荷電顆粒在DPF孔道內(nèi)的流動(dòng)及沉積特性

孫 平, 萬(wàn)垚峰, 孟 建,2, 范 義, 肖 雪

(1. 江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255000)

現(xiàn)代柴油機(jī)具有經(jīng)濟(jì)性好、動(dòng)力強(qiáng)勁、可靠性高和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),然而其產(chǎn)生了比表面積極大的微納米級(jí)顆粒物,易吸附重金屬及其他有害物質(zhì),嚴(yán)重?fù)p害人體健康與自然環(huán)境[1].柴油機(jī)細(xì)小顆粒物的排放已經(jīng)成為當(dāng)前亟待解決的問題[2].顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)等后處理技術(shù)的運(yùn)用使柴油機(jī)顆粒物排放總量大大減少,但微納米級(jí)顆粒物數(shù)目控制效果仍不顯著[3].同時(shí)柴油機(jī)顆粒歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中引入了柴油機(jī)顆粒個(gè)數(shù)PN(particulate number)的限值[4].荷電凝并(electrical agglomeration,EA)技術(shù)作為一種預(yù)處理手段,能夠促進(jìn)顆粒物粒徑變大、減少顆粒物數(shù)目、提高顆粒捕集器的捕集效率,在柴油機(jī)微納米級(jí)顆粒數(shù)目控制領(lǐng)域越來越受到關(guān)注[5-6].顆粒荷電后對(duì)其在DPF通道內(nèi)部的流動(dòng)狀況、壓降和顆粒捕集效率都造成較大的影響.但由于DPF載體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在其工作時(shí)很難得到內(nèi)部流場(chǎng)和微粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息[7-8],因此筆者建立DPF通道仿真模型,計(jì)算不同荷電電壓顆粒在通道內(nèi)的流動(dòng)狀況,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,旨在優(yōu)化荷電凝并技術(shù)與DPF的耦合,提高對(duì)細(xì)微顆粒的捕集效率.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 連續(xù)性方程

DPF的進(jìn)、排氣孔道內(nèi)氣體流動(dòng)連續(xù)性方程為

(1)

式中:ρ為氣體密度;t為流過通道的時(shí)間;u,v,w分別為速度在x,y,z方向上的分量.

1.2 動(dòng)量守恒方程

氣體在DPF進(jìn)、排氣孔孔道內(nèi)流動(dòng)遵循動(dòng)量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

式中:p為作用于流體微元體上的壓強(qiáng);u為速度矢量；τxx,τxy,τxz,τyx,τyy,τyz,τzx,τzy,τzz為作用在微元體表面的黏性應(yīng)力τ的分量;Fx,Fy,Fz分別為x,y,z方向上作用于微元體上的質(zhì)量力.

1.3 離散相模型

采用離散相模型對(duì)壁流式過濾體的顆粒源項(xiàng)進(jìn)行模擬,并追蹤其流動(dòng)軌跡.在笛卡爾坐標(biāo)系下,顆粒作用力在x方向的平衡方程為

(5)

式中:up為顆粒運(yùn)動(dòng)速度;ul為流體相速度;FD為顆粒的單位質(zhì)量拽力;gx為x方向的重力加速度;ρp為顆粒密度;ρ1為流體密度;fx為x方向上的其他作用力.

(6)

式中:μ為流體動(dòng)力黏度;CD為拽力系數(shù);Rep為顆粒雷諾數(shù);dp為顆粒直徑.

(7)

(8)

式中：對(duì)于球形顆粒,在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),a1,a2,a3為常數(shù)[9].

2 計(jì)算過程

2.1 仿真模型的建立

壁流式DPF過濾體相鄰進(jìn)、排氣孔的孔隙率為0.3,孔道寬度、長(zhǎng)度、壁厚分別為1.8,100.0,0.2 mm,用UG建立幾何模型,并采用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分.

2.2 計(jì)算區(qū)域的選擇

采用FLUENT模擬軟件對(duì)荷電前后顆粒在DPF內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬與分析,運(yùn)用ICEM軟件劃分DPF計(jì)算網(wǎng)格,如圖1所示.

圖1 計(jì)算網(wǎng)格與區(qū)域

壁流式蜂窩陶瓷過濾體進(jìn)、排氣道以交替排列形式布置,根據(jù)DPF孔道截面對(duì)稱的特點(diǎn),選擇1組進(jìn)、排氣孔道的1/4作為計(jì)算區(qū)域.

2.3 離散相顆粒源的設(shè)置

1) 顆粒入射采用Surface方式,即顆粒由速度入口處均勻入射.

2) 選取隨機(jī)軌道模型,軌道模型中可以設(shè)置隨機(jī)軌道計(jì)算次數(shù)n.每個(gè)噴射源的顆粒,程序會(huì)執(zhí)行n次隨機(jī)軌道計(jì)算.

