国际航空航天工程杂志》上

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国际航空航天工程杂志》上/2021年/文章
特殊的问题

燃烧热声学和控制

把这个特殊的问题

研究文章|开放获取

体积 2021年 |文章的ID 6638517 | https://doi.org/10.1155/2021/6638517

李Jianyu Chunping陆,东里棕褐色, 调查Gas-Soot流分布特点煤烟捕获过程的壁面流柴油微粒过滤器”,国际航空航天工程杂志》上, 卷。2021年, 文章的ID6638517, 10 页面, 2021年 https://doi.org/10.1155/2021/6638517

调查Gas-Soot流分布特点煤烟捕获过程的壁面流柴油微粒过滤器

学术编辑器:帮吴
收到了 2020年11月15日
修改后的 2020年12月21日
接受 2021年1月04
发表 2021年1月27日

文摘

为了调查特点两相流的分布特征在柴油微粒过滤器捕获过程,特点两相流的数学模型内部和外部滤波器已建立在捕获过程中根据质量守恒方程,动量守恒方程,k- - - - - -ε湍流方程。进行了模型的验证与实验和模拟流分布特点两阶段的特征。结果表明,静压梯度沿径向分布是更大的进气过滤器捕获过程中柴油微粒过滤器,这很容易导致最终导致疲劳损伤由于应力集中在过滤器的前端;此外,较弱的涡流强度特点形成的膨胀管,流速和烟尘浓度分布的均匀性越好。因此,建立的数学模型可用于预测特点流速分布柴油微粒过滤器。

1。介绍

众所周知,一个关键因素在城市的污染,排放的废气污染1- - - - - -3]。排放,特别是从柴油机颗粒物质,是空气污染的主要来源4,5),严重影响人们的身心健康和生活质量,但也阻碍了城市的可持续发展6- - - - - -8]。因此,控制柴油机的排气污染,保护大气环境已成为一个重要的问题和战略任务的国际汽车工业花费大量的人力9)、金融(10,11),和物质资源12]。改善柴油机的排放控制技术可以提高环境质量(12- - - - - -15),完整的生态系统的完整性和稳定性(13,14),促进高集成环境保护(15和经济社会16]。所以人类健康已经充分保障,最终提高了国家可持续发展的能力(17]。

柴油微粒过滤器被认为是最有前途的解决方案来减少PM排放到环境背景水平的水平(18,19]。目前柴油微粒过滤器的研究主要集中在捕获效率的柴油微粒过滤器,过滤器内运动的特点,沉积特征和过滤再生(20.,21),研究颗粒流的分布特征在柴油微粒过滤器是有限的(22]。事实上,利用率,再生周期长度和柴油微粒过滤器的过滤器的使用寿命取决于颗粒流的分布特征23),特别是流速的均匀性分布特征和烟尘浓度的柴油微粒过滤器(24]。

目前,特点两相流的问题主要是通过特点两相相互作用的分析,解决与分析方法,包括跟踪粒子的运动轨道用拉格朗日坐标和研究混合相位运动欧拉坐标系(25];在前,它是更难获得连续粒子速度和浓度的空间分布和大量的计算需要伪粒子模型,因为particle-phase和气相分离26]。另一方面,在后者中,很容易描述的浓度场particle-phase就只需要少量的计算(27]。由于更大的差异原则和流动特性,当气流流经内部和外部过滤器,因此有必要分别建立数学模型特点流内部和外部滤波器(28,29日]。

因此,基于特点的流理论和多孔介质理论,柴油微粒过滤器的特点流特征进行了研究。计算与分析表明,流速的分布特征和烟尘浓度,这将为优化提供重要的理论依据和设计新型柴油微粒过滤器设备和再生过程的控制。

2。烟尘捕获过程的模型和方法柴油微粒过滤器

2.1。柴油微粒过滤器的工作原理

如图1的柴油微粒过滤器由进气管、膨胀管、过滤器,收缩管和排气管。黑烟含有来自柴油机的碳颗粒进入柴油微粒过滤器通过特殊管道,流经其内部intensive-setting过滤器;与此同时,碳颗粒在壁面流吸收蜂窝陶瓷过滤器。

