劉冠麟,劉軒鈺,周媛,冷淳,郭黎杰,馬進仕

(湖南涉外經(jīng)濟學院機械工程學院，湖南 長沙 410205)

當前解決柴油機顆粒排放的后處理技術中，顆粒捕集器被公認為最具有發(fā)展前景，而過濾體的再生技術是限制其廣泛應用的瓶頸[1-2]。在眾多再生技術中，微波加熱再生具有諸多優(yōu)點，如能快速加熱過濾體、可采用體積加熱的方式、產生的溫度梯度較小、能提高過濾體使用壽命；此外，微波加熱具有選擇性加熱的特點，大部分的微波能量用于點燃顆粒，而過濾體對于微波近乎透明，可以有效降低過濾體最高溫度[3]。然而實際應用時，汽車電源功率有限，增加了微波再生技術應用以及普及的難度。針對這一技術障礙，國內學者提出了旋轉式過濾體結構[4-5]，相對于傳統(tǒng)軸向式過濾體，旋轉式過濾體分塊再生，能夠消除車載微波能量不足的問題，同時保證任何時間段都有載體處于工作狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)顆粒捕集器再生過程中顆粒排放惡化的問題[6]。本研究針對該旋轉式過濾體，建立了氣-粒兩相流仿真模型，分析了其主要結構與工作參數(shù)對過濾體內部速度場以及湍動能的影響規(guī)律。

1 氣-粒兩相流與多孔介質理論

1.1 氣-粒兩相流理論模型

對于顆粒捕集器的實際使用環(huán)境，即發(fā)動機排氣工況而言，過濾體內部的流體由高溫排氣與固體排放物組成，為了簡化研究，本文將流經(jīng)過濾體的固體成分視為單一碳顆粒，并進一步假設顆粒相為擬流體，具有與氣相對等的流體特征，以此進行仿真計算，并且只考慮速度場，沒有涉及到溫度，所有理論模型只考慮連續(xù)方程與動量守恒方程[7]。排氣在旋轉徑向式顆粒捕集器過濾體外部的運動屬于湍流運動，故κ-ε湍流模型適用于描述本研究的湍流現(xiàn)象[8]。

1) 連續(xù)方程

(1)

2) 動量守恒方程

(2)

式中：τ為相應變張量；Rgpi為氣相與顆粒相的相互作用力；Fi為外體積力；Flift,pi為虛假質量力。

1.2 多孔介質理論模型

過濾體從整體上看是一個擁有滲流特性的多孔介質[9]。因此，本研究基于多孔介質理論，建立過濾體內部的流動數(shù)學描述[10-12]。

1) 連續(xù)方程

(3)

式中：δ為過濾體多孔介質孔隙率。

2) 動量守恒方程

(4)

以上為旋轉式顆粒捕集器過濾體外部與多孔介質區(qū)域的流動數(shù)學模型，根據(jù)過濾體內流動特點，選取κ-ε湍流模型計算湍流現(xiàn)象。

2 旋轉徑向式顆粒捕集器網(wǎng)格劃分

利用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件對計算域進行網(wǎng)格劃分，將生成的有限元模型導入到流場計算程序中，設置速度入口與壓力出口邊界條件，設置合理的求解器參數(shù)[13]。根據(jù)旋轉式顆粒捕集器內氣流的流動特點，將流體計算域劃分為4個區(qū)域：入口、多孔介質區(qū)域、多孔介質與壁面之間縫隙以及出口區(qū)域，網(wǎng)格劃分結果見圖1?？紤]到4個劃分區(qū)域結構規(guī)則，網(wǎng)格主體為六面體類型，過渡區(qū)域采用鍥形體結構化網(wǎng)格。同時，入口與出口區(qū)域流動特征變化顯著，為了著重考察這兩個區(qū)域的流場特征，設置網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格密度沿入口與出口方向以比例因子1.1增加。

圖1 旋轉式載體網(wǎng)格

流體介質采用怠速工況下的空氣特性，氣體密度為0.382 7 kg/m3,動力黏度μ為2.946 Pa/s，聲速為477 m/s，顆粒相的體積分數(shù)為0.05，顆粒相的物理性質參考商用炭煙。載體選用普通多孔介質陶瓷材料，材料密度為1 400 kg/m3，材料的結構系數(shù)為1，材料流阻為1 000 rayls/s，材料孔隙率為0.55。湍流輸入條件采用湍流強度及水力直徑表征。

3 計算結果分析

顆粒捕集器過濾體內流動特征，諸如均勻性、流動損失等，對發(fā)動機的動力參數(shù)與燃油消耗指標有非常重要的影響。本研究從旋轉式顆粒捕集器的運行參數(shù)與特征結構參數(shù)入手，分析其對流場的影響與優(yōu)化方案。考慮到研究對象的各部分均為旋轉件，同時為降低分析難度，故忽略流場特征的徑向差異，取如圖2所示截面進行分析。

