王曙輝,徐 孟,彭慶國(guó)，余明果

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

過(guò)濾單元形狀對(duì)其微波再生特性的影響*

王曙輝1,2?,徐 孟1,彭慶國(guó)1，余明果1

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

針對(duì)一種新型的柴油機(jī)微粒捕集器單元塊旋轉(zhuǎn)式的過(guò)濾體微波加熱再生模型，采用數(shù)值模擬方法,對(duì)再生過(guò)程中過(guò)濾體壁面溫度沿徑向分布和過(guò)濾體單元的形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微波加熱再生過(guò)程的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究.結(jié)果表明：過(guò)濾體壁面溫度從外弧面向內(nèi)弧面逐漸升高，且整個(gè)過(guò)濾體的峰值溫度出現(xiàn)在內(nèi)弧面；較小的過(guò)濾體圓心角將會(huì)縮短再生時(shí)間；較小的過(guò)濾體單元長(zhǎng)度以及較小的過(guò)濾體單元厚度都可使再生時(shí)間縮短.

微粒捕集器； 過(guò)濾單元； 再生時(shí)間； 再生效率； 數(shù)值模擬

柴油機(jī)以其良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性而廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)械裝置.然而，柴油機(jī)與同等功率的汽油機(jī)相比，微粒與NOx是其排放中的兩種最主要的污染物，尤其其微粒的排放甚至達(dá)到汽油機(jī)的30～80倍[1].隨著柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，僅靠機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)已不能滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，必須同時(shí)采用機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和后處理技術(shù).微粒捕集(DPF)是解決柴油機(jī)微粒排放污染最有效和最具有前景的后處理技術(shù)之一.在DPF技術(shù)研究中，過(guò)濾體材料的研究已經(jīng)有了多年的發(fā)展，相對(duì)于捕集材料而言，捕集器再生技術(shù)的研究稍微滯后[2-4],而且一直以來(lái)，有關(guān)過(guò)濾體的再生技術(shù)也是眾多學(xué)者的重要研究課題之一[5-6].

影響過(guò)濾體再生的因素比較多：微粒的沉積量，過(guò)濾體體內(nèi)氣流速率和壓降以及過(guò)濾體結(jié)構(gòu)都可能對(duì)再生過(guò)程有著不同程度的影響[7-10].目前，微粒沉積量和氣流特征對(duì)再生影響的研究較多，但對(duì)過(guò)濾體結(jié)構(gòu)對(duì)再生過(guò)程影響的研究較少.因此，本文通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)龔金科[11]等提出的新型的微波加熱再生方式的工作過(guò)程以及其過(guò)濾體單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)再生過(guò)程的影響進(jìn)行研究．該模型把傳統(tǒng)的圓柱形過(guò)濾體分割為幾個(gè)相互獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)，并使氣流從徑向流入，而從軸向流出.目前微波發(fā)生器的功率一般是由車載電池和電動(dòng)機(jī)所提供的，但現(xiàn)有的車載儲(chǔ)能設(shè)備的儲(chǔ)能容量和車載電池一般都較小，因此微波發(fā)生器的功率就受到車載電源的限制．由于該模型只有一個(gè)再生腔，當(dāng)其中一個(gè)單元達(dá)到預(yù)定的背壓時(shí)，就將其送入再生腔進(jìn)行再生，每次所需要的微波能量就要比傳統(tǒng)的大為減少，是一般車載電池所能承受的.當(dāng)其中一個(gè)再生時(shí)，剩下的單元繼續(xù)承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的過(guò)濾任務(wù)，當(dāng)該單元再生完成之后，由連接著的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)微粒捕集器旋轉(zhuǎn)，將相鄰的下一個(gè)過(guò)濾單元送入再生腔中進(jìn)行再生，這樣，依此類推，從而實(shí)現(xiàn)微粒捕集器的連續(xù)再生.通過(guò)此研究以期為旋轉(zhuǎn)式連續(xù)微波加熱再生微粒捕集器再生過(guò)程的優(yōu)化提供理論依據(jù).

1 物理模型

微波加熱不同于其他外部熱源加熱方式，它是根據(jù)分布在某空間的物質(zhì)對(duì)微波能量的吸收而進(jìn)行的體積加熱.同時(shí)，微波具有選擇性加熱，一般情況下，碳煙對(duì)微波的吸收能力要遠(yuǎn)高于過(guò)濾體介質(zhì)本身[12].過(guò)濾體模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示.

