一種預(yù)測(cè)干濕復(fù)合式空氣濾清器壓力損失的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種預(yù)測(cè)干濕復(fù)合式空氣濾清器壓力損失的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣濾清器是內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣過(guò)濾部件，用于過(guò)濾空氣中的灰塵和雜質(zhì)， 延長(zhǎng)內(nèi)燃機(jī)的壽命。干濕復(fù)合式空氣濾清器通過(guò)油浴和紙濾芯對(duì)空氣進(jìn)行兩次過(guò)濾。工作 時(shí)，空氣和灰塵自進(jìn)氣口流入后，先進(jìn)入油浴室，由飛濺的油花將空氣中的絕大多數(shù)灰塵等 雜質(zhì)吸附，并沉積于油底殼內(nèi)；然后再經(jīng)過(guò)鋼絲濾網(wǎng)過(guò)濾，進(jìn)入到干式空濾室，再經(jīng)一級(jí)和 二級(jí)濾芯進(jìn)一步過(guò)濾，保證氣缸中進(jìn)入足量、清潔的空氣。目前對(duì)空氣濾清器內(nèi)部流場(chǎng)的研 究主要有兩種方法：實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。柴油機(jī)重型卡車干濕復(fù)合式空氣濾清器的結(jié)構(gòu)比較 復(fù)雜，其內(nèi)部的流體流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力損失計(jì)算比較困難，一般只能通過(guò)數(shù)值模擬才 能知道內(nèi)部流動(dòng)和壓損情況，但這種數(shù)值模型計(jì)算復(fù)雜繁瑣，很不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決以上技術(shù)上的不足，本發(fā)明提供了一種計(jì)算簡(jiǎn)單方便的預(yù)測(cè)干濕復(fù)合式空 氣濾清器壓力損失的方法。
[0004] 本發(fā)明是通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明的一種預(yù)測(cè)干濕復(fù)合式空氣濾清器壓力損失的方法，其特征在于：首先， 將干濕復(fù)合式空氣濾清器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為首尾相連且管徑不同的串聯(lián)管段，然后，分析得出 流體經(jīng)過(guò)每個(gè)管段以及在相鄰兩個(gè)管段之間過(guò)渡時(shí)的壓力損失解析式，并建立一維計(jì)算模 型；最后，在一維計(jì)算模型中，根據(jù)壓力損失解析式計(jì)算出所有壓力損失值，并將所有壓力 損失值累計(jì)相加。
[0006] 上述劃分出的若干管段依次為：0_1段為入口部分的圓管段，1-2段為入口部分 的扁形管段，2-3段為格柵以下、油池液面以上、鋼絲濾網(wǎng)以下的扁形管段，3-4段為鋼絲濾 網(wǎng)，4-5段為鋼絲濾網(wǎng)上部的扁形管段，5-6段為粗濾器出口到精濾器一級(jí)濾芯外側(cè)的圓筒 段，6-7段為精濾器一級(jí)濾芯，7-8段為精濾器一級(jí)濾芯內(nèi)側(cè)到精濾器二級(jí)濾芯的外側(cè)的圓 筒段，8-9段為精濾器二級(jí)濾芯，9-10段為精濾器二級(jí)濾芯內(nèi)側(cè)軸向到出氣口的圓管段。
[0007] 上述對(duì)于3-4段，建立鋼絲濾網(wǎng)多孔介質(zhì)模型，其壓力損失有如下表達(dá)式：
[0009] 式中：K為多孔介質(zhì)的穿透率，與速度為準(zhǔn)線性關(guān)系，如下式：
[0011] 式中：a y β = 1，2,3)，分別為三個(gè)正交坐標(biāo)軸方向的系數(shù)，在各向同性多孔 介質(zhì)中，α = CX1= α 2= α 3，β = P1= β 2= β 3;兩個(gè)阻力系數(shù)α和β的值由以下 公式確定：
[0014] 式中：P為流體的密度；f為無(wú)量綱量f = 0. 5 ;Dp為多孔介質(zhì)孔的直徑，μ為流 體的動(dòng)力粘度，流體流動(dòng)狀態(tài)為紊流，β為零；
[0015] 對(duì)于6-7段、8-9段，建立濾芯部分多孔介質(zhì)模型，使用以下數(shù)學(xué)模型來(lái)求得壓降：
[0017] 式中：μ為流體的動(dòng)力粘度；Ct為粘性阻力系數(shù)；C為慣性阻力系數(shù)；P為流體的 密度；V為流體的平均速度；δ為濾紙的厚度。
[0018] 上述對(duì)于0-1段和9-10段，圓管紊流的沿程壓力損失為：
[0020] 式中：λ為紊流沿程阻力系數(shù)；1為管道的長(zhǎng)度；d為管徑的直徑；P為流體的密 度；V為流體的平均速度；
[0021] 對(duì)于1-2段、4-5段和7-8段，非圓管的沿程壓力損失為：
[0023] 式中：A為流通截面面積；X為濕周長(zhǎng)度。
[0024] 上述對(duì)于1-2段，管路中管徑突然擴(kuò)大型的局部壓力損失為：
[0026] 其中
速度水頭對(duì)應(yīng)的局部阻力系數(shù)為
[0027] 對(duì)于2-3段，管路中管徑突然縮小型的局部壓力損失：
[0029] 式中：P為流體的密度；V為流體的平均速度，A為流通截面面積。
[0030] 上述2-3段、5-6段管路中管徑變化處為折管，串聯(lián)管路中折管處的局部壓力損失 為：
其中：
[0031] 式中，P為流體的密度；V為流體的平均速度；ζ為阻力系數(shù)。
[0032] 上述出口處彎管部分的局部壓力損失為：
其中：
[0034] 式中，P為流體的密度；v為流體的平均速度；ζ為阻力系數(shù)。
