1 引言
狭长梯形滤芯具有更高的容尘量体积比，在紧凑车辆动力系统中具有较高的应用价值，但其狭长结构为脉冲清灰机构设计带来难度。常规的圆形滤筒由于其更大的气流扩散空间，滤筒轴向天然的均匀性清灰特性，其喷吹机构的设计更为容易，国内外学者对圆形滤筒喷吹机构进行了大量的试验研究、仿真研究以及性能优化，其主要有拉瓦尔喷嘴类[1]、锥形散射器类[2]、多孔材料散射类[3]以及文氏引流管[4]等类型，其设计理念均为将高压超音速气流迅速散射成锥形结构并在滤筒内部施加清灰力[5]。一种典型结构的圆筒滤芯用脉冲反吹清灰喷嘴结构如图1所示。
图1 典型结构的圆筒滤芯用脉冲反吹清灰喷嘴 结构示意图
Fig.1 Structure of pulse ash cleaning nozzle for cylindrical filter element with typical structure
对于狭长梯形滤芯，圆筒滤芯成熟的喷嘴结构完全不能通用。狭长梯形滤芯气流扩散空间小，喷吹机构设计难度大，喷吹效果难以实现与圆筒滤芯等同的水平，特别是在本研究的高紧凑空间下，更难以实现较好的喷吹效果，故开发适合于狭长梯形滤芯的清灰喷嘴有较高的实用价值。
结合滤芯狭长结构特点，本文选择了长锥双侧开孔喷嘴(a)、直管+导流板喷嘴(b)以及爆炸头(c)3种喷嘴，图2所示为3种喷嘴结构。其中直管+导流板喷嘴的导流板可分为横置与竖置2种典型结构，共组成长锥双侧开孔喷嘴、直管+横置导流板喷嘴、直管+竖置导流板喷嘴、爆炸头喷嘴4种典型结构的喷嘴，本文对4种喷嘴进行清灰试验并选择了前3种喷嘴进行流场特性分析。
图2 4种典型喷嘴结构示意图
Fig.2 Structure of four typical nozzles
其中，直管+横置导流板喷嘴、直管+竖置导流板喷嘴具有完全相同的结构尺寸，其喷吹距离受到空气滤壳体的限制，统一确定为导流板末端距离滤芯0 mm，导流板锥角设计为40°；长锥开孔喷嘴结构参考了工业袋式除尘器的设计[6]，采用孔径越来越小，管径越来越小的设计，沿锥管取左右各两排管，孔径设计为10～8 mm，孔数9个；爆炸头喷嘴为新型喷嘴，其头部为类球形，其上具有若干小孔用于散射气流，设计孔径为8 mm，孔数为20个。
本研究所使用滤芯为竖折布置，其对于清灰力分布的需求是沿滤芯长度方向的清灰力尽可能平均，滤芯高度方向的清灰力分布允许分布不均；滤芯出口附近的过滤气流流速高，积灰多，需要比远离出口方向更大的清灰力。
2 研究方法
本文主要通过滤芯离线喷吹试验研究，结合CFD流场分析，获得四种典型结构的反吹清灰喷嘴的清灰特性，比较并优选出一种反吹清灰喷嘴，并将其安装于原空气滤清器进行寿命试验。
如图3所示为反吹空气滤清器试验台，在常规空气滤清器试验台的基础上，增加了脉冲信号控制装置，用于对脉冲阀门开闭进行实时控制。本研究通过反吹空气滤清器试验台制备带灰滤芯进行反吹效果试验并将加装优选喷嘴的空气滤清器样机进行寿命试验。
1-粉尘喷射器；2-进口测压管；3-空压机；4-气动三联件；5-储气罐；6-脉冲阀；7-被试反吹空气滤清器总成；8-脉冲控制仪；9-出口测压管；10-绝对滤清器；11-空气流量计；12-空气流量控制装置；13-抽气机；14-压力计(压差计)
图3 反吹空气滤清器试验台示意图
Fig.3 Schematic diagram of pulse-jet air filter test bench
梯形滤芯反吹如图4所示，反吹气流通过反吹喷嘴由滤芯出口进入滤芯内壁清灰。
图4 梯形滤芯反吹示意图
Fig.4 Pulse-jet Schematic diagram oftrapezoidal filter element
2.1 制备带灰滤芯
采用某狭长滤芯空气滤清器壳体带预滤器在反吹空气滤清器试验台上制备带灰滤芯，共制备12个狭长梯形带灰滤芯，每种喷嘴使用3个滤芯进行3次重复性试验。计划滤芯加灰量750 g，试验粉尘为270目石英砂。制备完成的12个滤芯增重结果如表1所示。
