輕型柴油機(jī)用微粒捕集器內(nèi)流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化＊

侯獻(xiàn)軍 張 新 杜松澤 許 京 李孟孟

（現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢理工大學(xué)）1） 武漢 430070）（汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心2） 武漢 430070）

微粒捕集器（DPF）是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的解決柴油機(jī)微粒物排放問(wèn)題最有效的裝置之一［1－2］.如果DPF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)流場(chǎng)溫度分布不均勻，高溫氣流集聚在載體局部區(qū)域，使催化劑溫度過(guò)高而過(guò)早老化，工作效果不佳；另外，內(nèi)流場(chǎng)速度分布不均勻也會(huì)影響DPF的再生從而影響其使用壽命［3］.減少裝置內(nèi)氣流速度分布的不均勻性并降低催化器的壓力損失，已經(jīng)成為在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)排氣凈化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)［4］.隨著現(xiàn)代CFD技術(shù)、尤其是多孔介質(zhì)模型的發(fā)展，使人們可以采用數(shù)值模擬的方法來(lái)研DPF內(nèi)的流動(dòng)特性［5］.

本文以提高載體內(nèi)流動(dòng)均勻性和降低DPF整體背壓為目標(biāo)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況和DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)內(nèi)流場(chǎng)分布的影響，為DPF的設(shè)計(jì)提供參考.

1 計(jì)算模型的建立及仿真分析

1.1 計(jì)算模型的建立

建立的DPF的幾何模型見(jiàn)圖1，包括進(jìn)出管道、過(guò)濾載體、進(jìn)氣擴(kuò)張腔、出氣收縮腔、進(jìn)氣端法蘭盤(pán)結(jié)構(gòu)及其安裝支架.抽取其內(nèi)部流體區(qū)域，并建立體網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2.

圖1 DPF的幾何模型

圖2 DPF流體域體網(wǎng)格模型

1.2 物理模型及邊界條件的設(shè)定

為研究DPF內(nèi)流體的流動(dòng)狀況，減少計(jì)算量，暫不考慮碳煙微粒在過(guò)濾壁面上的加載過(guò)程，并將氣源設(shè)置成單相純凈定常氣體.根據(jù)過(guò)濾載體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將此區(qū)域內(nèi)所有過(guò)濾通道視作多孔介質(zhì)處理，由DPF結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，孔隙率為0.4，載體長(zhǎng)度為240mm，入口擴(kuò)張角度為60°.

入口選用質(zhì)量流量入口，由GT－POWER中的柴油機(jī)模型仿真得出在2 500r／min的額定轉(zhuǎn)速下，排氣質(zhì)量流量為0.224 986kg／s，溫度為745K，即為微粒捕集器的入口邊界值.出口邊界設(shè)置為充分流動(dòng)的壓力出口，出口壓力為1bar，溫度為300K.

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

1.3.1 速度均勻性系數(shù)

速度均勻性系數(shù)指標(biāo)［6］：

式中：n為催化劑多孔介質(zhì)載體通道數(shù)；vi為通道i上的速度；v為整個(gè)載體截面上的平均速度.速度均勻性系數(shù)γ范圍為0～1，其值越小，則流場(chǎng)流動(dòng)均勻性越差，當(dāng)γ為1時(shí)，流動(dòng)均勻性最好.

1.3.2 背壓

在DPF的壓力場(chǎng)分布研究中，其入口端面和出口端面上平均壓力值之差即為背壓.背壓值過(guò)大，則氣流在DPF內(nèi)流動(dòng)中沿程阻力損失、摩擦損失等能量損耗較大，會(huì)降低DPF工作效率和使用性能.

1.4 DPF內(nèi)流場(chǎng)仿真分析

1.4.1 速度場(chǎng)分布

過(guò)濾體載體前端面和后端面速度分布見(jiàn)圖3.由圖3可知，載體進(jìn)口端面速度分布不均勻，最高速度達(dá)57m／s，出現(xiàn)在靠近中心的區(qū)域，這是由于氣流在此端面上出現(xiàn)了噴射流所致，而在邊緣區(qū)域?yàn)闅饬鞯匿鰷u地帶.在載體出口端面上，速度分布非常均勻，大致都為9.7m／s，相對(duì)于進(jìn)口速度來(lái)說(shuō)，有明顯的降低，這是由于氣流流經(jīng)過(guò)濾體內(nèi)部時(shí)沿程阻力和摩擦阻力所致.通過(guò)求解，可得載體前后端面速度均勻性系數(shù)分別為0.837 6和0.996 7，前端面流動(dòng)均勻性相對(duì)較差.