圖2 旋轉式載體結構簡圖

圖2中排氣從左端軸向流入顆粒捕集器，流經(jīng)旋轉式載體從徑向流出。a，b，c，d，e，f，g分別代表各典型計算截面，其具體位置由軸向的相對位置決定：a截面表示擴張管的入口段，此截面是渦流與湍流的形成區(qū)域；b截面屬于擴張管中段，這一區(qū)域屬于渦流與湍流的發(fā)展階段；截面c，d，e屬于旋轉式載體區(qū)域，流動特征變化不大，因此在后文中未提及；g為右端面，氣流在流動過程中遇到壁面阻攔，產生回流與渦流現(xiàn)象，g截面上的流速分布也很大程度上體現(xiàn)了流動能量損失情況。D1為進氣管直徑，D2為旋轉式載體外徑，θ為進氣擴張角。

3.1 排氣流速對速度場的影響

過濾體入口氣流速度決定于發(fā)動機類型與工況。試驗用柴油機排量為2.5 L，與過濾體入口相連的排氣管直徑為45 mm。依據(jù)測量數(shù)據(jù)，當發(fā)動機在轉速700～2 800 r/min之間運行時，過濾體入口尾氣流速可以通過排氣量與排氣尾管的直徑計算得出，由計算結果可知排氣流速在20～100 m/s之間變化。選取20 m/s，50 m/s，80 m/s 3個排氣工況，覆蓋發(fā)動機的各典型工作環(huán)境，研究排氣流速對旋轉式過濾體內流場的影響。

圖3示出截面a處速度隨排氣流速的變化趨勢。由圖3a可知，排氣速度越大，徑向各個位置徑向速度越大，且徑向速度隨著徑向位置變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，約在0.9倍半徑處達到峰值，隨后減小，直至接觸壁面，徑向速度減為0。這是因為離中心越遠，受到主流軸向流動的影響越小，徑向速度越大，達到一定程度后，由于壁面的阻擋作用，徑向速度減小，直至為0。

圖3 排氣流速對截面a速度分布的影響

由圖3b可知，由于壁面的黏滯作用，軸向速度由中心至壁面單調減小，同樣在0.9倍半徑處，氣流軸向速度發(fā)生劇烈變化；同時a截面的中心軸向流速明顯小于設定的入口排氣流速20 m/s，50 m/s和80 m/s，這是因為氣流動能產生了耗散，同時流速產生了徑向分量。

圖4示出b截面處的速度分布。由圖4a可知，隨著排氣流速增加，b截面處相同位置的徑向流速也增加。值得注意的是，當徑向位置大于0.7倍半徑時，徑向速度數(shù)值出現(xiàn)小于0的情況，這說明氣流速度反向，產生渦流，同時反向徑向速度在0.9倍半徑處達到最大，證明此區(qū)域渦流強度較大。

圖4 排氣流速對截面b速度分布的影響

圖4b示出截面b的軸向速度分布，同樣可見在0.9倍半徑的位置，軸向速度負值達到最大，再一次證明了該位置渦流強烈。

圖5示出g截面徑向與軸向流速變化趨勢。分析可知：在過濾體右端壁面的阻擋作用下，氣流在右端端蓋遇阻形成回流，使得尾氣軸向速度逐漸變小，在約0.3倍半徑處氣流軸向速度減小為0。隨著徑向位置的增大，軸向氣流也產生了負值，表明渦流現(xiàn)象在0.3～0.5倍半徑小范圍內產生。

不同排氣流速下，不同過濾體截面的流場計算結果表明，隨著排氣流速增大，各截面的中心軸向速度與邊緣軸向速度的差異也增大，但軸向速度發(fā)生變化的拐點都在同一截面位置。同時，旋轉式過濾體內同一計算截面上的流場分布規(guī)律大致相同，都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，僅僅是速度絕對值大小發(fā)生變化。計算結果表明：隨著入口流速的增大，流場分布均勻性變差，但總體速度分布規(guī)律基本保持不變。

圖5 排氣流速對截面g速度分布的影響

3.2 直徑比對速度場的影響

如圖2所示，顆粒捕集器外徑D2與進氣管外徑D1的比值定義為直徑比，它是影響流場分布的一個重要結構參數(shù)。通常情況下，D1的值與發(fā)動機排氣管直徑一致，因此通過改變D2的大小來改變直徑比。圖6示出不同直徑比下a截面處的速度分布，圖7示出不同直徑比下b截面處速度分布。

由圖6和圖7可知，直徑比越小，顆粒捕集器內各部分氣流軸向速度越大，徑向流速的峰值也略微增大。而當直徑比增大時，過濾體內流場分布均勻性變差，當直徑比增大到一定程度時，不同計算截面上的流速分布差異變小。

圖6 直徑比對截面a速度分布的影響

圖7 直徑比對截面b速度分布的影響

圖8示出截面g速度分布，分析可知，增大直徑比，過濾體右端面徑向速度減小，徑向流速與峰值差異變大，流場均勻性變差。

計算結果表明，增大直徑比，流場分布均勻性變差，但直徑比增大到一定程度，其影響可以忽略。為了抑制擴張管和過濾體內部的渦流、回流現(xiàn)象以及提高過濾體表面流速分布的均勻性和過濾體利用率，應在實際情況允許的條件下，適當減小直徑比。

