靜電式柴油機(jī)顆粒物傳感器氣固兩相流數(shù)值模擬

資新運(yùn)，王宏濤，龐海龍，邊浩然，張　俊

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

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● 車輛工程Vehicle Engineering

靜電式柴油機(jī)顆粒物傳感器氣固兩相流數(shù)值模擬

資新運(yùn)1，王宏濤2，龐海龍1，邊浩然2，張俊2

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

針對靜電式車用柴油機(jī)顆粒物傳感器，以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的環(huán)境作為邊界，以Fluent軟件為工具,分析顆粒物在氣相中的受力情況，建立適合在Fluent求解的顆粒物的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型，模擬了靜電式車用柴油機(jī)顆粒物傳感器內(nèi)部流動(dòng)分布。模擬結(jié)果表明：內(nèi)部通道氣體和顆粒物流動(dòng)性能較好，但濃度測試區(qū)會(huì)有顆粒物沉積，電離電極熱端能對沉積顆粒物加熱燃盡，能實(shí)現(xiàn)反復(fù)工作，從而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可以自動(dòng)標(biāo)零點(diǎn)和自清潔的顆粒物傳感器。

柴油機(jī)；氣固兩相流；離散相模型；顆粒物傳感器

柴油機(jī)因其具有優(yōu)良的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性而得到廣泛應(yīng)用，但柴油機(jī)排放的污染物含有大量的顆粒物(particulate matter，PM)，引起的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，不僅破壞了環(huán)境衛(wèi)生，而且還包含大量可吸入致癌物質(zhì)，從而對人體健康造成危害[1-3]。歐美國家已在柴油車上安裝顆粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)降低柴油機(jī)顆粒物的排放，DPF的可靠再生和失效檢測需要用到車載故障診斷(on-board diagnostics，OBD)。傳統(tǒng)監(jiān)測DPF故障的方法是采用壓力模型預(yù)估判別的方法，通過建立DPF的背壓模型，比較失效背壓變化趨勢，判斷其故障種類[4]。但隨著排放法規(guī)中對OBD系統(tǒng)的報(bào)警限值變低，采用該方法的誤差可能超過限值本身，因而已經(jīng)不能用作故障報(bào)警。研究能直接測量DPF排氣的顆粒物濃度傳感器變得很有必要。例如：艾菲、博世以及大陸公司利用多層陶瓷傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)出基于電阻原理的顆粒物傳感器[5-6]；通用電氣公司的顆粒物傳感器對射頻技術(shù)加以利用，實(shí)現(xiàn)尾氣中顆粒物濃度的測量[7]；芬蘭Dekati公司設(shè)計(jì)的電荷籠顆粒物傳感器[8]、美國Minnesota大學(xué)和Honeywell公司在ICAT項(xiàng)目中研究設(shè)計(jì)的單極型顆粒物靜電原位傳感器[9]都采用的是靜電放電原理。