圖3 載體前后端面速度分布圖

1.4.2 壓力場(chǎng)分布

DPF整體壓力分布及最大壓力位置見(jiàn)圖4～5.由圖4可知，排氣氣流隨著入口端、載體區(qū)和出口端的方向壓力整體趨勢(shì)遞減.由圖5可知，最大壓力出現(xiàn)在進(jìn)口彎道的外側(cè)拐角處，可達(dá)110.5 kPa，這是由于氣流的強(qiáng)烈撞擊所致.在過(guò)濾體內(nèi)部，由于過(guò)濾阻力較大，壓力明顯減小，且逐層遞減.過(guò)濾體內(nèi)部的阻力損失同樣是由于沿程阻力損失和氣流內(nèi)部的摩擦損失所致.

圖4 DPF整體壓力分布圖

圖5 DPF最大壓力處

計(jì)算得到載體進(jìn)口端面平均壓力為108.8 kPa，出口端面平均壓力為101.9kPa，因此可得載體前后背壓為6.9kPa.同理求得DPF整體背壓為9.0kPa.在輕型柴油機(jī)排氣系統(tǒng)背壓的允許范圍之內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求.

1.4.3 溫度場(chǎng)分布

DPF整體的溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖6.DPF前端溫度相對(duì)較低，氣流流經(jīng)過(guò)濾體尾端時(shí)，溫度梯度較大.這是由于此處位于收縮管前部，氣流在此流通截面面積減小，流動(dòng)受阻所致.最高溫度出現(xiàn)在收縮角尾端區(qū)域，可達(dá)779K.溫度分布不均勻，梯度較大，則DPF再生時(shí)溫度可能不均勻，影響再生效率，從而縮短微粒捕集器使用壽命.

圖6 DPF溫度場(chǎng)分布

2 參數(shù)變化對(duì)DPF流場(chǎng)分布的影響

2.1 入口流速對(duì)流場(chǎng)分布的影響

隨著DPF入口氣流速度的變化，載體前后的背壓損失及流場(chǎng)的均勻性系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化.不同流速下載體背壓及前后端面的γ見(jiàn)表1.

隨著入口流速的增大，載體背壓逐漸增加，即阻力損失增大.這是因?yàn)殡S著氣流速度的增大，氣流與DPF固體外殼間對(duì)流增加，沿程損失加大；而且隨著速度的增加DPF內(nèi)部的渦流強(qiáng)度增大，從而局部壓損增加.

表1 不同流速下載體背壓及前后端面速度均勻性系數(shù)

隨著入口流速的增加，載體前端面的速度均勻性系數(shù)越小，流場(chǎng)分布越不均勻，這是因?yàn)榱魉俚脑黾訉?dǎo)致渦流強(qiáng)度和湍流強(qiáng)度增加.

2.2 載體長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)分布的影響

不同長(zhǎng)度載體模型下載體進(jìn)出口端面速度均勻性系數(shù)及背壓見(jiàn)表2.隨著載體長(zhǎng)度的增加，載體前后端背壓增大，這是由于氣流流經(jīng)路程增加，沿程阻力損失增大.載體長(zhǎng)度為200mm時(shí)，其載體入口端速度均勻性和出口端面速度均勻性最差.隨著載體長(zhǎng)度的增加，其速度均勻性增加，流場(chǎng)均勻性變好.這是因?yàn)檫^(guò)濾體長(zhǎng)度越長(zhǎng)，氣流的回流作用越小，回流對(duì)氣流的沖擊性越小.

表2 不同過(guò)濾體長(zhǎng)度下載體背壓及前后端面速度均勻性系數(shù)

2.3 擴(kuò)張角度對(duì)流場(chǎng)分布的影響

不同擴(kuò)張角度下載體背壓值及載體進(jìn)出口端面速度均勻性系數(shù)見(jiàn)表3.載體背壓先隨著擴(kuò)張角度的增加變大，當(dāng)達(dá)到一定的角度時(shí)，背壓下降，且初期被壓上升的幅度大于后期降低的幅度.擴(kuò)張角變大時(shí)，錐角在氣流速度方向上的長(zhǎng)度減小，沿程阻力損失減小，使背壓減?。欢S著擴(kuò)張角度的增加，氣流在載體前端面以前區(qū)域渦流強(qiáng)度變大，局部壓力損失增大.在擴(kuò)張角為45°～60°之間時(shí)，渦流強(qiáng)度的影響占主要地位，因而背壓漸增；當(dāng)擴(kuò)張角增加到60°之后，沿程損失占主要因素，因而背壓下降.

