对称与非对称孔道对颗粒捕集器流场影响的数值分析.pdf

52 今日制造与升级 2023.8理论与研究 Theory and Research1 绪论随着汽车数量的增长，汽车排放的颗粒物污染越来越严重。为解决内燃机颗粒物排放高的问题，柴油颗粒捕集器（DieselParticulateFilter，DPF）将不可避免地成为内燃机排气系统中的重要设备。研究 DPF 内部的气固流动特性，同时优化其结构，使燃烧充分，减少污染，节约能源。众多国内外的学者和研究团队在 DPF 研究领域做出了积极的贡献，这些研究的发表时间跨越了多个年代，涵盖了 DPF的材料、结构、技术、控制策略等不同方面的内容1-2。目前国内外使用对称孔道式 DPF 的数值分析研究已经取得了一定成果，但仍有一些问题需要进一步解决，如准确性和可靠性方面的问题。文章采用计算颗粒流体动力学（ComputationalParticleFluidDynamics，CPFD）方法，对对称孔道式 DPF 和非对称孔道式 DPF 的流动过程进行数值模拟分析。其中，模型选取具有典型结构的传统径向对称孔道式 DPF。模型网格采用结构化网格，并细分到孔道结构的细节。针对汽车对称孔道式 DPF 与非对称孔道式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（MultiphaseParticle-in-Cell，MP-PIC）数值模拟方法，从全回路的视角对比两者截然不同的气固动力学特性，从而对 DPF 的分流器结构进行优化设计。2 MP-PIC数值模拟方法文章基于 CPFD 来求解气固耦合的流动问题。本质上是一种基于多相流质点网格方式的数值计算方法，该方法在计算过程中将相同性质的大量粒子作为粒子群，模拟粒子群在流场中的运动和相互作用。这种方法适用于模拟强烈非线性流动问题，如自由面、湍流等，因为质点在模拟中的运动可以很好地反映流动的非线性特征。此外，MP-PIC 方法也具有较高的精度和稳定性，通常可以得到较为准确的数值解。MP-PIC 数值模拟方法是一种计算流体动力学方法，它结合了Eulerian和Lagrangian两种方法的优点，适用于复杂流动问题的数值模拟3。3 模型建立及参数设置3.1 柴油颗粒捕集器的模型建立简化后的 DPF 三维物理模型如图1所示，其中，X方向表示 DPF 的轴向，Z方向表示 DPF 的径向。图2为径向对称孔道式 DPF 的二维结构简图。XYZ图1 DPF三维物理模型摘要随着我国汽车保有量的飞速上升，汽车排放量的颗粒污染物日趋增多，不仅增加了大气污染治理的难度，更是严重降低了大气环境质量并严重危害人们的身体健康。为了减少或杜绝汽车排放尾气对环境和人体的危害，国内外的研究学者设计并优化了柴油颗粒捕集器。文章基于 Solidworks 三维建模软件提出并建立了对称孔道式柴油颗粒捕集器及非对称孔道式柴油颗粒捕集器三维立体模型，基于多相流-单元内源项颗粒群数值模拟方法对两种不同结构的柴油颗粒捕集器的内部气固流动过程进行了数值模拟，在流型发展过程、压力分布、颗粒浓度分布、速度分布等气固动力学性能方面进行了对比研究。在初步获得了气固动力学性能后，分析入口气速这一重要操作参数对非对称孔道式柴油颗粒捕集器中的颗粒速度、压力、浓度的影响。研究发现，相较于对称孔道式柴油颗粒捕集器，非对称孔道式柴油颗粒捕集器的颗粒捕集效果更优，使用寿命更长，非对称孔道式柴油颗粒捕集器在气流速度为3.5m/s 时捕集效率最高。关键词柴油颗粒捕集器；数值模拟；MP-PIC 数值模拟方法；非对称孔道结构中图分类号U464.32 文献标志码A对称与非对称孔道对颗粒捕集器流场影响的数值分析蔡华建，吴天然，李海鑫，葛婷，王帅，雷文博，邹晔，崔颖（无锡职业技术学院汽车与交通学院，江苏无锡214000）2023.8 今日制造与升级 53理论与研究 Theory and Research进气口排气口L1L1L2D2D1图2 DPF内部二维结构简图3.2 操作参数设置进气口和排气口坐标设置如图3所示，操作参数如图4所示。（a）进气口（b）排气口图3 进气口和排气口坐标设置（a）进气压力（b）风速和压力设置图4 操作参数设置3.3 网格划分图5为对 DPF 三维模型划分的网格三视图。由于 DPF孔道内的隔板厚度尺寸相对整体尺寸十分微小（比例为1 120），因此在网格划分时（以非对称孔道式 DPF 为例）需要将尾部的隔板单独划分一次，并将其进行网格加密处理。文章以速度为对比量，通过改变网格的总数计算模拟结果的影响。以对称孔道式 DPF 为例，对称孔道式 DPF的网格总数分别设置为33162、41582、50094、60947。取DPF 中心轴线上不同位置处的5个速度值，并比较速度值随网格总数的变化率，以验证网格的无关性。