基于SolidWorks Flow Simulation的滤清器过滤效果分析
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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，一个出口，内置一块滤板，其中该内置滤板通过改变气流路径来分离出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（8μm、13μm和18μm）油滴等杂质的过滤效果。
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。
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：①示踪粒子是有体积（直径可设定）的质点；②示踪粒子对流场无影响；③示踪粒子之间无相互作用；④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 3/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101 325Pa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。
2.网格划分条件
本模型虽结构简单，在采用自动设置的情况下，“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）。
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，出口处的流体速度场较大，这与实际情况也非常吻合。
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，从图中颜色可看出流体的速度，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出的整个动态过程。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，最后从出口流出，这与实际情况非常吻合。
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（8μm、13μm和18μm）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。
设置油滴的材料属性，如图6中（a）所示。以粒子直径为8μm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13μm及18μm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”选项下选择出口的内表面，查看流经出口的粒子数量，在200个粒子中，8μm粒径的油滴有19个随流体流出，13μm粒径的油滴有0个随流体流出，18μm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8μm粒径的油滴阻隔效果是91%，对13μm和18μm粒径的油滴阻隔效果是100%。
四、结语
SolidWorks 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CFD计算问题。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10～20μm这个范围，则可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，则需要再进一步进行CFD流体分析验证。