基于Solidworks汽车径向式颗粒捕集器气固流动特性的数值分析
摘 要：柴油机由于其动力性能好、燃油消耗率低等优点在车用动力中占据着至关重要的地位。但是随着我国提倡发掘低碳经济潜力，对环境保护的迫切需要和严格的排放法规要求，柴油机颗粒物排放问题一直困扰着柴油机的持续发展。为了有针对性的处理颗粒物排放量多的问题，颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）必定是解决柴油机这一问题最有效的后处理技术。
本文借鉴前人归纳的成果并提出自己的见解，基于Solidworks三维建模软件提出并建立了一种径向式DPF，为前代的汽车径向式颗粒捕集器升级与结构优化奠基。同时，利用CPFD Barracuda商业软件基于多相流-单元内源项颗粒群（Multiphase Particle-in-Cell，MP-PIC）数值模拟方法对径向式DPF的内部气固流动过程进行了全流程数值模拟，探索了其流型发展过程、压力分布、颗粒浓度分布、速度分布等气固动力学性能。在初步获得有关流场的成果后，再次解析结构参数中直径比对径向式DPF中的压力、浓度、流速均衡性等作用下的重要影响；最终讨论了操作参数中气速对气固流动特性方面中的浓度、压力、速度上的影响。研究发现，本文建立的径向式DPF内具有流畅且均匀的气固动力场，入口处的颗粒速度较小而体积分数较大，压力呈现从中间逐渐向四周方向降低的趋势；适量的缩小直径比可以降低DPF中的压力损失，增强颗粒流速和均匀性，进而提高捕集效果和某区域处的重复利用率；合理控制气速值能够很好约束颗粒的活动范围和运动轨迹。列举合理建议措施让其提高DPF的捕集效果和循环使用率，为未来柴油机DPF技术优化奠定理论基础并提供数据指导。
关键词：颗粒捕集器；数值模拟；气固流动特性；MP-PIC方法；气速影响
Numerical Analysis on Gas-solid Flow Characteristics of Radial Diesel Particulate Filter
Abstract：Diesel engine plays a vital role in vehicle power because of its advantages including good power performance and low fuel consumption rate. However, with China's promotion to explore the potential of low-carbon economy, the urgent need for environmental protection, and strict emission regulations, the problem of particulate matter emission of diesel engine has been troubling the sustainable development of diesel engine. In order to deal with the problem of large particulate emissions, diesel particulate filter (DPF) must be the most effective post-processing technology to solve the problem of diesel engine.
This study draw on the achievements of previous achievements and put forward the author’s own opinions. A radial DPF is proposed and established based on Solidworks 3-D modeling software, which lays the foundation for the upgrade and structural optimization of the previous generation. And meanwhile, the internal gas-solid flow process of the established radial DPF is simulated using CPFD Barracuda commercial software based on Multiphase Particle-in-Cell (MP-PIC) scheme, and the gas-solid hydrodynamics of flow pattern development process, pressure distribution, particle concentration distribution, and velocity distribution are comprehensively explored. After the results of the gas-solid flow field, the effect of the structural parameter including the diameter ratio on the pressure, concentration, and velocity equilibrium are analyzed. Also, the effect of the operating parameters including the air velocity on the gas-solid flow characteristics are finally discussed. It is found that the radial DPF established in this study has a smooth and uniform gas-solid flow field, the particle velocity at the inlet is small while the volume fraction is large, and the pressure gradually decreases from the middle to the periphery. The pressure loss in the DPF can increase the capture effect and the reuse rate in a certain area in terms of proper control. Reasonable recommended measures are fut forward to improve the capture effect and the recycling utilization rate of DPF, which lays a theoretical foundation and provides data guidance for the optimization of DPF technology in diesel engines in the future.
