DPF孔道内流场研究与孔道结构参数优化

发布时间：2020-11-08 17:15

　　 伴随以柴油机为动力源的移动机械日益增加,柴油机排放的PM量越来越引起关注。柴油机颗粒物捕集器DPF作为高效控制柴油机PM排放的后处理装置,加装后会提高发动机的排气背压,影响发动机性能,因此降低DPF压降具有重要意义。本文开展DPF孔道流场速度与压降分析,基于分析结果开展孔道结构参数优化设计,旨在降低DPF压降。本文主要研究内容、研究方法如下:(1)DPF孔道流场仿真分析本文基于CFX建立DPF孔道三维流场模型,研究DPF孔道内流场分布,测算碳烟沉积分布,为DPF的压降优化设计提供参考方向。得出结果结论如下:(a)发现过滤壁面和碳烟饼层是DPF孔道压降的主要贡献者,孔道沿程阻力对孔道压降贡献较小,降低过滤壁面厚度和碳烟饼层厚度大小可以有效降低孔道压降。灰烬饼层沉积状态孔道内压降大于灰烬堵头沉积状态。(b)DPF进口孔道内速度场由入口处的均匀分布,沿孔道轴向逐渐发展为不均匀,最后在进口孔道堵头处或灰烬堵头处速度降为零;出口孔道内速度场由出口孔道堵头处位置的零流速开始沿轴向向下游方向升高,逐渐发展为不均匀。(c)洁净状态下的过滤壁面,沿孔道径向方向气体流速降低,沿孔道轴向方向气体流速升高。碳烟深床捕集过程中,过滤壁面内气体流速沿孔道轴向均匀分布,碳烟沿轴向位置均匀沉积。饼层捕集过程中,碳烟饼层上表面的气体流速沿孔道轴向基本均匀分布,碳烟基本沉积均匀;沿孔道径向方向,碳烟饼层两表面交界处气体流速最高,碳烟颗粒容易沉积在碳烟饼层两表面交界处。(d)灰烬沉积堵头长度范围内,进口孔道和过滤壁面内气体流速基本为零,出口孔道内流场基本不变;非灰烬堵头长度范围内,进、出口孔道流场与洁净状态相似,过滤壁面内气体流速沿轴向方向呈现两端高,中间低分布,且最高流速相比洁净状态高,过滤壁面捕集碳烟量增大。灰烬饼层沉积状态的DPF孔道内流场与碳烟饼层沉积相似。(2)DPF孔道结构参数优化设计本文基于GT-Power建立一维整体DPF仿真模型,研究非对称孔道结构、孔密度和过滤壁厚对DPF性能的影响,运用数值优化算法进行DPF非对称孔道边长比、孔密度和过滤壁厚组合优化分析,得出最佳非对称进出口孔道边长比、孔密度和过滤壁厚,在不牺牲捕集效率的前提下实现DPF压降的降低。研究主要结果结论如下:(a)进口孔道尺寸大于出口孔道的非对称结构相比进出口孔道尺寸相同的对称孔道可以降低碳烟饼层捕集过程中的压降,但提高深床捕集过程的压降,并降低DPF的捕集效率。提高孔密度可以在一定范围内降低DPF的压降,同时提高DPF的捕集效率;降低DPF过滤壁厚可以有效降低碳烟捕集过程的压降,但会降低DPF的捕集效率。(b)以DPF的进出口孔道边长比值、孔密度值和过滤壁厚值为设计参数,DPF洁净状态的捕集效率为约束,碳烟沉积量为再生阈值为6g/l时的DPF压降为优化目标进行近似建模优化,采用NIPQL优化算法得出方型的进出口孔道边长比值为1.0241,孔密度为400cpsi、过滤壁厚为0.333mm时,在控制捕集效率不变的前提下,DPF压降降低。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK421
【部分图文】：

图 1-2 蜂窝结构 DPFFig.1-2 DPF with cellular structureDPF 的工作机理包括 DPF 的过滤机理和 DPF 再生机理。(1) DPF 过滤机理DPF 过滤壁面对 PM 的过滤机理有扩散、拦截、惯性碰撞、重力沉降等机理[14]见图 1-3。DPF 的扩散捕集机理是利用颗粒的布朗运动。尾气流过 DPF 时，颗粒物出现聚作用形成颗粒物浓度梯度，颗粒物产生扩散运输，颗粒物被 DPF 捕集。PM 扩散捕的布朗运动可以由佩克莱特数Pe表示，佩克莱特数越大，颗粒的扩散运输量越小对流运输量越大。DudPepore (1-KT

广东工业大学硕士学位论文物由于惯性与 DPF 壁面发生碰撞沉积或吸附。PM 的惯性碰撞机理可以由斯tkS 描述。斯托克斯数越大，基于惯性碰撞捕集效率越高。 pore2tk18 dduSpgp 式中，p 为颗粒物密度；g 为气体密度；pd 为颗粒直径； 气体动力粘度。DPF 的重力沉降机理认为颗粒物在重力的作用下，脱离气体流向方向，与 D生碰撞沉积。

基于 CFX 建立 DPF 孔道三维流场模型用于孔道内流场分析，基于F一维整体仿真模型用于孔道结构参数优化研究。DPF 孔道内流场难以试验测量，本章参考相关文献选用的 DPF 参数三维流场模型，通过与参考文献给出的参考数据进行比对，验证所型的准确，进而调整模型参数，使之与试验用的 DPF一致，以用于F孔道三维内流场特性研究分析。计算机资源所限，DPF 孔道三维流场模型无法连续模拟碳烟捕集过性能和捕集效率变化，且单组孔道无法反映 DPF的整体压降，故本ower建立 DPF 一维整体仿真模型，通过 DPF实体试验测试数据标定，使仿真模型可以准确仿真碳烟捕集过程中 DPF整体压降和捕集效本文第四章的 DPF孔道结构参数优化研究。的建模流程图见图 2-1。
【参考文献】

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本文编号：2875084