林秀丽¹, 曹亚平¹, 董思敬², 柳静献¹
1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819;
2. 大同市赛诚机车设备有限责任公司, 山西 大同 037038
收稿日期：2016-10-18
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N140104001);国家科技支撑计划项目(2015BAK40B00，2015BAK16B01);国家重点基础研究发展计划项目(2016YFC0801704)。
作者简介：林秀丽(1974-)，女，辽宁抚顺人，东北大学副教授。

摘要：研究了不同风速下通道宽度、折角角度及折角个数对机车用折角式过滤器阻力的影响, 重点分析了高风速(≥5 m/s)下过滤器的性能.结果表明:高风速下, 16 mm通道宽度过滤器的阻力增加迅速, 对16 mm和20 mm通道宽度的过滤器而言, 在6.5 m/s风速下, 间距增加25 %, 阻力减少36 %.折角角度的改变会显著影响过滤器的阻力, 在高风速下这一特征更加明显.在相同通道宽度, 通道长度减少29 %的情况下, 二折角过滤器的阻力较三折角过滤器平均减少40 %.在高风速、低阻力使用条件约束下, 可依据研究结果设计过滤器几何参数, 将折角过滤器作为多级过滤的第一级.
关键词：折角空气过滤器数值模拟阻力特性过滤效率机车
Numerical Simulation on Characteristics of Crankle Air Filter Used in Locomotive
LIN Xiu-li¹, CAO Ya-ping¹, DONG Si-jing², LIU Jing-xian¹
1. School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. Datong Saicheng Locomotive Equipment Co., Ltd., Datong 037038, China
Corresponding author: LIN Xiu-li, E-mail: linxiuli@mail.neu.edu.cn
Abstract: The influence of channel width, crankle angle and crankle number on the pressure drop of crankle air filter used in locomotive was studied. The characteristics of crankle air filter under higher flow velocity (≥5 m/s) was analyzed emphatically. The results show that the pressure drop of filter with 16 mm channel width increases fast under higher air flow velocity. The pressure drop decreases 36 % if the channel width increases 25 % under 6.5 m/s air flow velocity for 16 mm and 20 mm channel width filter. The change of crankle angle affects the pressure drops obviously under higher air flow velocity. The pressure drop decreases 40 % when the crankle number decreases from 3 to 2, and the channel thickness decreases about 29 %. Under conditions of high wind speed and low pressure drop, the geometrical parameters of the filter can be designed according to the research results, and the crankle filter can be used as the first stage of multi-stage filtration.
Key Words: crankle air filternumerical simulationpressure drop characteristicsfiltration efficiencylocomotive
为了保证机车正常工作, 一些发热部件需要采取强迫通风措施冷却降温, 以免部件过热而引发故障.气流通过发热部件前需要先通过过滤器以除掉大颗粒粉尘及雨水, 但因吸入气流风机性能及空间的局限性, 要求前端过滤器的阻力不能太高, 这与冷却风需求量变大成为矛盾.相比于传统的双V形结构空气过滤器及管帏式空气过滤器, 折角式空气过滤器具有结构简单、免维护拆洗、阻力低效率高等优点^[1].但随着机车性能的不断提高以及应用地域日趋广泛, 折角式过滤器使用环境条件也日趋复杂, 在大风速下保持低阻力的折角式过滤器成为选择折角式过滤器的限制条件.
机车用空气过滤器的形式主要有VV型、管帏式、旋风式、纤维过滤式等多种.Baskakov等对U型冲击过滤器进行了阻力和效率的分析^[2].Huard等对离心力作用下的快速分离技术进行了综述分析^[3].Antonio等对涡轮发动机颗粒物过滤进行了研究, 但主要针对轴流旋风过滤器^[4].国外学者对旋风式过滤器研究较多, 对折角式过滤器研究则很少^[5-8].国内有一些学者对机车用过滤器进行了模拟研究, 但主要涉及管帏式、VV型、旋风式等.如冯明坤对管帏式和VV型过滤器的性能进行了模拟分析^[9]; 张一对管帏式和折角式过滤器进行了模拟分析和设计优化, 对于折角式过滤器而言, 仅对较低风速下单一形式的折角过滤器阻力特性进行了分析^[10].由于折角式过滤器是随着国外的机车一起于近年引入我国, 所以研究者较少, 尤其是高风速下折角式过滤器的性能尚需进行进一步的研究.
计算流体力学的发展使得CFD技术广泛应用于涉及流体动力学设计的领域, 具有速度快、成本低、重复性好等优点.我国折角式过滤器主要引进德国技术并进行了生产应用, 对其性能缺乏系统了解.本文利用模拟分析方法, 分析结构因素对折角式过滤器阻力的影响, 为确定可接受阻力下折角过滤器几何参数提供指导.
1 折角式过滤器的结构与工作原理折角式过滤器的结构如图 1所示.图 1中显示的折角过滤器由3个37°折角, 3个逆气流方向弯钩和16 mm通道宽度的多个通道组成.含尘及雨滴气流由导流口进入折角通道, 流线型导流口引导气流与侧壁成一定角度进入通道.气流在折角通道内做弯转运动, 粉尘或雨滴在惯性作用下脱离气流被甩向倾斜的折角及弯钩内壁, 与折角及弯钩内壁碰撞后在重力作用下沿内壁沉降至灰斗中, 实现了粉尘、雨滴与气流的分离.弯钩可起到阻止粉尘或雨滴在气流冲刷下进一步沿通道运动的作用, 提高了过滤效率.折角式过滤器通常用于防止粗颗粒及雨水进入设备区域, 影响设备的正常工作.
图 1(Fig. 1)