Keywords：Diesel particulate filter; Numerical simulations; Gas-solid flow characteristics; MP-PIC method; Gas velocity effect
目 录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究选择 1
1.2.1 国内外研究现状 2
1.2.2 研究过程现状 2
1.3 本文的研究内容 3
1.4 本章小结 3
第2章 数值模拟方法及模型 4
2.1 数值模拟方法 4
2.1.1 固相控制方程 4
2.1.2 气相控制方程 5
2.1.3 MP-PIC数值模拟方法 5
2.2 颗粒捕集器的模型建立 7
2.3 网格独立性验证 11
2.4 本章小结 12
第3章 数值模拟结果探究 13
3.1 颗粒流型发展 13
3.2 速度分布特性 15
3.3 压力分布特性 15
3.4 浓度分布特性 16
3.5 本章小结 17
第4章 直径比对气固流动特性的影响 19
4.1 对压力分布的影响 19
4.2 对速度分布的影响 21
4.3 对浓度分布的影响 23
4.4 本章小结 23
第5章 气速对气固流动特性的影响 25
5.1 对速度分布的影响 25
5.2 对压力分布的影响 25
5.3 对浓度分布的影响 26
5.4 本章小结 27
第6章 结论与展望 28
6.1 本文主要结论 28
6.2 研究展望 29
第7章 经济性分析 31
参考文献 33
致 谢 35
第1章绪论
1.1 研究背景及意义
自我国进入21世纪以来，重工业的飞速发展为我们的生活中带来了许多便捷的操作，而在国家政策的扶持下“汽车”这一代名词也渐渐进入千万家庭之中更是在本国的国民经济中取得了举足轻重的地位；现阶段汽车被广泛使用在运输及服务行业中，是现代社会不可缺少的动力来源。在汽油和柴油发动机两大力量的发挥下农业、商业、重大工业都有着他们活动的身影，其中柴油机的地位愈加变大，这取决于它工作的高效率性、耐久性、廉价性和安全性。不过另外一面也有着极端的反馈，比如增加细小颗粒物（Particulate Matter，PM）和氮氧化合物（NOx）在大气中的含量。国内外学者开始了对尾气分析的再处理，由于尾气中的主要污染物是PM和NOx，所以主攻的研究方向是这两大类；尾气颗粒物损害人体机能、破坏动植物结构、加剧大气环境变暖等都有着恶劣的影响。
经过各类科学家和学者的不断研究，研发出了“汽车颗粒捕集器技术”，研发该技术的目的是为了减少空气中细小颗粒的产生、减轻空气污染程度、保护大气环境及减少温室气体的产生。工作过程可分为三个阶段：首先，多孔壁面会大致过滤掉流体中的颗粒沉淀物，这些物质统一沉积在壁面上，导致出现降低尾气流量的现象产生，促使排气背压升高，进而使发动机功率下降和燃料的增加[1]；其次，采取加热或还原剂等方法使颗粒发生氧化反应（再生过程），再生过程中该仪器的温度会出现超过823.15K现象，但是处于正常工况下发动机的排气温度不超过 573.15左右[2]；最后，不间断性重复上述操作。其中的技术难题一方面在于掌握内部气固流动特性，根据在机器工作的过程中流场的改变，选择适合的操作运行参数，控制排放颗粒物的尺寸；另一方面基于气固流场均匀性分布程度，优化颗粒捕集器的结构，从而使燃烧场更稳定，达到燃烧更充分，减少污染气体的排放以及节约能源等目的。
1.2 国内外研究选择
1.2.1 国内外研究现状
国内外开始研究捕集器技术时间较晚，由于当时地处在工业革命熏陶下；各国为爱护本国的生态环境都出台排放标准意味此技术产生的原因及由来，其本质是吸收废气气体中的微粒和PM值到达保护环境的目的。在经历二三十年的钻研探讨后，科学家及学者们解决了部分捕集器生产后被发掘整理的技术问题，但我们仍不可停下探索的步伐，因为颗粒捕集器仍留下许多无法攻克的难题。