1　靜電式顆粒物傳感器工作原理

靜電式顆粒物傳感器由于測量粒徑覆蓋范圍廣及價(jià)格優(yōu)勢，國外不少公司進(jìn)行了研究(如美國的Emisense公司)。如圖1所示為美國德克薩斯大學(xué)研究的靜電式傳感器，其中一個(gè)電極為高壓電極，另一個(gè)電極為感應(yīng)電極，測試時(shí)將電極伸入排氣的尾氣中，顆粒物通過兩電極間時(shí)會(huì)改變電極兩端的電流，從而檢測顆粒物的濃度，由于排氣管尾氣流動(dòng)較快，工作環(huán)境惡劣粗暴，為提高測量精度需對尾氣進(jìn)行降速穩(wěn)流。本文所研究的新型靜電式柴油機(jī)顆粒物傳感器[10]用于柴油機(jī)尾氣顆粒物排放診斷和測量(如圖2所示)，具體通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在排氣管與環(huán)境大氣之間的壓力差作用下，通過測量裝置的采樣口進(jìn)入采樣通道；排氣中的顆粒物在通道內(nèi)流速逐漸降低，同時(shí)利用顆粒物—顆粒物和顆粒物—與接地的通道內(nèi)壁碰撞的相互作用，使之自身攜帶的電荷消除；然后顆粒物通過測量孔進(jìn)入測量裝置的靜電電離區(qū)并荷電，從而使靜電放電電流降低，該降低的電流值通過信號極被電控單元(DCU)采集，再將其與初始放電電流的比值在標(biāo)定好的MAP圖中查詢相應(yīng)的顆粒物濃度值并輸出；測量裝置工作一定時(shí)間后，在其電離極和信號極上會(huì)沉降一層顆粒物，為了保證測量精度和正常工作，電離極內(nèi)置的熱電阻通電加熱，溫度能夠達(dá)到600～800℃，使沉降的顆粒物通過導(dǎo)熱和熱輻射氧化成二氧化碳，實(shí)現(xiàn)裝置的自清潔功能；在每次柴油車啟動(dòng)前，測量裝置因與環(huán)境大氣實(shí)時(shí)相通，可以實(shí)現(xiàn)無排氣顆粒物條件下的零點(diǎn)標(biāo)定功能，保證測量裝置的精度。

該傳感器相對于現(xiàn)有的測量技術(shù)與裝置，避免了柴油機(jī)排氣管內(nèi)的惡劣環(huán)境的影響，具有結(jié)構(gòu)簡單、可以自動(dòng)標(biāo)零點(diǎn)和自清潔、精度高、測量范圍大、能夠有效診斷測量顆粒物排放的優(yōu)點(diǎn)。

圖1　美國德克薩斯大學(xué)研究的靜電式傳感器

圖2　靜電式柴油機(jī)顆粒物傳感器剖面

本文中采用Fluent軟件氣固兩相流相間耦合的SIMPLE模型，同時(shí)對離散相采用離散相(discrete phase model，DPM)模型，將流體相(氣體或液體)視為連續(xù)介質(zhì)，分散相(液滴、氣泡或塵粒)視作離散介質(zhì)處理[11]。對傳感器進(jìn)行內(nèi)部流場模擬，分析顆粒物在傳感器內(nèi)部的流動(dòng)狀況，模擬結(jié)果對傳感器結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有指導(dǎo)作用，同時(shí)對于揭示傳感器的工作機(jī)理也具有重要意義。

2　數(shù)值模型建立

2.1氣體質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程

柴油機(jī)尾氣進(jìn)入傳感器時(shí)，顆粒物在氣流的帶動(dòng)下一起進(jìn)入傳感器通道。由于氣體是連續(xù)相，對氣體流場建立氣體的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程(湍流流動(dòng)Navier-Stokes)。

氣體連續(xù)性方程為

(1)

式中：ρ為流體密度；v為流體速度。

氣體動(dòng)量守恒方程為

(2)

(3)

式中：k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；ρ為氣體密度；μ為動(dòng)力黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；σk和σε為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)[12]：

(4)

2.2顆粒物動(dòng)量方程

顆粒物的動(dòng)量方程即顆粒物受各種力的作用力平衡方程。由于顆粒物形狀極細(xì)且不規(guī)則，為了簡化研究模型，假設(shè)顆粒物為球形。

根據(jù)顆粒物的受力情況，顆粒物動(dòng)量方程為

(5)

式中FD(u-up)為顆粒物單位質(zhì)量所受曳力。

(6)

式中：u為速度；up為顆粒速度；ρp為顆粒密度；dp為顆粒直徑；Fx為作用于固相顆粒上的其他力，包括壓力梯度力、旋轉(zhuǎn)力、Saffman升力等；Rep為對雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù))，其定義為

(7)

曳力系數(shù)表達(dá)式為

(8)

對于球形顆粒，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，a1、a2、a3為常數(shù)，由Morsi和Alexander提出[13]。

