旋轉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,馬進仕

(湖南涉外經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，解決了傳統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對過濾體內部速度場以及湍動能的影響規律。

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境，即發動機排氣工況而言，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象[8]。

1) 連續方程

(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學描述[10-12]。

1) 連續方程

(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域的流動數學模型，根據過濾體內流動特點，選取κ-ε湍流模型計算湍流現象。

2 旋轉徑向式顆粒捕集器網格劃分

利用專業網格劃分軟件對計算域進行網格劃分，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[13]。根據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個區域：入口、多孔介質區域、多孔介質與壁面之間縫隙以及出口區域，網格劃分結果見圖1。考慮到4個劃分區域結構規則，網格主體為六面體類型，過渡區域采用鍥形體結構化網格。同時，入口與出口區域流動特征變化顯著，為了著重考察這兩個區域的流場特征，設置網格局部加密，網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，對發動機的動力參數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與特征結構參數入手，分析其對流場的影響與優化方案。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域；b截面屬于擴張管中段，這一區域屬于渦流與湍流的發展階段；截面c，d，e屬于旋轉式載體區域，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，產生回流與渦流現象，g截面上的流速分布也很大程度上體現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。依據測量數據，當發動機在轉速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，覆蓋發動機的各典型工作環境，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，徑向速度數值出現小于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律大致相同，都呈現出先增大后減小的趨勢，僅僅是速度絕對值大小發生變化。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。通常情況下，D1的值與發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；而徑向速度呈現先增大后減小的趨勢，速度拐點大約出現在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了負值，這說明隨著擴張角的增大，渦流現象在b截面處產生，并且渦流強度與渦流區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

根據分析結果可知，為了減弱顆粒捕集器中出現的渦流、回流等現象，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，因此現實優化中，忽略運行工況的影響，一般從結構參數著手進行優化；

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。

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