图 1 折角式过滤结构示意图Fig.1 Schematic diagram of crankle air filter

为研究过滤器几何因素对其阻力的影响, 本研究在原有折角式过滤器结构形式的基础上, 通过改变通道宽度、折角角度、折角个数的方式, 对折角式过滤器进行新设计.即将折角角度变为30°和45°, 折角个数不变; 将三折角变为二折角过滤器, 过滤器厚度由68 mm变为48 mm; 改变过滤器通道宽度分别为16, 17, 18, 19, 20 mm.对不同风速下各结构折角过滤器的阻力进行模拟研究, 以分析不同结构对过滤器阻力的影响.
2 折角式过滤器流场模拟2.1 模拟模型的建立折角式过滤器二维几何模型如图 2所示, 通道左右两侧边界设为周期边界.距过滤器10 mm处设为进口边界, 距上部弯钩顶端20 mm设为出口边界.进口边界条件设定为速度入口, 出口为自由出流.运用Gambit进行网格划分, 经检查网格质量良好.将网格文件导入流体力学软件中进行计算验证, 确定网格数目不会对计算结果产生影响.
图 2(Fig. 2)

图 2 折角式过滤器二维几何模型Fig.2 2D geometric model of crankle air filter

本文选用标准κ-ε模型来进行数值计算, 近壁处理选用标准壁面函数.
在κ-ε模型中, κ, ε分别用它们的输运方程解出, 其封闭方程为
式中: υ为流体运动黏度; ν_t为涡黏性系数; 模型常数σ_k=1.0, σ_ε=1.3, C_ε1=1.44, C_ε2=1.92.
2.2 数值模拟与实验测试的对比建立37°三折角, 18 mm通道宽度过滤器几何模型, 设定进口风速从1 m/s依次递增0.5 m/s至5 m/s.风速为5 m/s时, 过滤器流场的速度云图如图 3所示.由图 3可以看出, 气流在过滤器内呈“S”形流动.过滤器弯钩部分风速较低, 有利于粉尘在此部分的捕集与沉降; 转弯处通道变窄, 风速增大, 有利于增加粉尘所受离心力而从气流中分离.过滤器内的压力分布状态如图 4所示, 由过滤器实际入口和出口面的平均压力, 可得出过滤器的阻力.
图 3(Fig. 3)

图 3 5 m/s进口风速下速度云图Fig.3 Velocity cloud field under inlet velocity of 5 m/s

图 4(Fig. 4)

图 4 5 m/s进口风速下压力云图Fig.4 Pressure cloud field under inlet velocity of 5 m/s

将阻力模拟值与实测数据进行对比, 结果见图 5.实验结果引自文献[10].通过对比发现模拟值比实测值偏低, 可能原因是模拟模型不能完全反映湍流能量损失.但二者基本趋势一致, 数值接近, 可以为设计提供参考.
图 5(Fig. 5)