2.3初始條件和邊界條件

以玉柴YC6L280-42增壓柴油機(jī)在標(biāo)定工況全負(fù)荷下的排氣狀況為模擬對象，其中用風(fēng)速儀測得測試點(diǎn)的流速約為20 m/s，具體參數(shù)見表1。

表1　YC6L280-42增壓柴油機(jī)全負(fù)荷工況下參數(shù)

設(shè)置邊界條件：入口采用速度入口，流速為20 m/s；出口采用壓力出口，除入口、出口和內(nèi)部邊界條件外其余為默認(rèn)壁面條件。離散相的入口和出口的邊界條件為逃逸，壁面上邊界條件為反射。柴油機(jī)排放中PM 的粒徑大部分集中在0.1～1.0 μm之間屬于微細(xì)顆粒，柴油機(jī)顆粒物的粒徑分布如圖3所示[14]，為了精確地模擬柴油機(jī)尾氣不同粒徑顆粒物的流動(dòng)情況，采用Rosin-Ramler分布模型，其中最小粒徑取值為0.1 μm(Fluent中能模擬的最小顆粒物直徑)，最大粒徑取值為1.0 μm，平均粒徑取值0.5 μm，本文模擬中顆粒物的屬性選擇焦炭。

圖3　柴油機(jī)尾氣顆粒物粒徑分布

3　數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1氣體流場與顆粒物速度分析

對傳感器的進(jìn)氣流動(dòng)分布進(jìn)行三維湍流模擬，如圖4、圖5所示為y= 0截面仿真的速度矢量分布圖和壓力分布云圖。柴油機(jī)尾氣通過傳感器排氣采樣口進(jìn)入傳感器進(jìn)氣通道，流動(dòng)中由于進(jìn)氣管流通面積較大，壓力下降，導(dǎo)致流速下降。氣體流經(jīng)彎道由于壁面的阻擋在此處產(chǎn)生了渦流，但擾動(dòng)強(qiáng)度不大，局部損失較小，因而壓力損失較小。在經(jīng)過濃度測試區(qū)時(shí)，流動(dòng)較平穩(wěn)，通道的結(jié)構(gòu)對尾氣的降速穩(wěn)流效果較好。尾氣經(jīng)過狹長的測試區(qū)進(jìn)入傳感器出口，由于截面增大，產(chǎn)生了渦流，但擾動(dòng)很小，壓力損失也小。在傳感器凸臺(tái)式設(shè)計(jì)流動(dòng)空間和中心空腔中氣體流動(dòng)速度較小，能起到阻止顆粒物進(jìn)入傳感器尾部的作用。

圖4　氣場速度場

圖5　湍動(dòng)能場

圖6所示為顆粒物的速度場。顆粒物運(yùn)動(dòng)速度較平穩(wěn)，效果比較理想，流動(dòng)也較為均勻，便于顆粒物荷電及被帶電檢測；由于尾部凸臺(tái)處是封閉的，顆粒物運(yùn)動(dòng)到此速度較小，停滯的時(shí)間也較長，易發(fā)生沉積。設(shè)置的電離電極熱端加熱可以對此處的沉積顆粒物加熱燃燒來進(jìn)行自清潔。

圖6　顆粒物速度場

該靜電式顆粒物傳感器工作時(shí)通過檢測荷電顆粒物的電量，來實(shí)現(xiàn)對顆粒物濃度的檢測和測量，因此穩(wěn)定和較慢的流速對顆粒物的荷電和精確測量顯得非常重要。對濃度測試區(qū)內(nèi)取x軸方向中間位置一段距離為研究對象，濃度測試區(qū)的速度分布如圖7所示，設(shè)置的入口速度為20 m/s，由圖7可知，流速大部分分布在12～13 m/s，速度較為穩(wěn)定，達(dá)到了降速穩(wěn)流的目的，傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為合理。

