旋轉(zhuǎn)式過濾體顆粒捕集器流場分析

劉冠麟,劉軒鈺,周媛,冷淳,郭黎杰,馬進(jìn)仕

(湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長沙 410205)

當(dāng)前解決柴油機(jī)顆粒排放的后處理技術(shù)中，顆粒捕集器被公認(rèn)為最具有發(fā)展前景，而過濾體的再生技術(shù)是限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸[1-2]。在眾多再生技術(shù)中，微波加熱再生具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如能快速加熱過濾體、可采用體積加熱的方式、產(chǎn)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(diǎn)，大部分的微波能量用于點(diǎn)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(yīng)用時，汽車電源功率有限，增加了微波再生技術(shù)應(yīng)用以及普及的難度。針對這一技術(shù)障礙，國內(nèi)學(xué)者提出了旋轉(zhuǎn)式過濾體結(jié)構(gòu)[4-5]，相對于傳統(tǒng)軸向式過濾體，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)式過濾體，建立了氣-粒兩相流仿真模型，分析了其主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)對過濾體內(nèi)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(zhì)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(jī)排氣工況而言，過濾體內(nèi)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(jìn)一步假設(shè)顆粒相為擬流體，具有與氣相對等的流體特征，以此進(jìn)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(zhuǎn)徑向式顆粒捕集器過濾體外部的運(yùn)動屬于湍流運(yùn)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(yīng)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(zhì)量力。

1.2 多孔介質(zhì)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(zhì)[9]。因此，本研究基于多孔介質(zhì)理論，建立過濾體內(nèi)部的流動數(shù)學(xué)描述[10-12]。

1) 連續(xù)方程

(3)

式中：δ為過濾體多孔介質(zhì)孔隙率。

2) 動量守恒方程

(4)

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

2 旋轉(zhuǎn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，將生成的有限元模型導(dǎo)入到流場計算程序中，設(shè)置速度入口與壓力出口邊界條件，設(shè)置合理的求解器參數(shù)[13]。根據(jù)旋轉(zhuǎn)式顆粒捕集器內(nèi)氣流的流動特點(diǎn)，將流體計算域劃分為4個區(qū)域：入口、多孔介質(zhì)區(qū)域、多孔介質(zhì)與壁面之間縫隙以及出口區(qū)域，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖1。考慮到4個劃分區(qū)域結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)式載體網(wǎng)格

流體介質(zhì)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?jǐn)?shù)為0.05，顆粒相的物理性質(zhì)參考商用炭煙。載體選用普通多孔介質(zhì)陶瓷材料，材料密度為1 400 kg/m3，材料的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度及水力直徑表征。

3 計算結(jié)果分析

顆粒捕集器過濾體內(nèi)流動特征，諸如均勻性、流動損失等，對發(fā)動機(jī)的動力參數(shù)與燃油消耗指標(biāo)有非常重要的影響。本研究從旋轉(zhuǎn)式顆粒捕集器的運(yùn)行參數(shù)與特征結(jié)構(gòu)參數(shù)入手，分析其對流場的影響與優(yōu)化方案?？紤]到研究對象的各部分均為旋轉(zhuǎn)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(jìn)行分析。

圖2 旋轉(zhuǎn)式載體結(jié)構(gòu)簡圖

圖2中排氣從左端軸向流入顆粒捕集器，流經(jīng)旋轉(zhuǎn)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(kuò)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(kuò)張管中段，這一區(qū)域?qū)儆跍u流與湍流的發(fā)展階段；截面c，d，e屬于旋轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jìn)氣管直徑，D2為旋轉(zhuǎn)式載體外徑，θ為進(jìn)氣擴(kuò)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(jī)類型與工況。試驗用柴油機(jī)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(dāng)發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速700～2 800 r/min之間運(yùn)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(jié)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(jī)的各典型工作環(huán)境，研究排氣流速對旋轉(zhuǎn)式過濾體內(nèi)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(dá)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(yuǎn)，受到主流軸向流動的影響越小，徑向速度越大，達(dá)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(diào)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(shè)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(chǎn)生了耗散，同時流速產(chǎn)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(dāng)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(chǎn)生渦流，同時反向徑向速度在0.9倍半徑處達(dá)到最大，證明此區(qū)域渦流強(qiáng)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(fù)值達(dá)到最大，再一次證明了該位置渦流強(qiáng)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(chǎn)生了負(fù)值，表明渦流現(xiàn)象在0.3～0.5倍半徑小范圍內(nèi)產(chǎn)生。

不同排氣流速下，不同過濾體截面的流場計算結(jié)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(diǎn)都在同一截面位置。同時，旋轉(zhuǎn)式過濾體內(nèi)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(jié)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(jìn)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(jié)構(gòu)參數(shù)。通常情況下，D1的值與發(fā)動機(jī)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(nèi)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(dāng)直徑比增大時，過濾體內(nèi)流場分布均勻性變差，當(dāng)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(jié)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(kuò)張管和過濾體內(nèi)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(yīng)在實際情況允許的條件下，適當(dāng)減小直徑比。

圖8 直徑比對截面g速度分布的影響

3.3 進(jìn)氣擴(kuò)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(jìn)氣擴(kuò)張角對過濾體內(nèi)部流場的影響規(guī)律。圖9示出不同進(jìn)氣擴(kuò)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(kuò)張管長度變化帶來的影響。

從計算結(jié)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(diǎn)大約出現(xiàn)在0.8倍半徑處；隨著擴(kuò)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(dá)到產(chǎn)生渦流的程度。另外，擴(kuò)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(dāng)擴(kuò)張角增大，b截面上軸向流速與徑向流速均出現(xiàn)了負(fù)值，這說明隨著擴(kuò)張角的增大，渦流現(xiàn)象在b截面處產(chǎn)生，并且渦流強(qiáng)度與渦流區(qū)域隨著擴(kuò)張角的增大而增大。

圖11示出不同擴(kuò)張角下g截面處速度分布，分析可知，隨著擴(kuò)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(kuò)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(kuò)張角越大，導(dǎo)流作用越弱，導(dǎo)致擴(kuò)張管內(nèi)渦流強(qiáng)度增大，渦流區(qū)域變寬。

圖9 進(jìn)氣擴(kuò)張角對截面a速度分布的影響

圖10 進(jìn)氣擴(kuò)張角對截面b速度分布的影響

圖11 進(jìn)氣擴(kuò)張角對截面g速度分布的影響

根據(jù)分析結(jié)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(yīng)適當(dāng)減小擴(kuò)張管的擴(kuò)張角。

4 結(jié)論

a) 由旋轉(zhuǎn)式載體右端壁面產(chǎn)生的回流對過濾體內(nèi)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(nèi)部的流場分布均勻性，但效果甚微，而且對整體流場結(jié)構(gòu)影響不大，因此現(xiàn)實優(yōu)化中，忽略運(yùn)行工況的影響，一般從結(jié)構(gòu)參數(shù)著手進(jìn)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(dāng)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(nèi)流場均勻性，減小擴(kuò)張段的擴(kuò)張角是切實可行的手段。

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