表1 制备带灰滤芯增重结果
Table 1 Results of preparing the filter element with ash
滤芯编号滤芯增重/g验证喷嘴①750长锥喷管②740长锥喷管③745长锥喷管④745横置导流喷嘴⑤735横置导流喷嘴⑥755横置导流喷嘴⑦735竖置导流喷嘴⑧745竖置导流喷嘴⑨735竖置导流喷嘴⑩750爆炸头喷嘴745爆炸头喷嘴740爆炸头喷嘴
2.2 静态清灰效果试验
使用上述带灰滤芯在反吹空气滤清器试验台进行离线清灰效果试验，反吹空气滤清器试验件如图5所示，将带灰滤芯装入空气滤中进行喷吹，以此模拟实车中的喷吹效果。试验分为清灰效果试验(1)与清灰拍摄试验(2)。
图5 反吹空气滤清器试验件图
Fig.5 Pulse-jet air filter test piece
试验(1)为4种典型结构喷嘴安装于反吹空气滤清器(带预滤器)分别使用3个带灰滤芯进行了3次重复性试验，每个滤芯连续喷吹3次，记录每次喷吹前后滤芯的质量变化，喷吹参数如表2所示。试验(2)为4种喷嘴安装于反吹空气滤清器(不带预滤器)，在开盖状态下拍摄清灰过程试验，并记录出灰位置。
表2 静态喷吹参数
Table 2 Static pulse-jet parameters
喷吹参数参数喷吹参数参数气罐容积/L5气罐温度/℃30气罐压力/MPa0.7脉冲阀类型直角式脉冲时间/ms100脉冲阀尺寸/寸1
2.3 CFD流场分析方法
采用CFD对4种典型结构喷嘴的流场特性进行分析，其中直管+横置导流板喷嘴、直管+竖置导流板喷嘴、爆炸头3种喷嘴由于管路很短，瞬态特性不明显，故采用稳态计算。长锥开孔喷嘴由于管路较长，管内可能会存在震荡的压力波动[7-9]，故采用Profile压力阶跃信号入口的瞬态计算先进行试算，发现其瞬态特性不明显，故最终4种喷嘴均采用稳态计算。
滤芯区域简化为多孔介质区域，阻力系数计算方法来自于滤芯流阻特性曲线拟合[10]，稳态计算仿真基本参数如表3所示。
表3 稳态计算仿真基本参数
Table 3 Basic parameters of simulation
参数名称参数设置边界条件喷嘴入口:压力=7 atm空滤出口:压力=0 atm湍流模型SST-k-ω流体类型Ideal gas求解器类型稳态 压力基边界层数量10最外层网格厚度/mm0.01
本文选取气流在滤芯内壁的总压衡量气流清灰力的大小[11]。对介于刚性滤料与柔性滤袋之间的过滤介质，清灰力为惯性清灰力与反吹气流清灰力共同作用效果，国内外学者对渗透气流[12]、有效清灰加速度[13]、径向速度[14]、织物中的迅速扭曲[15]、以及反向气流压力峰值和压力上升速度[16]等喷吹效果影响机理进行了大量的研究，总压参数可以包含包括气流速度、流体密度以及滤芯振动加速度等多种影响因素，故本研究选取气流在滤芯内壁的总压衡量气流清灰力的大小，仿真计算后统计滤芯内壁气流总压参数。
2.4 加装优选反吹喷嘴的脉冲反吹空气滤清器寿命试验
为测试优选喷嘴对于原空气滤清器的寿命的实际提升效果，在原空气滤清器结构加装气罐与反吹优选喷嘴，如图5所示，寿命试验在图3所示的反吹空气滤清器试验台上完成，表4是空气滤清器寿命试验参数，表5是寿命试验喷吹参数，喷吹策略为试验初期每运行2 h喷吹一次，试验后期到达终了阻力后即刻喷吹，直到两次喷吹间隔小于半小时，终止试验，即认为达到滤芯寿命。
表4 空气滤清器寿命试验参数
Table 4 Parameters of air filter life test
参数名称试验值空气流量 m3/h3 000试验粉尘270目石英砂粉尘浓度/(g·m-3)1终了阻力/Pa7 000预滤器类型直通式
表5 寿命试验喷吹参数
Table 5 Pulse-jet parameters of life test