[0035] 本發(fā)明的有益效果是：本專利通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將干濕復(fù)合式空氣濾清器簡(jiǎn)化為管 徑不同的串聯(lián)管路來(lái)分析，分析每段的沿程壓力損失和過(guò)渡段的局部壓力損失，建立簡(jiǎn)單 的多孔介質(zhì)模型，給出流體在干濕復(fù)合式空氣濾清器內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的壓力損失的解析 式。此公式中不含任何經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，每個(gè)參數(shù)都有明確的物理意義，計(jì)算簡(jiǎn)單方便，對(duì)以后干 濕復(fù)合式空氣濾清器的性能研究具有重要的理論意義。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1為本發(fā)明中涉及的空氣濾清器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 圖2為本發(fā)明轉(zhuǎn)換以后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038] 其中：a進(jìn)氣口，b多孔介質(zhì)，c精濾器二級(jí)濾芯，d精濾器一級(jí)濾芯，e鋼絲濾網(wǎng)，f 油池。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
[0040] 本發(fā)明的一種預(yù)測(cè)干濕復(fù)合式空氣濾清器壓力損失的方法，忽略雜質(zhì)對(duì)流動(dòng)的影 響，流動(dòng)過(guò)程中認(rèn)為流體密度不變是不可壓縮的牛頓流體，具有粘性，紊流，濾網(wǎng)尺寸小、數(shù) 量多、采用多孔介質(zhì)b進(jìn)行分析，把流動(dòng)管路看成是由不同直徑的管段首尾相連而組合成 的串聯(lián)管路，如圖1所示。本專利從理論上研究干濕復(fù)合式空氣濾清器內(nèi)流動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的 壓降，建立了干濕復(fù)合式空氣濾清器壓力損失的一維模型。
[0041] 1. 3多孔介質(zhì)b模型的建立
[0042] 1. 3. 1鋼絲濾網(wǎng)e部分多孔介質(zhì)b模型的建立
[0043] 將鋼絲濾網(wǎng)e部分簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)b，用分布阻力來(lái)考慮固體構(gòu)件對(duì)動(dòng)量變換的 影響。流體以一定速度穿過(guò)多孔介質(zhì)b時(shí)的壓力損失有如下表達(dá)式 [2]:
[0045] 式中：K為多孔介質(zhì)b的穿透率，與速度為準(zhǔn)線性關(guān)系，如下式：
[0047] 式中：Q j，P jU = 1，2,3)，分別為三個(gè)正交坐標(biāo)軸方向的系數(shù)，在各向同性多孔 介質(zhì) b 中，a = α 1= α 2= α 3，β = β 丄=β 2= β 3。
[0048] 由STAR-⑶軟件說(shuō)明書中關(guān)于多孔介質(zhì)b參數(shù)的設(shè)置介紹，知各向同性的多孔介 質(zhì)b的參數(shù)的兩個(gè)阻力系數(shù)α和β的值由以下公式確定：

[0051] 式中：P為流體的密度；f為無(wú)量綱量f = 0. 5 ;Dp為多孔介質(zhì)b孔的直徑，μ為 流體的動(dòng)力粘度。
[0052] 1. 3. 2濾芯部分多孔介質(zhì)b模型的建立
[0053] -對(duì)于濾紙的處理，一般采用多孔介質(zhì)b模型。與一般流體流動(dòng)情況類似，經(jīng)過(guò)多 孔介質(zhì)b的流動(dòng)也是需要考慮層流和湍流情況的。對(duì)于層流，流過(guò)多孔介質(zhì)b的流動(dòng)遵循 Darcy定律。對(duì)于湍流，可對(duì)達(dá)西定律修正，在簡(jiǎn)單、均勻的多孔介質(zhì)b上可使用以下數(shù)學(xué)模 型來(lái)求得壓降。
[0055] 式中：μ為流體的動(dòng)力粘度；α為粘性阻力系數(shù)；C為慣性阻力系數(shù)；P為流體的 密度；V為流體的平均速度；δ為濾紙的厚度。
[0056] 1. 4數(shù)學(xué)模型
[0057] 1. 4. 1沿程壓力損失
[0058] 圓管紊流的沿程壓力損失為：
[0060] 式中：λ為紊流沿程阻力系數(shù)；1為管道的長(zhǎng)度；d為管徑的直徑；P為流體的密 度；V為流體的平均速度。
[0061] 非圓管的沿程壓力損失，用當(dāng)量直徑4來(lái)代替相關(guān)計(jì)算式中的管道直徑d，流動(dòng)計(jì) 算可適用于任意形狀的過(guò)流斷面（流通截面面積A仍以實(shí)際截面面積計(jì)算）。則水力半徑 為
[0063] 當(dāng)量直徑為
[0067] 1. 4. 2管路中管徑突然擴(kuò)大型的局部壓力損失
[0068] 在專利的研究中，把1-2處的過(guò)渡看作是管徑突然擴(kuò)大型，所以局部壓力損失為 [
[0070] 其中
速度水頭對(duì)應(yīng)的局部阻力系數(shù)為
[0072] I. 4· 3管路中管徑突然縮小型的局部壓力損失
[0073] 在專利的研究中，把2-3處的過(guò)渡看作是管徑突然縮小型，所以局部壓力損失為
[0075] 1. 4. 4串聯(lián)管路中折管處的局部壓力損失
[0076] 在2-3到3-3過(guò)渡的管路中管徑變化處為折管，由知局部壓力損失仍為
(其中
[0078] 1. 4. 5出口處彎管部分的局部壓力損失
[0079] 彎管的局部損失仍為
其中由知
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