單元再生的描述：結(jié)構(gòu)單元再生時(shí)，含有碳煙微粒的多孔介質(zhì)置于再生腔中，具有一定溫度和速度的氣流從過(guò)濾體單元的外弧面沿徑向方向?qū)耄瑫r(shí)微波也從徑向方向嵌入，氣流一方面帶來(lái)燃燒時(shí)所需要的氧氣，另一方面，它與微粒以及過(guò)濾體骨架之間進(jìn)行傳熱和對(duì)流換熱，并將燃燒產(chǎn)生的熱量沿徑向方向傳播.在微波進(jìn)入再生腔后，捕集到的微粒吸收微波所帶來(lái)的能量，升溫，燃燒，一直到燃盡，再生結(jié)束.

(a)整體結(jié)構(gòu)模型

(b)獨(dú)立單元模型

過(guò)濾體的熱再生實(shí)際上是一個(gè)在多孔介質(zhì)中具有氣體流動(dòng)及微粒燃燒的多維傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象.因此對(duì)模型再生過(guò)程作如下假設(shè)：

1)再生時(shí)，雖然燃燒放熱使溫度很快升高，但過(guò)濾體的幾何尺寸、形狀結(jié)構(gòu)等微觀參數(shù)不隨溫升而發(fā)生改變.

2)燃燒時(shí)，各氣體的基本性質(zhì)保持不變，同時(shí)滿足理想狀態(tài)方程.

3)在模擬再生過(guò)程中，碳煙微粒由純碳組成，根據(jù)碳的燃燒理論，存在：C+O2=CO2,2C+O2=2CO,C+CO2=2CO三個(gè)反應(yīng).

4)微粒在沿徑向方向按一定的規(guī)律分布，即在相同半徑的弧面上，微粒是均勻分布的.

5)過(guò)濾體單元結(jié)構(gòu)與其四周壁面之間滿足絕熱的邊界條件.

2 數(shù)學(xué)描述

2.1 氣相連續(xù)方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流場(chǎng)中任意形狀的一個(gè)控制體中流體質(zhì)量對(duì)時(shí)間的變化率與流經(jīng)該控制體表面的凈流量在數(shù)值上完全相等.取其中一個(gè)微元六面體流塊作為控制體，則在流動(dòng)過(guò)程中，流體質(zhì)量增加量與反應(yīng)后各產(chǎn)物的總質(zhì)量相等：

(1)

2．2 氣相動(dòng)量守恒方程

根據(jù)動(dòng)量守恒方程可知，微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用于該微元流體上的各種力之和.

(2)

式中：i表示方向，P表示單元上所受的壓力，Si為單元體流動(dòng)時(shí)所受的體積力.

2．3 氣相能量守恒方程

對(duì)于氣相來(lái)說(shuō)，根據(jù)熱力學(xué)第一定律和雷諾輸運(yùn)定理以及連續(xù)性方程可知，氣相能量守恒方程為：

wSQs+acHc(Tc-T)+afHf(Tf-T)．

(3)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)，cp是比熱，Qs為反應(yīng)熱值，c,a,f分別表示微粒物質(zhì)、氣流、過(guò)濾體.

2.4 組分守恒方程

(4)

式中：Ds為組分的有效質(zhì)量擴(kuò)散率，Ys為S組分中的氣體質(zhì)量百分比，此方程也被稱為擴(kuò)散方程.

2.5 微粒質(zhì)量守恒方程

(5)

式中:mc為過(guò)濾體單位體積碳量.

2.6 微粒能量守恒方程

(6)

為了保證方程組的封閉，還可引入理想氣體狀態(tài)方程.

3 初始及邊界條件

本文采用流體計(jì)算軟件對(duì)微粒捕集器的內(nèi)部場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算與分析.根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，以堇青石泡沫陶瓷作為過(guò)濾體單元結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行計(jì)算模擬.因此過(guò)濾體的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為[14]：導(dǎo)熱率為0.17W/(m·℃)，微波衰減常數(shù)為2.32dB/m，初始孔隙率為0.65，比熱為1.07kJ/(kg·℃)，微孔平均直徑為0.65mm，碳煙的計(jì)算密度為56kg/m3.對(duì)于平均孔徑為0.6mm以上的泡沫陶瓷過(guò)濾單元，碳煙沿過(guò)濾體單元徑向分布滿足線性衰減規(guī)律[15]，取微波功率為600W,相關(guān)的空氣氣流密度和動(dòng)力粘度分別取密度為0.63kg/m3，動(dòng)力粘度為2.946×10-5Pa·s.