随着工作时间的增加,粒子柴油微粒过滤器的逐渐增加,导致发动机背压的增加,柴油机的性能的降低。最后,沉积粒子通过回收技术,然后删除柴油微粒过滤器的过滤性能恢复。

2.2。建立数学模型

如图2根据流动特性的捕获过程柴油微粒过滤器,一些假设可以为:(一)当排气流经过滤器的墙,它不会从过滤墙方向流出 ;因此,渗流速度和烟尘浓度梯度的方向 远低于那个方向 ;因此,烟尘浓度被认为是常数的方向 当排气流经过滤墙(b)根据研究[30.),改变渗流速度方向上的过滤器墙是非常小的 ;因此,它可以被视为一个常数(c)清洁过滤器,孔隙度、渗透率和微孔过滤表面的大小都认为是处处相等(31日](d)为便于计算滤波器的流动阻力,提出的假设从[30.,32]本文使用,即。,particle layer formed on the surface of a filter wall is assumed to be uniform distribute along directions

2.2.1。特点的数学模型两相流外过滤器

研究结果表明,涡时产生的废气流经膨胀管(33),所以外排气过滤器的湍动柴油微粒过滤器。在这个模型中建立的k- - - - - -ε湍流模型是用来描述湍流现象。

外的质量守恒方程特点两相流过滤表示为情商。1)。 在哪里 表示气相, 表示particle-phase; 是气相的材料密度(或particle-phase); , , ,分别是速度的方向 , , 气相(或particle-phase); 是气相的质量源传播(或particle-phase); 是气相的体积分数(或particle-phase)的关系满意吗

动量守恒方程的特点两相流外过滤器是表示为情商。2)。 在哪里 ,分别是方向 , , ,2和3; , , , , ,分别是速度的方向 , , 气相(或particle-phase)的相互作用力,和外部的身体力以及虚拟质量力; 是气相的pressure-strain张量(或particle-phase)。

k-ε湍流方程特点之外的两相流过滤表示为情商。3)。 在哪里 是湍流动能; 湍流耗散率; 是气相的混合密度和particle-phase; 是湍流粘度; 是生产的湍流动能; 普朗特数对应的湍流动能。

根据情商。1情商。(3),情商。4)可以获得。 在哪里 , , 模型常数;根据建议值和随后的实验中, , ,

2.2.2。特点的数学模型两相流内部过滤器

柴油微粒过滤器的原因实际上是一个多孔介质渗流特征,所以特点两相流的基本方程建立了内部过滤器使用多孔介质理论和multifluid模型理论。

的质量守恒方程特点过滤器内两相流表示为情商。5)。 在哪里 多孔介质的孔隙度。

动量守恒方程的特点过滤器内两相流表示为情商。6)。 在哪里 多孔介质的渗流阻力为气相(或particle-phase); 渗流速度。

2.3。初始条件和边界条件

假设进气气流的印象,和它的速度没有径向分量是统一的。所以速度边界条件作为入口边界条件,和压力边界条件作为出口边界条件,在出口压力边界条件设置为0,就只考虑相对价值的压力。无滑移边界条件对整个墙,即所有速度组件都为零。

从柴油废气的温度,发动机是300°C;因此,材料的密度和温度的动态粘度气相也设置为300°C。

湍流强度和水力直径随着湍流的输入,湍流强度 可以计算为情商。7)。 在哪里 是雷诺数, ;然后, 流体速度,m / s; 空气入口管的直径,m; 运动粘度,m2/ s。

目前,柴油机排气颗粒直径约为0.1 ~ 1μ米范围内,粒子直径设置为0.5μm。

,从柴油机排气微粒的主要成分是碳(大约75%)的密度是2000公斤/米3,25%的排气微粒休息是高沸点碳氢化合物。因此,粒子材料的密度可以估计到1600公斤/米3

文献[30.]指出从柴油机排气微粒的表观密度为75公斤/米3。因此,进口粒子的体积分数可以根据情商估计0.05。(8)。 在哪里 ,分别是颗粒表观密度和材料密度(公斤/米3)。

输入参数表示如表所示1在计算过程。


SN 输入参数 价值

1 进口气相速度 / (m·s1) 50
2 入口速度的particle-phase / (m·s1) 50
3 体积分数的particle-phase 0.05
4 材料密度的气相 /(公斤·m3) 0.3827
5 气相的动态粘度/ (Pa·s)
6 材料的密度particle-phase /(公斤·m3) 1600年
7 particle-phase直径 /μ 0.5
8 湍流强度 0.43
9 水力直径 /毫米 50