1.2.2 研究过程现状
理论联系实际，所以说该研究早期精力主要集中在流体的流动特性分析这一领域。20世纪末期Johnson[3]和Opris[4,5]两位学者分别在排气管内的孔道中设立一维及二维数学模型，采纳选取解析解的办法针对过滤器的部分压力损失、机器捕集效率和颗粒所处位置分布情况，并适当调整过滤体结构参数看对流动阻力的最后结果有无大的变化。
由于计算机的出现，加速了CFD技术被应用于捕集器的研究领域中。Konstandopoulos[6]和 Paraschivoiu[7]等人应用CFD软件对壁流式蜂窝陶瓷颗粒捕集器提出并设立三维数学模型，该内容考虑了惯性力对压力损失有无必要联系，探讨后第一次提出了流动均匀性的概念，并进行深入发掘，将最终结果与前人遗留结果进行对比发现CFD方法的最后结论与现实情况尤为接近。他们还依据实验内容和较为成熟的CFD方法补充了流动阻力模型等。
多年后，结合前人的宝藏和当代科技需求颗粒分布途径成为了捕集器的当下热点之一。Yamamoto[8,9]等人着重研究了颗粒在过滤壁面内的沉积特性，对气固两相流在多孔介质过滤壁面内部的流动特性展开激烈讨论并取得一定实质性的成果。
Yong Yi[10]采取使用FLUENT数值模拟软件对颗粒捕集器物理模型进行了气、固相流动研究，预测了细小颗粒在捕集器内部的分布大概变化和气体成分的交换率，结果发现，颗粒物最初会在过滤体后端面稳定后沉淀，并缓慢向前端聚集，此次发现成功地为内部结构优化升级奠定了基础。
我国知名大学湖南大学[11,12]为此开展了对传统壁流式柴油机颗粒捕集器展开了一系列研究，其中包括基础参数、排气参数和过滤体结构参数等应付流体流动特性、微粒物沉积特性和捕集效率规律因素分析等。归纳了以上参数对捕集器工作性能上的影响大小。根据结果知晓：在壁流式陶瓷颗粒捕集器内，过滤体前端承担负荷是最大的，颗粒主要沉积在沿中心轴线范围分布，位于再生过程处的地方都呈现温度较高的表象，往往容易缩短颗粒捕集器的使用寿命。
1.3 本文的研究内容
本文针对柴油机径向式颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）基于欧拉-拉格朗日方法框架下的多相流-单元内源项颗粒群（Multiphase Particle-in-Cell，MP-PIC）数值模拟方法，从全回路的视角揭示了其气固动力学特性，研究内容主要分为以下三部分：
（1）基于Solidworks三维建模软件，建立径向式DPF的三维物理模型，通过实验数据与模拟数据进行比较验证模型的准确性；
（2）采用CPFD Barracuda数值模拟软件，模拟径向式DPF内的气固流动过程，从全回路的视角揭示气固动力学特性特性，包括其颗粒流型发展规律、内部压力分布、速度分布和颗粒体积分数分布规律；
（3）研究径向式DPF的基本结构参数（直径比）和柴油机的排气参数（排气入口速度）对颗粒捕集器内压力分布、压力损失、速度分布、颗粒体积分数分布规律等气固流动特性的影响。
1.4 本章小结
本小节抛出我国在重工业发展的同时特别是汽车领域上带来了严峻的环境问题，损害了大气环境，学者们提出对颗粒捕集器的工作原理再次升级和加强，以减轻尾气效应带来的恶果；概括性的介绍捕集器国内外发展历程和近代杰出科学家取得相关成效；最后是本文对柴油机版颗粒捕集器的研究内容（在建立好模型的基础上利用某数值软件，拟态径向式捕集器中气固流动特性，揭示粒子流型、压力、速度、体积质量分数的秩序并分析直径比、气速等对其影响）和MP-PIC法（欧拉数值计算）。尽管在试验中不局限于其余因素的干扰，但总体未来的趋势下是乐观的，相信在不远的今后难题都会迎刃而解。
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