在模擬當(dāng)中相關(guān)的初始設(shè)置條件為：入口邊界條件采用速度入口邊界條件，且假定入口的氣流流速均勻，無(wú)軸向分量；出口邊界條件采用壓力出口邊界條件，出口壓力設(shè)置為0，所有的壁面條件都設(shè)為無(wú)滑移動(dòng)邊界條件；氣流的初始溫度為600K，其中氣流中氧氣的百分含量為21%，氣流速度為0.25m/s；采用二級(jí)迎風(fēng)差分格式來(lái)保證計(jì)算的精度；計(jì)算域內(nèi)過(guò)濾介質(zhì)所占空間采用空度法處理以及采用SMPLIC算法處理速度與壓力的耦合關(guān)系.

4 計(jì)算結(jié)果與分析

采用網(wǎng)格劃分軟件對(duì)微粒捕集器進(jìn)行劃分網(wǎng)格.由于微粒捕集器在捕集微粒時(shí)，從外弧面沿徑向依次遞減，所以在內(nèi)外半徑之間的網(wǎng)格尺寸大小設(shè)為1.02，以保證對(duì)實(shí)際情況的數(shù)值模擬.采用流體計(jì)算軟件對(duì)各個(gè)算例進(jìn)行模擬的過(guò)程中，以再生時(shí)的再生時(shí)間和再生效率作為過(guò)濾單元再生的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判.所謂的再生時(shí)間就是指在模擬中大多數(shù)網(wǎng)格單元的溫度不再出現(xiàn)變化所經(jīng)歷的時(shí)間，而再生效率是指孔隙率達(dá)到初始孔隙率的網(wǎng)格單元數(shù)所占到的整個(gè)網(wǎng)格單元數(shù)的百分含量.

過(guò)濾體的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：過(guò)濾體單元的圓心角；過(guò)濾體外徑與內(nèi)徑之比，即過(guò)濾體的徑向厚度；以及過(guò)濾體的長(zhǎng)度.利用上述建立的物理數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬研究這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)再生過(guò)程的影響.為了分析方便，下文分別用過(guò)濾體的外弧面和內(nèi)弧面來(lái)指代過(guò)濾體的外圓周面和內(nèi)圓周面.

4.1 再生過(guò)程中溫度分布情況

如圖2和圖3所示，反映了再生過(guò)程中f截面以及過(guò)濾體壁面溫度沿徑向隨時(shí)間變化的分布情況．用A表示過(guò)濾體的厚度，A1表示過(guò)濾體計(jì)算截面徑向厚度，則A1/A表示沿過(guò)濾體徑向的相對(duì)位置．從圖3中可以看到：過(guò)濾體的溫度沿徑向從外弧面向內(nèi)弧面依次升高.隨著再生的進(jìn)行，過(guò)濾體的溫度沿徑向從外弧面向內(nèi)弧面依次達(dá)到微粒的著火點(diǎn)．因此，微粒從外弧面向內(nèi)弧面依次開(kāi)始燃燒，燃燒初期，反應(yīng)緩慢；但是，隨著燃燒的進(jìn)行，會(huì)放出大量熱量，使壁面溫度開(kāi)始急劇升高，燃燒反應(yīng)加劇.當(dāng)微粒接近燃燒殆盡時(shí)，微粒的濃度很低，使得反應(yīng)速率大大降低，此時(shí)壁面溫度開(kāi)始下降.

(a)時(shí)間為60 s，f截面

(b)時(shí)間為2000 s，f截面

(c)時(shí)間為300 s，f截面

(d)時(shí)間為400 s，f截面

分析過(guò)濾體壁面溫度沿徑向方向的變化，可以發(fā)現(xiàn)各位置的溫度隨時(shí)間相繼達(dá)到該位置的最大值，且整個(gè)過(guò)濾體孔道內(nèi)溫度的最大值出現(xiàn)在內(nèi)弧面．這是因?yàn)樵谶^(guò)濾體外弧面沉積的微粒燃燒釋放的熱量通過(guò)對(duì)流和傳導(dǎo)的方式向內(nèi)弧面?zhèn)鬏?，?nèi)弧面的微粒燃燒又釋放出大量的熱，因此內(nèi)弧面的溫度明顯比外弧面的高.