参数名称参数参数名称参数气罐容积/L5气罐温度/℃30气罐压力/MPa0.7脉冲阀类型直角式脉冲时间/ms100脉冲阀尺寸/寸1
3 清灰效果试验结果与流场特性
3.1 4种典型结构喷嘴的清灰试验结果
根据上文试验方法，对4种喷嘴分别使用3个带灰滤芯进行了3次重复性清灰效果试验，每个滤芯连续喷吹3次，以及对4种喷嘴分别进行1次清灰拍摄试验，试验结果如下。
3.1.1 4种典型结构喷嘴清灰效果试验结果
表6是4种典型结构喷嘴清灰效果试验结果，其中，连续喷吹次数为对每个滤芯进行的连续3次喷吹，平均清灰量为3次重复性试验的清灰量平均值，平均累积清灰率为3次重复性试验的累积清灰率的平均值；图6为4种喷嘴累积清灰率平均值，可见对于狭长梯形滤芯，仅看清灰率指标，清灰效果为直管+竖置导流板喷嘴>直管+横置导流板喷嘴>长锥开孔喷管>爆炸头喷嘴。
表6 4种典型结构喷嘴清灰效果试验结果
Table 6 Test results of cleaning effect of nozzles with four typical structures
喷嘴类型连续喷吹次数第1次平均清灰量/g平均累积清灰率/%第2次平均清灰量/g平均累积清灰率/%第3次平均清灰量/g平均累积清灰率/%长锥开孔33.334.4711.676.0411.677.61直管+横置导流板58.337.8316.6710.0713.3311.86直管+竖置导流板71.679.7033.3314.2216.6716.48爆炸头13.331.795.002.460.002.46
图6 4种喷管累积清灰率平均值曲线
Fig.6 Comparison of average ash removal rates
如图6所示，累积清灰率曲线的斜率可以一定程度上反映喷嘴的清灰潜力。对于直管+竖置导流板喷嘴、直管+横置导流板喷嘴以及长锥开孔喷管来说，随着喷吹次数的增加，累积清灰效率继续增加，斜率维持稳定，本试验的气量限制了3种喷嘴的清灰能力，如果换装更大容积的气罐，单次喷吹效果还将继续提升；对爆炸头喷嘴，累积清灰效率斜率为0，本试验气量已经榨干喷嘴的清灰能力，继续提高气量并不能提高清灰能力。
3.1.2 4种典型结构喷嘴清灰过程直观对比分析
图7 为4种典型结构喷嘴清灰过程拍摄截图，拍摄时刻为脉冲信号开始时刻后的20 ms和24 ms，可观察粉尘从滤芯上掉落的位置，并可定性的推断分析出各个喷嘴气流流场的分布情况。如图7各个分图所示，照片左侧为滤芯出口方向，将其定义为前方；右侧为远离滤芯出口方向，将其定义为后方。下面对4种喷嘴分别分析。
1) 长锥开孔喷嘴：由图7(a)(b)可观察到，滤芯出灰位置沿滤芯长度方向分布在宏观上是均匀的，且可以明显看出积灰为成股下落，分别对应9个喷孔处的集中射流；但可以观察到，每股掉落的积灰股与股之间并不连续，在滤芯的折距尺度上，滤芯的出灰位置并不均匀；且较长的管长所导致的脉冲气流的瞬态特性并未明显影响到各个喷孔位置的清灰到达时间。
2) 直管+横置导流板喷嘴：由图7(c)(d)可观察到，滤芯出灰位置沿滤芯长度方向分布在宏观上是均匀的，且积灰出灰形态为均匀的粉状弥散态，观察不到任何粉尘集中掉落的现象；滤芯沿长度方向可分为明显的3个区域：前1/3长度方向范围内出灰从无到有；前1/3到2/3长度方向范围内出灰较少，沿滤芯长度方向出灰均匀；后1/3长度方向范围内出灰较前部增多。总体来看滤芯沿长度方向出灰量为从无到有，逐渐变多。
3) 直管+竖置导流板喷嘴：由图7(e)(f)可观察到，滤芯出灰位置沿滤芯长度方向分布不均匀，滤芯沿长度方向可分为明显的2个区域：滤芯前1/2长度范围积灰出灰形态为大股扇形出灰，出灰量较大；滤芯后1/2长度范围为均匀的粉状弥散态出灰，出灰量较少。该清灰力分布形态刚好满足滤芯出口需要更大的清灰力的清灰力分布需求，故虽其在整个长度范围内没有直管+横置导流板喷嘴的清灰力分布均匀，但其清灰效果为最佳。