3) 柴油機(jī)排氣中的顆粒物由不同粒徑的顆粒組成混合顆粒群,并且荷電前后的粒徑大都集中在0.1～1.0 μm之間,可以采用羅辛-拉穆勒(Rosin-Rammler)分布來描述荷電前后的顆粒群[10].

Rosin-Rammler分布函數(shù)是最常用的描述顆粒群粒徑分布的一種方式.定義變量wd為大于指定粒徑d的質(zhì)量分?jǐn)?shù),并且假設(shè)粒徑d和wd之間只存在如下指數(shù)關(guān)系:

(9)

式中:dm為平均粒徑;N為傳播系數(shù).

根據(jù)雙極荷電凝并降低柴油機(jī)顆粒數(shù)量排放試驗(yàn)可以確定荷電前后的顆粒Rosin-Rammler分布表達(dá)式,荷電電壓為0,10,20 kV時(shí),粒徑分布表達(dá)式分別為

(10)

(11)

(12)

由式(10)-(12)可得柴油機(jī)排氣顆粒在不同電壓下的粒徑分布,如圖2所示.

圖2 柴油機(jī)排氣顆粒在不同荷電電壓下的粒徑分布

2.4 邊界條件的設(shè)置

將DPF模型中間過濾層設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域,其他區(qū)域均設(shè)置為連續(xù)流體.進(jìn)、排氣道的陶瓷堵封設(shè)為無(wú)滑移壁面條件,為方便觀察完整的進(jìn)、排氣道的流動(dòng)情況，運(yùn)用離散相模型模擬微粒的流動(dòng)與捕集,入口處采用速度入口邊界條件,出口處為壓力出口邊界條件,相對(duì)排氣背壓值為0.在顆粒軌道模擬計(jì)算中,離散相邊界條件默認(rèn)設(shè)置為捕集.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 不同荷電電壓對(duì)顆粒流動(dòng)速度的影響

進(jìn)、排氣孔道中心線速度在不同荷電電壓下的變化曲線如圖3所示,當(dāng)荷電電壓為0 kV時(shí),進(jìn)、排氣孔道內(nèi)的氣流速度都在末端有明顯變化且速度變化接近線性,進(jìn)氣孔道末端的氣流速度由12.0 m·s-1降至0 m·s-1,排氣孔道末端氣流速度由3.0 m·s-1變?yōu)?3.0 m·s-1.加載電壓為0 kV時(shí),顆粒粒徑較小,顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)部的流動(dòng)阻力較小,大部分氣流都從孔道后端流入到排氣孔道內(nèi),因此速度在后端變化比較明顯;隨著電壓的增大,顆粒的粒徑變大,顆粒在壁面的流動(dòng)阻力變大,氣流速度的變化更接近線性.

圖3 不同荷電電壓下,進(jìn)、排氣孔道內(nèi)的流速

不同荷電電壓下顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)流速見圖4.

圖4 不同荷電電壓下,顆粒在多孔介質(zhì)內(nèi)的流速

從圖4可以看出：荷電電壓為0 kV時(shí),壁面滲流速度沿軸向在末端軸向位置0.08 m處變化最大,變化量約為0.6 m·s-1;而當(dāng)荷電電壓增大時(shí),滲流速度沿軸向變化變小,且電壓越大變化越小,當(dāng)電壓增大為20 kV時(shí),滲流速度沿軸向穩(wěn)定在0.4 m·s-1,這說明荷電電壓的增大會(huì)使顆粒在孔道內(nèi)的分布由不均勻變?yōu)榫鶆?

3.2 不同荷電電壓對(duì)進(jìn)、排氣孔道壓力的影響

在不同荷電電壓下,進(jìn)、排氣孔道內(nèi)靜壓變化如圖5所示.

圖5 不同荷電電壓下,進(jìn)、排氣孔道內(nèi)的靜壓變化

從圖5a可以看出:隨著荷電電壓的增大,顆粒粒徑增大,進(jìn)氣孔道內(nèi)的靜壓大幅上升,在荷電電壓為20 kV時(shí),靜壓達(dá)到最大約為10 kPa,這是因?yàn)檫M(jìn)氣孔道通過多孔介質(zhì)壁面與排氣孔道相通;當(dāng)荷電電壓增大時(shí),顆粒粒徑增大,大粒徑的顆粒很快將壁面堵塞,多孔介質(zhì)壁面孔隙率變小,從而引起進(jìn)氣道內(nèi)靜壓變大.從圖5b可以看出:在0 m處荷電電壓的增大會(huì)使孔道內(nèi)的壓力變大,這是因?yàn)楹呻婋妷鹤兇?顆粒粒徑增大,壁面堵塞嚴(yán)重所以壓力會(huì)變大;出口處由于排氣孔道與大氣相通,所以最終壓力都降為0 kPa.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

雙極荷電凝并試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示,主要包括臺(tái)架系統(tǒng)、荷電與凝并裝置以及捕集系統(tǒng)等.采用濰柴動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的YZ4102四缸、四沖程柴油機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī),其主要技術(shù)參數(shù):工作容積為4.09 L；壓縮比為17.5；額定功率為95 kW；額定轉(zhuǎn)速為2 600 r·min-1.

