论文部分内容阅读
柴油机颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF)作为新一代柴油发动机尾气后处理装置,其凭借自身独特的多孔结构,对废气中的碳烟颗粒物进行捕集,能有效的减少颗粒污染物排放。DPF在捕集颗粒和再生控制中会涉及到复杂多相流动、传热、传质及化学反应等复杂过程。为了进一步提高DPF捕集效率,有必要系统的了解DPF内部的物理及化学传输特性。本文基于新型的格子Boltzmann方法,开发DPF孔隙尺度数值计算模型,深入研究碳化硅过滤器薄壁中的微纳米尺度气固两相流动,传质传热及再生燃烧化学反应过程。首先,采用格子Boltzmann方法中的不可压D2G9模型对DPF单通道内的流场及压力分布进行了模拟,并详细讨论了入口流速、孔隙结构,过滤器厚度对单通道内流场及压力分布的影响。研究结果表明:低入口流速下,DPF通道内的压力分布均匀;高入口流速下,低孔隙直径的通道内的气流倾向于从通道末端穿过过滤器壁;过滤器壁厚越大,前后端压力差越大。然后,基于元胞自动机概率模型设定适用于DPF中颗粒运动规则,并与格子Boltzmann模型进行耦合,利用验证后的耦合模型对壁流式DPF单通道内的气固两相流动及颗粒沉积特性进行数值模拟。研究结果表明:低流速下,气流对颗粒运动的影响较小,颗粒运动主要以扩散机制为主,且颗粒在通道内的沉积分布比较均匀;高流速下,颗粒运动主要以惯性机制为主,颗粒主要沉积在通道的中后段。过滤器的平均孔隙直径越小,颗粒更容易沉积在过滤器前端壁面,易形成滤饼层。最后,根据电子显微镜(SEM)扫描的Si C-DPF薄壁微观结构,利用四参数随机生成法重构了高精度Si C-DPF薄壁的二维三相数字模型,并使用格子Boltzmann方法对上述构建Si C-DPF薄壁数字模型进行多场耦合模拟计算,重点分析气体流动,传质传热,化学反应及固体热传导。研究结果表明,该模型可以高效的捕获孔隙尺度下的再生燃烧现象,并可以预测控制再生燃烧的各种机制。就氧气的利用率及稳定的燃烧温度而言,扩散控制更适合再生燃烧,即低Pe数和高Da数。综上所述,本文通过数值模拟方法,对DPF孔隙尺度下的复杂多相流动、传热、传质及化学反应等过程进行了相关讨论分析,克服了试验微观可视化的局限性,为提高捕集效率,优化再生控制、降低DPF生产成本的具有重要的理论和实际工程意义。