴粒子。至于滤板需要增加至多长的尺寸, 流体分析验证。