2.4。网格的几何模型

柴油微粒过滤器网状的几何模型通过使用策略软件与非结构化网格和六面体和楔。为了计算更精确的流动特性的扩张管、膨胀管的网格大小设置为5和其他人设置为5。

把表2例如,网格数量的空气入口管和膨胀管,过滤器,和出口管分别277582年、252442年和164768年。


SN 结构参数 价值

1 直径 柴油微粒过滤器/毫米 160年
2 长度 频道/毫米 75年
3 滤波器长度 /毫米 305年
4 长度 多孔介质/毫米 0.5
5 壁厚 频道/毫米 0.31
6 孔隙度 0.5
7 直径 进气道/毫米 50
8 锥角 膨胀管/o 60

为了提高计算精度,二阶逆风的类型区别是用于离散动量方程(34)和相间滑移算法(IPSA)是用于解决柴油微粒过滤器的啮合模型(35,36]。

2.5。模型验证

在报纸上,这是由于柴油机的废气排放的脉冲形式伴随着巨大的压力波动,积累的煤烟颗粒会影响测量流速的实验过程。流动特性的测量柴油机排气系统不能操作。因此,考虑到实验的研究主要侧重于流速的分布特征,实验设备能满足实验的要求。和气流速度由热线风速仪测量AN1002型。实验设备的原理图如图3

入口速度改变时,将改变相关参数。但变化趋势非常相似。因此,在其余条件排气入口速度的常数40米/秒,测量值和模拟值的轴向速度一节,b部分,部分碳碳如图4。如图4气流速度的模拟值与实际测量值。之间的差异的实际测量值和模拟值主要由self-measurement错误引起的,精密的仪器和简化的数学模型。

在一般情况下,气流速度的模拟值的柴油微粒过滤器同意测量值。此外,相对误差的最大区别实际测量值和模拟值小于4.6%。因此,本文建立的数学模型可以用来预测特点流速分布的柴油微粒过滤器。

3所示。分析仿真结果

3.1。气相流动特性的计算与分析

轴向速度和径向速度的分布特征膨胀管在图所示5一节( 毫米),b部分( 毫米),部分碳碳(滤波器的输入端表面,X 毫米),部分d d(过滤器的出口端表面, 毫米)。

如图5,一个轴向气流速度表示逐步减少4部分的径向位置增加。轴向气流速度在第二部分我和部分都是负的,说明有一个漩涡现有的两个部分。从负横坐标范围内,很明显,涡流区截面截面面积我比二世。这是因为第二节附近的过滤器,和漩涡周围地区部分II是由互动的增加引起的膨胀管的直径和再循环的废气过滤的脸。此外,图5也可以表明,涡流现象不会出现在进口柴油微粒过滤器表面或出口表面PDF。

由于比较分析轴向速度变化的废气如图四部分5(一个)可以得出结论,从入口是更大的轴向位置,轴向速度的差异越小中心线之间的废气和柴油微粒过滤器的边界,这表明,轴向速度的废气是沿径向均匀性更好。

曲线3和曲线在图45(一个)还表明,轴向速度分布的废气从入口到出口的柴油微粒过滤器。和它可以得出结论,废气的轴向速度沿轴向方向更好的一致性的柴油微粒过滤器;因此,火焰传播速度的差异在每个过滤器的孔隙通道小加热再生过程,这是非常有用的为提高再生效率加热柴油微粒过滤器的再生过程。

5 (b)显示的是气相速度沿径向的分布。如图5 (b)的径向气相速度部分很,b,碳碳经常从增加减少,最大限度的增加逐渐增加的径向位置。例如,有最大的径向气相速度在第二节

6揭示了柴油微粒过滤器的压力分布。如图6(a),有绝大多数的柴油微粒过滤器的压力损失在墙上壁面流表面蜂窝陶瓷过滤器和其他有压力损失产生的从通道的摩擦阻力和局部阻力的进口和出口截面突变。在滤波器的通道压力损失的主要柴油微粒过滤器的压力损失。此外,该地区附近的扩张和收缩管也管生产压力损失的一个重要组成部分。

如图6柴油微粒过滤器,有最大值的静态压力中心的入口端表面的梯度沿径向静压大,这将引起应力集中的前端柴油微粒过滤器,甚至导致过滤器前段产生疲劳损伤。

3.2。计算和分析Particle-Phase流的特点

粒子速度和气体速度的比较图表部分b如图7

显然,第二节particle-phase外的轴向速度略低于气相,但在第二部分particle-phase径向速度略高于气相。这些说明,有相对较小的粒子速度和气体速度的区别。