当网格总数增加时，各点处的速度值变化幅度逐渐变小；当网格总数为41582时，计算结果误差较大：当网格总数为50094时，网格总数对速度的影响几乎可以忽略，最终选取网格总数为50094的网格进行数值模拟。xyxz（a）主视图（b）侧视图zy（c）俯视图（d）三维网格模型图5 对称孔道式DPF网格划分4 气固流动特性数值模拟结果分析4.1 颗粒流型发展通过 CPFDbarracuda 软件对 DPF 的气固流动过程进行数值模拟，以径向对称孔道式 DPF 为例，颗粒流型的发展过程可以分为以下4个阶段。（1）初始阶段。此时 DPF 内部颗粒物很少，颗粒物主要从进气口进入，随之沿着外壁和隔板向下渗透，在DPF 过滤体主体中形成了局部突起的单一层颗粒。（2）扩散阶段。随着颗粒物的增多，DPF 内部堆积的颗粒逐渐致密，颗粒物开始伸展堆积到进气方向底部，并逐渐沿着 DPF 隔板上向上堆积，颗粒物表现出宏观的透明度和滞后。此时颗粒物形成了层状排列。（3）发展阶段。随着 DPF 负载的增加和流动速度的减慢，颗粒物逐渐聚拢，形成了大型的颗粒堆，间隔区域变窄，颗粒物的积聚速度也增加了。（4）稳态阶段。此时 DPF 内部颗粒物的积聚已经达到了最高点。颗粒形态逐渐变得均匀，随着时间的推移，颗粒堆积的形状不再发生明显变化，而且颗粒间隙逐渐变得一致，形成了类似于肉眼能够看到的颗粒堆叠。4.2 速度分布特性对称孔道式 DPF 和非对称孔道式 DPF 的气相速度分布如图6所示，在 DPF 内部的不同位置，颗粒的速度分54 今日制造与升级 2023.8理论与研究 Theory and Research布差异较大。通常靠近 DPF 进口处，颗粒的速度比较高，而靠近出口处，颗粒速度较低。非对称孔道式 DPF 的速度差异更大，颗粒在排气口位置速度更快，同样的时间通过的颗粒更多，所以非对称孔道式 DPF 的捕集效率更高4。在 DPF 内部，颗粒的速度方向并不总是朝着 DPF 的出口方向。颗粒运动中有时会受到 DPF 壁面的碰撞，甚至反弹，导致颗粒速度方向不确定。YYXXZZCutplane P_yVel0.15838160.098399470.03841732-0.02156482-0.08154696-0.1415291-0.2015112-0.2614934-0.3214755-0.3814577-0.44143980.150.091000010.032-0.027-0.086-0.145-0.204-0.263-0.322-0.381-0.44Cutplane P_yVel（a）对称孔道式DPF（b）非对称孔道式DPF图6 DPF的气相速度分布4.3 压力分布特性在 DPF 的气固流动过程的数值模拟中，在 DPF 内部，随着颗粒的数量不断增加，颗粒和气流会相互作用。另外，由于颗粒的积聚，DPF 的渗透阻力也会不断增加，这些因素都会对 DPF 内部的压力分布特性产生影响。对比对称孔道式 DPF 和非对称孔道式 DPF 的压力分布，如图7所示。不同位置的压力分布不均匀，在 DPF 内部的不同位置，压力分布差异较大。通常靠近 DPF 进口处的压力较低，而靠近出口处的压力较高。与速度分布一样，压力方向对称性差，压力方向与气流流动方向并不完全一致。在DPF 内部，压力方向受到颗粒受力方向、气流流动方向和DPF 壁面形状等多个因素的综合影响。通过对压力分布的分析可以发现，由于颗粒速度的差异，非对称孔道式 DPF的压力分布不均匀性更明显，这种较大的压力梯度会增加颗粒的捕集效率5。4.4 颗粒浓度分布文章中的颗粒浓度分布特性指的是 DPF 内部颗粒的浓度分布和颗粒浓度随空间位置的变化规律（图8）。在DPF 内部，颗粒会随着气流不断运动和聚集，颗粒的浓度分布会受到气流流动速度和颗粒自身特性等因素的影响。对比对称孔道式 DPF 和非对称孔道式 DPF 的颗粒浓度分布，得出以下的颗粒浓度分布特性的典型特征：颗粒浓度随着 DPF 深度增加而增加，在 DPF 内部，除出口位置颗粒浓度明显下降，颗粒浓度随着 DPF 深度增加而增加，颗粒浓度最高点通常出现在 DPF 底部位置。相较于非对称孔道式DPF，对称孔道式DPF的这种现象更加明显。气固流动特性数值模拟的结果分析主要有4个因素，分别是颗粒流型发展、速度分布特性、压力分布特性和颗粒浓度分布。颗粒流型发展有4个阶段，即初始阶段、扩散阶段、发展阶段和稳态阶段。颗粒的速度、压力和浓度都对流动特性产生不同的影响6。YYXXZZCutplane p-VolFraCutplane p-VolFra0.450.4050.360.3150.270.2250.180.1350.090.04500.450.4050.360.3150.270.2250.180.1350.090.0450（a）对称孔道式DPF（b）非对称孔道式DPF图8 DPF的颗粒浓度分布4.5 气流速度对非对称孔道式柴油颗粒捕集器的影响气流速度是非对称孔道式 DPF 的一个重要参数，不同的气流速度对颗粒的速度、压力以及浓度分布都具有重要影响。