表3 不同擴(kuò)張角度下載體背壓及前后端面速度均勻性系數(shù)

從速度均勻性來(lái)看，擴(kuò)張角度的大小對(duì)均勻性影響顯著.在擴(kuò)張角為60°時(shí)均勻性最差，45°時(shí)均勻性最好.擴(kuò)張角度越小，渦流強(qiáng)度小則載體前端面速度分布越均勻.

2.4 工況對(duì)流場(chǎng)分布的影響

在GT－POWER內(nèi)建立增壓中冷柴油機(jī)的模型，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的排氣質(zhì)量流量和排氣溫度.發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 500r／min，另分別計(jì)算2 300，2 100，1 900和1 700r／min轉(zhuǎn)速下的排氣質(zhì)量流量和溫度值，見(jiàn)表4.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的質(zhì)量流量和溫度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加.

表4 不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流量和溫度

載體前后端面上的速度均勻性系數(shù)和背壓見(jiàn)表5.隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，均勻性系數(shù)越大，載體背壓越大.這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的增加，入口流量越大，流速越大，渦流強(qiáng)度越大導(dǎo)致氣流的局部壓力損失越大；此外流速增加也會(huì)導(dǎo)致沿程阻力損失增加，從而引起背壓增大.

表5 不同工況下載體前后端面速度均勻性系數(shù)和背壓

3 DPF的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由以上分析可知，從背壓和流體流動(dòng)均勻性的綜合指標(biāo)來(lái)看，載體長(zhǎng)度為200mm和擴(kuò)張角度為45°時(shí)，DPF工作性能較好.因此，對(duì)原模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，載體長(zhǎng)度由240mm減小成200 mm，同時(shí)將原始60°的擴(kuò)張角減小為45°，建立優(yōu)化后的幾何模型，在同樣的邊界條件和物理?xiàng)l件下對(duì)該模型進(jìn)行仿真分析，并與原模型在背壓及流場(chǎng)均勻性方面進(jìn)行對(duì)比.結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的體網(wǎng)格模型見(jiàn)圖7.

圖7 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后體網(wǎng)格模型圖

模型改進(jìn)前后DPF載體前后端面速度均勻性系數(shù)及載體和DPF整體背壓的對(duì)比見(jiàn)表6.由表可知，模型改進(jìn)后載體前端面上速度均勻性系數(shù)大大提高.此外，載體前后端背壓和微粒捕集器整體背壓都降低.由此可見(jiàn)，模型改進(jìn)后，微粒捕集器背壓性能和內(nèi)部流動(dòng)性能更佳，實(shí)際工作中可使排氣更均勻的流向載體的過(guò)濾通道內(nèi)，提高捕集效率，而且流動(dòng)阻力損失減小可延長(zhǎng)DPF使用壽命.

表6 DPF結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后載體前后端面速度均勻性系數(shù)及背壓值

4 結(jié) 論

1）建立DPF模型，設(shè)定邊界條件，確定其流場(chǎng)分布評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得出其載體前端面速度均勻性系數(shù)為0.837 6，整體背壓為9.0kPa.

2）DPF背壓隨著載體長(zhǎng)度的增加而增大，但過(guò)濾體內(nèi)的流場(chǎng)均勻性隨著載體長(zhǎng)度的增加而變好；DPF背壓隨著擴(kuò)張角度的變大先上升后下降；相比于60°，75°和90°的擴(kuò)張角度，45°時(shí)載體前端流場(chǎng)均勻度最好；此外，隨著轉(zhuǎn)速的增加，DPF內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)均勻性變差，載體背壓變大.

3）對(duì)DPF進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，載體長(zhǎng)度減為200 mm，擴(kuò)張角度減為45°，對(duì)改進(jìn)后模型進(jìn)行仿真分析，流場(chǎng)均勻性系數(shù)由0.837 6上升到0.923 8，背壓由6.9kPa下降到5.6kPa.

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