柴油微粒过滤器的烟尘浓度分布在捕获过程如图8。在部分I和II的扩张地区,烟尘浓度首先仍然是0.05,然后慢慢减少,最后回头增加径向位置的变化。

相比之下,图5,涡流现象导致部分很和部分b被烟尘浓度下降,和径向位置一节和部分b的烟尘浓度开始降低匹配与径向位置轴向和径向气相速度变得消极。这是由于离心力引起的涡流使粒子分离到各个方向,这将导致减少烟尘浓度的漩涡中心。与径向位置的增加,涡流强度将逐渐降低沿径向位置,和烟尘浓度会逐渐增加,涡强度相对较弱的位置。

如图8,增加径向位置,有一个小的烟尘浓度的变化部分,但是有更大的第三章烟尘浓度的变化。例如,第三节慢慢减少的烟尘浓度最大值(即0.0567)的最小值(即0.0464),然后转到0.054。显然,烟尘浓度的最小值时获得的

如图8,一些现象可以表示如下:(1)烟尘浓度时将大幅增加在轴向方向滤波器 (2)烟尘浓度会逐渐减少在轴向方向 (例如, 毫米)

相应的解释以上现象表示如下:(1)有大的轴向速度和径向速度小膨胀管的中心线附近,导致排气微粒过滤器中线附近聚集。此外,由于耦合效应的逐渐减少轴向速度和径向速度的逐渐增加膨胀管地区有一个漩涡区域扩张管。涡旋区域将导致减少粒子的聚合度和烟尘浓度(2) (例如, 毫米),有一个最大涡强度最大膨胀管和涡流强度使烟尘浓度最小的位置。当的值 继续增加,粒子的聚合程度又开始增加由于涡强度逐渐降低;因此,烟尘浓度会增加

上述分析表明,烟尘浓度的分布特征柴油微粒过滤器是由废气的流速分布在膨胀管地区。因此,最大因素影响柴油微粒过滤器的浓度分布是涡流现象在膨胀管地区。

4所示。结论

能源危机(37- - - - - -40)促进世界各国政府制定更加严格的排放法规,这意味着它非常迫切需要开发新的燃烧(41- - - - - -43)和减排技术(44- - - - - -50)减少发动机排放(51- - - - - -54]。本文数学模型的特点建立流动特性和用来研究特点的特征流。结论表达如下:(一)有一个大的静压现象在入口端 等于0.00,有很大的静压梯度沿径向分布,容易导致应力集中的前端过滤和导致疲劳损伤(b)烟尘浓度分布的重要因素影响柴油微粒过滤器在膨胀管涡流现象。涡流强度越弱越好速度和烟尘浓度分布的均匀性(c)为了提高速度分布和烟尘浓度分布的均匀性,结构改善柴油微粒过滤器应该应用于减少涡流强度在未来工作(d)仿真结果的流速柴油微粒过滤器的每个部分从根本上同意实验结果,相对误差在允许范围内;因此,建立数学模型是可靠的

研究结果建议分布特征的数学模型,探讨准确特点两相流在柴油微粒过滤器捕捉过程。这个改进是有助于减少柴油机的烟尘排放,以减少能源和传统燃料燃烧造成的环境问题。在未来的研究中,结构参数的影响在DPF捕获过程将进行调查。

命名法

: 该模型常数
: 该模型常数
: 空气入口管的直径,m
: 废气的入口速度,m / s
: 相互作用力,N
: 外部的身体力量,N
: 生产的湍流动能
: 湍流动能,m2/秒2
: 雷诺数
: 速度的方向 气相的m / s
: 流体速度,m / s
: 运动粘度,m2/秒
: 的速度方向上的废气 ,米/秒
: 入口速度方向 气相的m / s
: 动荡的粘度、Pa·s
: 的速度方向上的废气 ,米/秒
: 的速度方向上的废气 ,m / s。
希腊的象征
: 体积分数,%
: 气相的物质密度,公斤/米3
: 粒子的表观密度,公斤/米3
: 材料密度,公斤/米3
: 混合密度,公斤/米3
: 湍流耗散率,%
: 多孔介质的孔隙度
: 该模型常数
: 的普朗特数
: pressure-strain张量,N
: 渗漏率,%
: 气相的质量源传播。

数据可用性

(1)所有数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。(2)使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由广西自然科学基金的支持下2018 gxnsfaa281267和2018 gxnsfaa294072的研究资助。这项工作还支持广西大学中青年骨干教师的基础研究能力提升项目在2020年的研究资助ky39008和重点科研项目下的广西工业职业和技术学院的科研补助金2019015 ky025。

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