圖6 試驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

試驗(yàn)臺(tái)架控制系統(tǒng)主要由臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)、電力測(cè)功機(jī)(湘儀FC2005)、燃油溫控儀(AVL753)、油耗儀(AVL735)等測(cè)試儀器組成.其中,臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度及壓力等傳感器,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù),如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率、水溫、油溫、油耗、進(jìn)排氣溫度和背壓等參數(shù),進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè).

雙極荷電裝置主要由電暈電極、不銹鋼圓筒和陶瓷管構(gòu)成.荷電裝置內(nèi)部固定1根長(zhǎng)320 mm、直徑1.5 mm的紫銅電極并與高壓電源相連作為放電電極,其安裝在圓筒的中心位置.試驗(yàn)所用高壓直流電源型號(hào)為大連泰思曼科技有限公司生產(chǎn)的TE4020型.捕集系統(tǒng)所選用的DPF載體參數(shù)與模擬時(shí)的DPF參數(shù)一致.

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 900 r·min-1,100%負(fù)荷作為工況點(diǎn).柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后,打開高壓電源并調(diào)節(jié)高壓電源分別為0,±10,±20 kV.-20～20 kV電壓下的電流范圍為-0.42～0.42 mA.為降低排氣溫度對(duì)顆粒荷電的影響,在荷電裝置上安裝陶瓷電熱圈,設(shè)定控制溫度為300 ℃.

不同荷電電壓下,DPF對(duì)碳煙加載時(shí)間統(tǒng)一為3 h.在加載過程結(jié)束后,DPF載體沿不同軸向位置進(jìn)行切片,由于切片操作會(huì)對(duì)外圍通道內(nèi)的顆粒沉積產(chǎn)生影響,所以選取切片中心位置通道計(jì)算顆粒沉積厚度,DPF載體切片如圖7所示,紅色區(qū)域?yàn)閽呙鑵^(qū)域.測(cè)量過濾器通道內(nèi)部顆粒沉積厚度試驗(yàn)是基于場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(S- 4800ⅡFESEM)的圖像,掃描區(qū)域通道內(nèi)的碳煙層厚度如圖8所示.碳煙層厚度是通過累積在通道所有側(cè)碳煙厚度總和再取平均值的方法計(jì)算.

圖7 DPF載體切片

圖8 碳煙層厚度(SEM圖)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

顆粒在不同荷電電壓下,在DPF載體內(nèi)沿軸向的分布情況如圖9所示.

圖9 捕集器碳煙層軸向厚度

從圖9可以看出:荷電電壓為0 kV時(shí),DPF進(jìn)氣孔道入口端的顆粒沉積厚度較小約為48 μm,而在通道末端顆粒沉積量達(dá)到最大值約為65 μm,這是由于孔道末端壁面堵塞,大部分顆粒沉積在通道后半部分;隨著荷電電壓的增大,顆粒沿軸向的沉積量較0 kV時(shí),有明顯的增大,顆粒沿通道分布較均勻,這是因?yàn)楹呻婋妷旱脑龃?顆粒群中粒徑較大的顆粒比重上升,在不改變DPF載體孔隙率的情況下,深床捕集周期變短,濾餅捕集變?yōu)橹饕都绞?當(dāng)電壓增大時(shí),顆粒沉積量隨之增大,而由于顆粒帶電后受電場(chǎng)力的作用,顆粒沿軸向分布變得均勻.

5 結(jié) 論

1) 在荷電電壓為0 kV時(shí),進(jìn)氣孔內(nèi)的氣流速度會(huì)在孔道末端陡降為0 kPa,排氣孔道內(nèi)的氣流速度會(huì)在孔道的中后段有較明顯的變化,在出口處流速達(dá)到13.0 m·s-1;隨著荷電電壓的增大,進(jìn)、排氣孔道內(nèi)的氣流速度沿軸向變化趨于線性；顆粒在壁面的滲流速度會(huì)在軸向位置0.08 m處急劇上升，在末端達(dá)到最大值,隨著荷電電壓的增大,顆粒在壁面的滲流速度會(huì)趨于平緩.

2) 在進(jìn)氣孔道內(nèi),隨著荷電電壓的增大,孔道內(nèi)壓力也隨之增大,且電壓越高壓力越大,而荷電電壓的變化對(duì)排氣孔道內(nèi)壓力影響不大.

3) 荷電電壓的增大會(huì)使孔道顆粒沉積更加均勻,且電壓越高,顆粒沉積厚度越大.