通过对不同的气流速度进行数值模拟，总结出气流速度对 DPF 的显著影响主要表现在以下几个方面。（1）捕集效率。随着气流速度的提高，DPF 中段轴向位置的颗粒速度会增加，从而导致过滤的颗粒总量随之提高，过滤的效率会增加。但是气流速度过高会导致颗粒在过滤体上停留的时间减短，从而会使得颗粒的捕集效率下降。因此，为了保证捕集效率，需要在非对称孔道式 DPF的设计中考虑气流速度的影响。YYXXZZCutplane P_yVelCutplane P_yVel0.15838160.098399470.03841732-0.02156482-0.08154696-0.1415291-0.2015112-0.2614934-0.3214755-0.3814577-0.44143980.150.091000010.032-0.027-0.086-0.145-0.204-0.263-0.322-0.381-0.44（a）对称孔道式DPF（b）非对称孔道式DPF图7 DPF的压力分布（下转第88页）自动化技术与应用 Automation Technology and Application88 今日制造与升级 2023.8生产线应用探索J.现代制造工程，2023（2）：18-26.8 陶飞，刘蔚然，张萌，等.数字孪生五维模型及十大领域应用J.计算机集成制造系统，2019，25（1）：1-18.9 陶飞，张萌，程江峰，等.数字孪生车间一种未来车间运行新模式J.计算机集成制造系统，2017，23（1）：1-9.10 陈川，陈岳飞，曾麟，等.数字孪生在智能制造领域的应用及研究进展J.计量科学与技术，2020（12）：20-25.11 杨林瑶，陈思远，王晓，等.数字孪生与平行系统：发展现状、对比及展望J.自动化学报，2016（11）：2001-2031.作者简介郭瑞（1988），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为工业自动化控制。（上接第54页）（2）压降。非对称孔道式 DPF 在工作时会产生一定的阻力，给发动机带来额外的负担。气流速度增加会使得陶瓷滤芯上积聚的颗粒增多，从而使得压降增加。通过对气流速度的控制，可以达到相对较低的压降。（3）清洗次数。在非对称孔道式 DPF 运行一段时间之后，陶瓷滤芯上会积聚颗粒物，需要进行清洗。气流速度的变化会直接影响清洗周期，过高气流速度会导致颗粒物的快速积聚，会增加清洗次数和使用者的负担。（4）耐久性。过高的气流速度会使陶瓷滤芯上颗粒物的冲刷和磨损加剧，从而缩短非对称孔道式 DPF 的使用寿命。因此，在设计和选型时，需要考虑气流速度对装置耐久性的影响。5 结论本研究分别建立了对称孔道式 DPF 和非对称孔道式DPF 模型，在对称孔道结构下，入口处的流速较高，颗粒受到惯性力的影响比较大，容易撞击到捕集器的壁面，对称孔道结构的流场分布比较均匀，DPF 中心部位的流速较小，颗粒较容易被捕获。在非对称孔道结构下，入口处的流速较低，颗粒较不易受到惯性力的影响，不容易撞击到DPF 的壁面，非对称孔道结构的流场分布不太均匀，DPF中心部位的流速较大，颗粒较不容易被捕获，但是在侧部孔道处，流速较小，颗粒容易被捕获。参考文献1 LiY，LiC，SongH，etal.HighlyefficientandstableelectrocatalystforthetreatmentofPM2.5J.ACSCatalysis，2018，8（12）：10792-10798.2 ZhangX，LiC，ZhuM，etal.Enhancedcaptureandremovalofparticulatematterbygraphene-oxide-MnFe2O4microspheresJ.Small，2018，14（1）：1702070.3 ZhaoY，ChenL，HongS，etal.Afacilemethodtofabricatefly-ash-basedcarbonfoamswithO-dopedgraphenelayersforefficientPM2.5captureJ.Carbon，2018（139）：883-891.4 姚慧，李军，李传杰，等.国六轻型车催化转化器应用现状的分析J.汽车零部件，2023（1）：83-87.5 苏盛.柴油机颗粒捕集器对国六重型柴油机固态颗粒物排放的影响J.柴油机设计与制造，2022，28（4）：1-6.6 王沛，徐超，赵文圣，等.满足国六法规的汽油机颗粒捕集器故障诊断策略功能开发J.内燃机工程，2022，43（4）：91-99.基金项目无锡职业技术学院大学生创新创业训练计划校级项目“新型汽车颗粒捕集器低碳燃烧特性的 MP-PIC 数值模拟研究”（202310848004Y）作者简介蔡华建（2003），男，江苏徐州人，大专，主要研究方向为汽车设备的制造、测试和维修。