随着国内外汽车排放法规的不断加严,排气后处理技术作为一种有效的汽车尾气处理方式得到了广泛的使用和长足的发展。与汽油机相比,由于燃烧方式的不同,柴油机具有热效率高、动力性强、燃油消耗低和耐久性好的优点,但同时,由于非预混的燃烧方式使得柴油机的颗粒物排放显著高于汽油机,成为柴油机排放的主要污染物。而柴油机微粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)作为一种目前最为有效的颗粒后处理装置因其极高的颗粒过滤效率被广泛应用在柴油车上。为了对颗粒在DPF内的运动和沉积分布情况进行研究,本文建立了DPF微观孔道气-固两相流模型和DPF深床过滤瞬态模型,利用数值模拟方法对颗粒在DPF孔道内的运动轨迹、DPF孔道内流场、DPF过滤效率以及颗粒在DPF内的沉积分布情况进行了考察。本文对颗粒在DPF入口孔道内运动轨迹的研究结果表明在柴油机排气颗粒粒径范围内,流体曳力和布朗力是影响颗粒运动的两种主要作用力。布朗力对10nm颗粒运动轨迹的影响极为明显,对100nm和1000nm颗粒的影响则很小。空速的提高能抑制布朗力对颗粒运动轨迹的影响,使得颗粒运动的直线性更好。本文在对DPF孔道内流场的研究中发现空速和DPF壁面渗透率对DPF孔道内流场有着明显地影响。空速越小,DPF入口、出口孔道中心轴线速度沿DPF长度方向的线性越好,壁面速度分布越均匀;相反,空速越大,DPF入口、出口孔道中心轴线速度沿DPF长度方向的线性越差,壁面速度分布越不均匀,孔道后方壁面速度明显升高。壁面渗透率越小,DPF入口、出口孔道中心轴线速度沿DPF长度方向的线性越好,壁面速度分布越均匀,受空速的影响越小。本文在对DPF过滤效率的研究中发现DPF对10nm颗粒和1000nm颗粒的过滤效率要明显高于100nm颗粒,当空速增大时DPF对三种粒径颗粒的过滤效率均有所降低。DPF过滤效率沿DPF轴线方向的分布与其流场中壁面速度沿DPF轴线方向的分布有着一定的负相关性,壁面速度出现明显升高的区域也是过滤效率出现明显下降的区域,尤其表现在受布朗扩散捕集机理影响较大的颗粒的过滤效率上。壁面速度沿轴向的分布越均匀,DPF过滤效率沿轴向的分布也越均匀。本文对颗粒在DPF内沉积分布的研究结果表明颗粒沿DPF入口孔道壁面的沉积分布形态与空速、DPF壁面渗透率和颗粒粒径大小有关。10nm颗粒沿DPF入口孔道壁面的沉积分布整体较为均匀,而100nm颗粒表现为前少后多。空速的升高或壁面渗透率的增大都会使得颗粒沿入口孔道壁面沉积分布的均匀性减弱,孔道后方沉积的颗粒增多,且孔道后端颗粒沉积明显增多的区域也是壁面速度明显升高的区域。在对DPF多孔介质壁中颗粒沉积分布的研究中发现相同工况下,不同粒径颗粒在DPF多孔介质中的深床过滤过程也存在差别。对1000nm和10nm颗粒,其深床过滤过程较为相似,两种颗粒在多孔介质壁中渗入的深度都较浅,颗粒主要沉积在多孔介质壁上端20%的深度范围内,尤其是最上方10%的深度范围内,随着颗粒在多孔介质壁中不断积累,相应地该区域也是多孔介质孔隙率、渗透率下降最快、变化最明显的区域。相比之下,100nm颗粒在多孔介质壁中渗入的深度则相对较深,多孔介质孔隙率、渗透率的变化幅度较小且变化过程较为平缓。1000nm和10nm颗粒沉积过程中DPF压降上升的速度明显快于100nm颗粒,DPF对不同粒径颗粒的过滤效率均随着颗粒沉积量的增加在逐渐上升。本文在对覆有密实薄层的非均匀壁结构DPF的研究中发现薄层的存在能够提高DPF壁面速度分布的均匀性,提高DPF对不同粒径颗粒的过滤效率以及过滤效率分布的均匀程度,并使得颗粒沿DPF入口孔道壁面沉积分布更均匀,大幅减小颗粒在多孔介质壁内的渗入深度。