4.2 過(guò)濾體圓心角的影響

如圖4所示，反映了過(guò)濾單元的圓心角對(duì)再生過(guò)程的影響.圖4(a)表明，隨著過(guò)濾單元圓心角的增加，再生時(shí)間是先增加后減少，后來(lái)再生時(shí)間越來(lái)越少，但時(shí)間減少的速度也越來(lái)越慢．當(dāng)過(guò)濾單元圓心角很大時(shí)，因?yàn)槲⒉üβ什蛔阋詫⒋蠖鄶?shù)捕集到的微粒的溫度升高至燃燒點(diǎn)的溫度，所以再生時(shí)間少，效率也低．隨著單元圓心角角度的減少，再生時(shí)間快速增加，這是因?yàn)閰⒓臃磻?yīng)的微粒增加了，導(dǎo)致燃燒反應(yīng)的時(shí)間也相應(yīng)增加了．當(dāng)圓心角角度進(jìn)一步減少時(shí)，再生時(shí)間會(huì)減少，這是因?yàn)檫@時(shí)的燃燒區(qū)域減小，微波能量足夠使微粒的溫度迅速上升，至一直燃燒，燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量快速被氣流從外弧面帶到內(nèi)弧面，使內(nèi)弧面的微粒也迅速燃燒起來(lái)，這樣時(shí)間就大大減少.

時(shí)間/s

圖4(b)表明：在一定的微波功率下，隨著過(guò)濾體單元圓心角角度的減少，再生效率越來(lái)越高．但在過(guò)濾體圓心角大于40°以后，再生效率將明顯減少，這是因?yàn)檫^(guò)濾單元圓心角越大，有效的捕集面積就越大，流速越低所致.

角度/(°)(a)單元角度對(duì)再生時(shí)間的影響

角度/(°)(b)單元角度對(duì)再生效率的影響

通過(guò)以上分析可知：圓心角較小時(shí)再生效率低下，捕集區(qū)域也較小，過(guò)濾單元捕集不久，便要進(jìn)行一次再生．頻繁的捕集和再生，將會(huì)降低過(guò)濾體的使用壽命，不利于微粒捕集器的使用.較大時(shí)，再生一次時(shí)所需微波能量將增加，受到車載電源的限制.所以綜合考慮圖4(a)和(b)，一般最佳的過(guò)濾單元圓心角取30°～40°，此時(shí)，可在特定的微波功率下，再生時(shí)間較少，而且再生效率也較大，也是一般車載電池所能承的.

4.3 過(guò)濾體長(zhǎng)度的影響

圖5給出了在特定圓心角、外徑的情況下，過(guò)濾體單元長(zhǎng)度對(duì)再生特性的影響，縱坐標(biāo)用長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度與外徑之比)表示.如圖5(a) 所示，表明隨著過(guò)濾體單元長(zhǎng)度的增加，再生時(shí)間也將快速增加，這是因?yàn)樵谶^(guò)濾體長(zhǎng)度增加時(shí)，在同等的捕集時(shí)間內(nèi)，捕集到的微粒較多，所以再生所需要的時(shí)間也要增加.

長(zhǎng)徑比(a)單元長(zhǎng)徑比對(duì)再生時(shí)間的影響

長(zhǎng)徑比(b)單元長(zhǎng)徑比對(duì)再生效率的影響

圖5(b)表示，隨著過(guò)濾體長(zhǎng)度的增加，再生效率也將增加，這是因?yàn)椴都降奈⒘６?，使軸向之間的燃燒更加充分所致.但是當(dāng)過(guò)濾體的長(zhǎng)度進(jìn)一步增加時(shí)，會(huì)降低微波能量的利用率，這是因?yàn)檫^(guò)濾體單元的長(zhǎng)度增加，相應(yīng)的在同等條件下，所需要的微波能量也將增加，降低了微波能量的利用率，再生效率也有所下降．同時(shí)，過(guò)濾體單元長(zhǎng)度的增加，也不利于整車的設(shè)計(jì)，受到空間的限制.因此，要綜合考慮車載電池、整車設(shè)計(jì)、微波能量的利用率、再生時(shí)間等多方面的要求來(lái)綜合考慮選擇合適的過(guò)濾體單元長(zhǎng)度，以便達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)和最好能量利用率.