圖7　濃度測試區(qū)X軸方向速度變化分布

3.2顆粒物的直徑分布

如圖8所示為模擬各種粒徑顆粒物在傳感器中的分布圖，由圖可知，傳感器內(nèi)部各種粒徑的顆粒物分布呈現(xiàn)出無序和均勻的狀態(tài)，而在尾部的凸臺(tái)前端處聚集的了粒徑較大的一些顆粒物，進(jìn)入凸臺(tái)后端的顆粒物數(shù)量極少，顯示凸臺(tái)對阻斷顆粒物進(jìn)入傳感器尾部具有良好的效果，從而避免了由于顆粒物進(jìn)入傳感器尾部而對傳感器測量產(chǎn)生影響。出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)橥古_(tái)尾部封閉，氣體越往里流動(dòng)速度越小，很難再帶動(dòng)顆粒物進(jìn)入后面的凸臺(tái)，同時(shí)由于氣流速度減少，使其攜帶的較大顆粒物在前面的凸臺(tái)處沉積下來。

圖8　顆粒物直徑分布

3.3顆粒物的停滯時(shí)間

如圖9所示為顆粒物在傳感器內(nèi)部停滯時(shí)間情況?？傮w顯示，顆粒物在傳感器中的停滯時(shí)間較短，既滿足流動(dòng)性較好的要求，同時(shí)也便于顆粒物的荷電和檢測；但是顆粒物在凸臺(tái)處前端停留的時(shí)間比其他部分稍長一些，凸臺(tái)后端顯示的顆粒物較少，主要因?yàn)轭w粒物在此處流速較低，不能很好地隨顆粒物流出。此處設(shè)置的加熱電極加熱后溫度能達(dá)600～800℃，可以對沉積的顆粒物氧化燃燒實(shí)現(xiàn)電極和通道的自清潔。

圖9　顆粒物停滯時(shí)間

4　結(jié)　論

(1)利用排氣管和大氣壓的氣壓差設(shè)計(jì)的傳感器，內(nèi)部通道氣體流動(dòng)性能較好地避免柴油機(jī)排氣管內(nèi)惡劣環(huán)境的影響，從而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、可以自動(dòng)標(biāo)零點(diǎn)和自清潔，能夠有效診斷測量顆粒物排放的方法和裝置。

(2)濃度測試區(qū)內(nèi)流速較慢和較穩(wěn)定，使顆粒物在濃度測試區(qū)內(nèi)的流動(dòng)盡量變得簡單，從而能提高傳感器的精度。

(3)電離電極及濃度測試區(qū)會(huì)有顆粒物沉積，凸臺(tái)處的顆粒物流動(dòng)慢，沉積多，該處能自帶加熱性能的電極很有必要，從而燃燒掉沉積顆粒物，保證傳感器能反復(fù)工作。

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(編輯：張峰)

Numerical Simulation of Gas-solid Two-phase Flow of Particulate Matter Sensor in Electrostatic Diesel Engine

ZI Xinyun1, WANG Hongtao2, PANG Hailong1, BIAN Haoran2, ZHANG Jun2

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China;2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Considering the structure of particulate matter sensor in electrostatic diesel engine, the paper analyzes the stress situation of particle in gas phase with Fluent software while taking engine test bench environment as a boundary, and establishes a movement contrail mathematical model to simulate the internal flow distribution of particulate matter sensor. The simulation result shows that: the flow performance of gas and particle in internal channel is good but it leaves particle deposition in test area; the ionization animating electrode can heat and burnout the particle deposition and realizes re-work, which can provide a kind of particulate matter sensor which has simple-structured, automatically calibrating zero point and self-cleaning.

diesel engine; gas-solid two-phase flow; discrete phase model; particulate matter sensor

2016-04-18；

2016-06-13．

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA065303).

資新運(yùn)(1971—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師．

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.10.010

Tk421.5

A

1674-2192(2016)10- 0039- 05