图 5 模拟值与实测阻力值的对比Fig.5 Comparison of simulation and test results

3 模拟结果及分析3.1 通道宽度对过滤器阻力的影响对折角角度为37°, 折角数为3的过滤器进行通道宽度分别为16, 17, 18, 19, 20 mm, 不同入口风速下阻力变化趋势的研究, 所得结果见图 6和图 7.由图 6可以看出, 过滤器的阻力随着风速的增加而增大, 16 mm间距过滤器的阻力增加迅速, 随着通道宽度的增加, 阻力随风速的增加值逐渐变小.在6.5 m/s的进口风速下, 16 mm间距过滤器阻力为287 Pa, 20 mm间距过滤器阻力为183 Pa, 即间距增加25 %, 阻力减少36 %.由图 7可以看出, 通道宽度为16 mm与17 mm的过滤器阻力在高风速下差别明显; 随着通道宽度的增加, 不同风速下阻力差变小.
图 6(Fig. 6)

图 6 不同通道宽度下37°三折角过滤器阻力特性Fig.6 Pressure drop characteristics under different channel width of 37°three crankles air filter

图 7(Fig. 7)

图 7 高风速下不同通道宽度过滤器阻力特性Fig.7 Pressure drop characteristics under different channel width at higher flow velocity

3.2 折角角度对过滤器阻力的影响对于三折角过滤器, 分别将过滤器折角角度变为30°和45°, 在通道宽度为18 mm的情况下, 对不同风速下折角过滤器的流场进行模拟, 结果见图 8.
图 8(Fig. 8)

图 8 不同折角角度过滤器的阻力特性Fig.8 Pressure drop characteristics under different crankle angles

由图 8可看出, 过滤器折角角度改变很小的数值时, 其阻力特性的改变是很明显的, 折角角度由30°变为45°时, 在6.5 m/s风速下, 阻力由165 Pa增加为303 Pa, 且风速越高, 这种影响越明显.
3.3 折角个数对过滤器阻力的影响二折角过滤器相对于三折角过滤器而言, 只是在三折角的基础上减少了一个折角, 即通道长度减少近1/3, 其他尺寸未变.37°三折角及二折角过滤器在入口风速为7.5 m/s情况下, 不同通道宽度过滤器阻力值的模拟结果如图 9所示.从图中可以看出, 二折角过滤器阻力随通道宽度的变化趋势与三折角过滤器的变化基本一致.但在通道宽度相同, 通道长度减少29 %的情况下, 二折角过滤器的阻力较三折角的减少了40 %.
图 9(Fig. 9)

图 9 不同折角个数过滤器阻力特性Fig.9 Pressure drop characteristics under different crankle number

图 9中同时比较了折角角度为30°和37°的三折角过滤器阻力随通道宽度的变化情况, 可以看出, 通道宽度对37°折角过滤器阻力的影响较大, 折角为30°过滤器阻力随通道宽度的变化较平缓.
由以上研究可知, 过滤通道宽度、折角角度、折角个数均能影响其阻力特性, 且风速高时这种影响更加明显.为减小阻力, 可考虑适当增大过滤通道宽度, 减小折角角度或减少折角数量.对于风速7.5 m/s, 如果要求过滤器阻力小于250 Pa, 则通道宽度为20 mm的37°三折角过滤器、通道宽度大于17 mm的30°三折角过滤器及通道宽度大于16 mm的37°二折角过滤器都可以达到要求.本研究为阻力约束情况下过滤器的设计提供了参考.
4 过滤器除尘效率的数值估算除过滤器阻力外, 过滤效率是过滤器的主要性能指标.为初步分析折角式过滤器在不同风速下对粗颗粒粉尘的过滤效率, 运用数值模拟方法进行了数值估算.参考过滤器在机车中实际应用的尺寸, 构建过滤器的三维模型.对于折角式惯性过滤器而言, 过滤器的阻力与效率变化趋势通常相反.选择通道宽度为20 mm的37°三折角过滤器为对象进行模拟研究, 过滤器高度为75 cm, 如图 10所示.
图 10(Fig. 10)

图 10 折角式过滤器三维模型Fig.10 3D geometric model of crankle air filter

根据所创建的三维模型, 设定出口面为escape类型, 底面为trap类型, 过滤器边壁为reflect类型.
选用颗粒物为沙粒, 密度2 650 kg/m³, 考虑沙粒的重力影响, 设定沙粒从进口面与气流同时进入过滤器内.考虑到沙粒相对较大, 与壁面碰撞后会有一定动量损失, 设定切向和法向的恢复系数均为0.5.沙粒质量载荷设定为0.01 kg/s, 因质量载荷相对较小, 颗粒相对气流的影响甚微, 采用相间非耦合计算.流经折角式空气过滤器的空气中粉尘的体积分数很低, 可以认为颗粒与颗粒之间不存在相互作用, 用离散相模型(discrete model)进行求解, 采用颗粒随机轨道模型对沙粒进行数值计算.
改变进气口气流风速, 得到在不同风速下进入过滤器的颗粒物总数及被过滤结构所捕集的颗粒数目, 进而即可计算出过滤器对沙粒的除尘效率, 所得结果如图 11所示.
图 11(Fig. 11)