4.4 過(guò)濾體厚度的影響

圖6給出了在特定圓心角、外徑的情況下，過(guò)濾體單元厚度對(duì)再生特性的影響，縱坐標(biāo)用內(nèi)外直徑之比表示.從圖6(a)可知，隨著過(guò)濾體單元內(nèi)徑之比減少，也即過(guò)濾體單元的厚度增加，所需再生時(shí)間也將增多．這是因?yàn)檫^(guò)濾體厚度越厚，壓力損失越大，氣流達(dá)到所需時(shí)間也將增加，這樣外弧面燃燒產(chǎn)生的熱量將不能很快傳到內(nèi)弧面去，而使內(nèi)弧面的微粒能夠快速吸熱升溫以達(dá)到燃燒著火點(diǎn)，所以，在同等情況下，所需要的再生時(shí)間也就相應(yīng)增加了.同時(shí)在過(guò)濾體較厚時(shí)，由于外弧面捕集的微粒較內(nèi)弧面多，再生時(shí)外弧面產(chǎn)生的熱量將比內(nèi)弧面多，如果熱量來(lái)不及被氣流帶走，這樣將產(chǎn)生較高的溫度分布不均勻，容易導(dǎo)致外弧面的過(guò)濾體單元?dú)んw熔融和熱烈損，從而使整個(gè)過(guò)濾體的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，將降低過(guò)濾體的使用壽命.

內(nèi)外徑之比(a)單元厚度對(duì)再生時(shí)間的影響

內(nèi)外徑之比(b)單元厚度對(duì)再生效率的影響

圖6(b)表明，隨著厚度的減小(內(nèi)外經(jīng)之比增加)，過(guò)濾體的再生效率快速增加．這是因?yàn)檫^(guò)濾體厚度較小時(shí)，氣流能快速?gòu)耐饣∶孢_(dá)到內(nèi)弧面，使產(chǎn)生的熱量也能迅速傳播到內(nèi)弧面，使沒(méi)有燃燒的微粒迅速燃燒起來(lái)，從而減少時(shí)間，增加了再生效率．但當(dāng)厚度進(jìn)一步減少時(shí)，這時(shí)的再生效率就增加得相當(dāng)緩慢，甚至有所下降．這是因?yàn)?，過(guò)濾體較薄，前面產(chǎn)生的熱量快速傳播到后面時(shí)，后面的微粒還來(lái)不及吸收，熱量就被氣流給帶走了,這樣再生效率就沒(méi)有那么快的增加，甚至可能會(huì)下降.

5 結(jié) 論

1)研究表明，對(duì)于旋轉(zhuǎn)式微波分區(qū)再生微粒捕集器，過(guò)濾單元再生過(guò)程中的起燃部位處于過(guò)濾單元的外弧面，也即微粒的燃燒反應(yīng)是從過(guò)濾單元的外弧面向內(nèi)弧面?zhèn)鬟f，且再生過(guò)程中出現(xiàn)溫度峰值處于內(nèi)弧面.

2)過(guò)濾單元圓心角(對(duì)應(yīng)過(guò)濾單元的數(shù)量)過(guò)大或者過(guò)小都不利于提高再生效率、縮短再生時(shí)間．研究表明：過(guò)濾單元的圓心角最佳取值在30°～40°之間，也即從提高再生效率及縮短再生時(shí)間的角度來(lái)看，過(guò)濾單元的合適數(shù)量在9～12個(gè)之間.

3)較小的過(guò)濾單元長(zhǎng)度能縮短再生時(shí)間，但較小或較大的過(guò)濾單元長(zhǎng)度都不利于提高再生效率．研究發(fā)現(xiàn)，綜合各方面因素，一般最佳的長(zhǎng)徑比取值范圍在0.65～1.1之間.

4)在不考慮微粒捕集器過(guò)濾效果及壓力損失的情況下，減小過(guò)濾單元的厚度，有利于縮短再生時(shí)間，但不利于提高再生效率.

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Effect of the Filter Unit Structure on Its Regenerative Properties with the Microwave

WANG Shu-hui1,2?，XU Meng1，PENG Qing-guo，YU Ming-guo

(1.State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082,China;2.College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082,China)

Based on a new regeneration model with microwave heating for rotary unit-block diesel particulate filter, the filter body wall temperature along the radial distribution and structure parameters of the filter unit on the influence of microwave heating during the regeneration process were obtained by numerical simulation. The results show that the wall temperature gradually increases from the outer surface to the inward surface and the peak temperature emerges in the inward surface; the smaller central angle will shorten the regeneration time; the smaller length and the smaller thickness can shorten the regeneration time. The results provide important theoretical guidance for the optimization of the regeneration process.

particulate filter； filtration； regeneration time； regeneration efficiency； numerical simulation

1674-2974(2015)04-0027-007

2014-03-03

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12JJB008)

王曙輝(1976-)，男，甘肅天水人，湖南大學(xué)助理教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:806277569@qq.com

TK421

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