圖8 直徑比對截面g速度分布的影響

3.3 進氣擴張角對速度場的影響

保持各主要控制變量不變，即入口排氣流速為50 m/s，排氣管外徑為45 mm，直徑比為5，分析進氣擴張角對過濾體內部流場的影響規(guī)律。圖9示出不同進氣擴張角下a截面氣流速度分布，圖10示出b截面處速度分布。采用徑向相對位置來表示計算截面位置，以消除擴張管長度變化帶來的影響。

從計算結果可以看出：在a截面處，越靠近中心位置，軸向速度越大；而徑向速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，速度拐點大約出現(xiàn)在0.8倍半徑處；隨著擴張角的增大，軸向流速增大，徑向速度增大，說明氣流流動愈發(fā)紊亂，但沒有達到產生渦流的程度。另外，擴張角保持60°時，在截面b處一直未觀察到渦流現(xiàn)象，然而當擴張角增大，b截面上軸向流速與徑向流速均出現(xiàn)了負值，這說明隨著擴張角的增大，渦流現(xiàn)象在b截面處產生，并且渦流強度與渦流區(qū)域隨著擴張角的增大而增大。

圖11示出不同擴張角下g截面處速度分布，分析可知，隨著擴張角的增大，過濾體表面的軸向流速峰值也增大，這說明流場分布均勻性變差；隨著擴張角的增大，過濾體表面氣流徑向流速減小，并且流動紊亂。這是因為擴張角越大，導流作用越弱，導致擴張管內渦流強度增大，渦流區(qū)域變寬。

圖9 進氣擴張角對截面a速度分布的影響

圖10 進氣擴張角對截面b速度分布的影響

圖11 進氣擴張角對截面g速度分布的影響

根據(jù)分析結果可知，為了減弱顆粒捕集器中出現(xiàn)的渦流、回流等現(xiàn)象，并且減小流動損失，應適當減小擴張管的擴張角。

4 結論

a) 由旋轉式載體右端壁面產生的回流對過濾體內流場分布有重要影響；

b) 降低過濾體入口流速可以改善顆粒捕集器內部的流場分布均勻性，但效果甚微，而且對整體流場結構影響不大，因此現(xiàn)實優(yōu)化中，忽略運行工況的影響，一般從結構參數(shù)著手進行優(yōu)化；

c) 直徑比越大，氣流在過濾體表面分布越不均勻，過濾體利用率越低，當直徑比增大到一定程度后，其影響可以忽略不計；

d) 為了提高過濾體內流場均勻性，減小擴張段的擴張角是切實可行的手段。

[1] 龔金科. 汽車排放及控制技術[M].北京：人民交通出版社，2012：4-10.

[2] 李新，資新運，姚廣濤.柴油機排氣微粒捕集器燃燒器再生技術研究[J].內燃機學報，2008,26(6):539-542.

[3] 劉云卿.壁流式柴油機微粒捕集器捕集及微波再生機理研究[D].長沙：湖南大學，2009：110-113.

[4] 王曙輝.旋轉式連續(xù)微波再生微粒捕集器再生機理及結構優(yōu)化研究[D].長沙：湖南大學，2010:29-40.

[5] Foo K Y,Hameed B H.Microwave-assisted regeneration of activated carbon[J].Bioresource Technology,2012,119:234-240.

[6] Li qiang ZHANG,Hai tao JIANG,Chun yuan MA,et al.Microwave regeneration characteristics of activated carbon for flue gas desulfurization[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2012，40(11):1366-1371.

[7] Yunqing Liu,Jinke Gong,Jun Fu,et al.Nanoparticle motion trajectories and deposition in an inlet channel of wall-flow diesel particulate filter[J].Journal of Aerosol Science，2009,40(4):307-323.

[8] Lixing Zhou,Yong Yu,Feipeng Cai,et al.Two-phase turbulence models for simulating dense gas-particle flows[J].Particuology，2014,16:100-107.

[9] Chuan Lai,Xueming Li,Changlu Liu,et al.Improvement in gravimetric measurement for determining the porosity and thickness of porous silicon using an optimized solution[J].Materials Science in Semiconductor Processing，2014,26:501-505.

[10] Eric Dumont,Sonia Woudberg,Jacoline Van Jaarsveld.Assessment of porosity and biofilm thickness in packed beds using porous media models[J].Powder Technology，2016,303:76-89.

[11] Tingting Tang，Mc Donough J M.A theoretical model for the porosity-permeability relationship[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2016,103:984-996.

[12] Bo Li,Richeng Liu,Yujing Jiang.A multiple fractal model for estimating permeability of dual-porosity media[J].Journal of Hydrology,2016,540:659-669.

[13] Jun Fu,Yuan Tang,Jiangxing Li,et al.Four kinds of the two-equation turbulence model's research on flow field simulation performance of DPF’s porous media and swirl-type regeneration burner[J].Applied Thermal Engineering，2015,93:397-404.