4) 爆炸头喷嘴：由图7(g)(h)可观察到，出灰位置主要是滤芯前侧极小部分成股出灰，以及滤芯中后部成粉状弥散态出灰，总体出灰量极少。
3.2 3种结构喷嘴的流场特性CFD分析
根据前期3.1喷吹效果试验研究结果，爆炸头喷嘴的喷吹效果极差，故流场研究放弃爆炸头喷嘴，只研究其余3种喷嘴喷吹流场特性。如图8所示为3种喷嘴滤芯内壁总压分布图，使用垂直于滤芯面的总压衡量气流的机械能与清灰效果，将滤芯出口定义为滤芯长度等于0处，远离滤芯出口方向为滤芯长度增加方向。
图7 4种典型结构喷嘴清灰过程图
Fig.7 Screenshots of deashing process of nozzles with four typical structures
图8 3种喷嘴滤芯内壁总压分布图
Fig.8 Total pressure distribution of filter elements inner wall of three nozzles
3.2.1 直管+横置导流板喷嘴
如图8(a)所示为直管+横置导流板喷嘴滤芯内壁总压分布图，横置喷嘴垂直于滤芯面总压分布沿滤芯长度方向会呈现出稳定高压区、以及过渡区、超低负压区4个区域，该总压分布特性与试验滤芯清灰力以及粉尘出灰位置分布特性相对应，没有超高压区域，粉尘全部成弥散态掉落。
3.2.2 直管+竖置导流板喷嘴
如图8(b)所示为直管+竖置导流板喷嘴滤芯内壁总压分布图，竖置喷嘴垂直于滤芯面总压分布沿滤芯长度方向也会呈现出平缓高压区、低压区以及过渡区3个区域，但其导流板附近会出现局部超高压区域。局部超高压区域与滤芯前1/2长度范围积灰出灰形态为大股扇形出灰的现象相对应。
3.2.3 长锥开孔喷嘴
如图8(c)所示为长锥开孔喷嘴内壁总压分布图，在9个开孔喷孔处存在有局部的超高压力区域，气流机械能垂直冲击滤芯内壁面，没有扩散的空间，与试验滤芯清灰力以及粉尘出灰位置分布特性相对应。这种结构的滤芯压力分布均匀性不理想，可能会造成过度清灰、滤芯的破坏以及清灰不均匀，且滤芯出口方向喷吹总压小，不符合清灰力分布需求；其滤芯压力全部为正压力，且能够实现定点精确清灰，具有一定的应用价值，后期研究可通过增加喷孔数量、优化喷孔流量与压力匹配等方法对该型喷嘴进一步优化，消除超高压区域，提高总压分布的均匀性。
3.3 加装优选反吹喷嘴空气滤清器寿命试验结果
将原空气滤清器加装优选反吹喷嘴后构成脉冲反吹空气滤清器，其台架寿命曲线如图9，在原空气滤清器的基础上增加气罐喷吹等反吹机构后使得空气滤清器初始阻力增加，但其时均阻力增长较原空气滤清器缓慢。原空气滤清器寿命为67 kg，按照当前喷吹策略加装优选反吹喷嘴后寿命达到195 kg，提升191%，有力地证明了直管+竖置导流板优选喷嘴的清灰效能，该型喷嘴具有较高的应用价值，后续研究可继续对喷嘴结构进行参数影响规律的研究，以及参数优化进一步提高喷嘴的清灰性能。
图9 加装优选反吹喷嘴空气滤清器寿命曲线
Fig.9 Life curve of air filter with preferred pulse-jet nozzle installed
4 结论
1) 不同结构的喷嘴清灰特性差异较大：直管+横置导流板喷嘴的有效清灰区域主要集中在滤芯中后部；直管+竖置导流板喷嘴有效清灰区域主要集中在滤芯中前部；长锥开孔喷嘴有效清灰区域为喷孔处离散分布；
2) 直管+竖置导流板喷嘴更适合于狭长梯形滤芯反吹清灰，空气滤清器样机台架寿命达到195kg，较原空气滤清器提升幅度达191%；
3) CFD得到的滤芯内壁喷吹气流总压参数分布与清灰试验中清灰力、粉尘出灰位置分布具有较好的一致性，可通过气流总压分布预测清灰效果。
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