图 11 不同风速下过滤器过滤效率Fig.11 Filter efficiency under different inlet air velocity

由图 11可知, 当进口风速小于3 m/s时, 过滤器对150 μm沙粒的效率大于50 %.随着风速的增大以及沙粒粒径的减小, 过滤效率会显著降低.这是因为风速越大、沙粒粒径越小越容易被气流夹带出过滤结构, 从而导致过滤效率降低.
某机车厂试制了21 mm二折角过滤器并进行了实验, 结果表明, 该过滤器对于粒径为150 μm以上的沙尘, 在7.5 m/s风速下过滤效果不理想, 但滤水效果较好.将其与纱网(210 μm)相结合, 可实现高风速下高效、低阻滤尘滤水.可见在高风速下, 折角过滤器可作为多级过滤的第一级.
5 结论1) 构建具有周期性边界的二维几何模型, 采用标准κ-ε模型对机车折角式空气过滤器的气相流场进行数值计算, 所得的阻力值与实测值趋势一致, 结果接近.此方法可以分析过滤器的阻力特性, 并为过滤器的选型提供依据.
2) 折角过滤器的阻力随着风速的增加而增大.通道宽度为16 mm的过滤器阻力随风速的增大而迅速增大; 18 mm及以上通道宽度过滤器在相同风速下, 阻力差异变小.
3) 折角角度的改变会显著影响过滤器的阻力特性, 在高风速下这一特征更加明显.折角个数对阻力影响也较大, 在相同风速下, 二折角较三折角过滤器的阻力减少约40 %.
4) 过滤器在低风速下对粗颗粒粉尘过滤性能较好, 随着风速的提高过滤效率则会显著下降.在高风速下, 可将之作为多级过滤的第一级.
参考文献

[1]	陶景奇, 董思敬, 李永胜. HX-D2型机车空气过滤器研发及产业化[J].内燃机车, 2011, 451(9): 20–22. ( Tao Jing-qi, Dong Si-jing, Li Yong-sheng. HX-D2 locomotive air filter development and industrialization[J].Internal Combustion Locomotive, 2011, 451(9): 20–22.)
[2]	Baskakov A P, Mudrechenko A V, Bubenchikov A M, et al. Modeling of U-beam separator[J].Powder Technology, 2000, 107(1): 84–92.
[3]	Huard M, Briens C, Berruti F, et al. A review of rapid gas-solid separation techniques[J].International Journal of Chemical Reactor Engineering, 2010, 8(1): 47–54.
[4]	Antonio F, Nicholas B. Turboshaft engine air particle separation[J].Progress in Aerospace Sciences, 2010, 46(5/6): 224–245.
[5]	Maynard A D. Modelling axial flow cyclone performance[J].Journal of Aerosol Science, 1998, 29(1): S1089–S1090.
[6]	Gimbun J, Chuah T G, Choong T S Y, et al. A CFD study on the prediction of cyclone collection efficiency[J].International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics, 2005, 6(3): 161–168.DOI:10.1080/15502280590923649
[7]	Hsiao T C, Chen D R, Li L, et al. Development of a multi-stage axial flow cyclone[J].Aerosol Science and Technology, 2010, 44(4): 253–261.DOI:10.1080/02786820903575394
[8]	Hsiao T C, Chen D R, Greenberg P S, et al. Effect of geometric configuration on the collection efficiency of axial flow cyclones[J].Journal of Aerosol Science, 2011, 42(2): 78–86.DOI:10.1016/j.jaerosci.2010.11.004
[9]	冯明坤. 电力机车用过滤器阻力特性及过滤特性的研究[D]. 长沙: 中南大学, 2009. ( Feng Ming-kun. Research on resistance characteristic and filtration characteristic of filter used on electric locomotive[D]. Changsha: Central South University, 2009. )http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10533-2009237782.htm)
[10]	张一. 机车惯性除尘器风流模拟与结构优化[D]. 沈阳: 东北大学, 2008. ( Zhang Yi. Ventilation simulation and structure optimization for air filter of locomotive[D]. Shenyang: Northeastern University, 2008.)