（动力机械及工程专业论文）汽车排气尾流及尾流中微粒演变规律的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 近年来，随着汽车保有量的增加，汽车排放已经逐步成为城市大气污 染的主要来源。特别是汽车排气微粒，由于其粒径较小，吸附有害物质多， 逐渐成为威胁人类健康的巨大隐患。为了合理地评估汽车排气微粒对人体 健康的影响，系统地研究汽车尾气扩散以及发生在尾气中的微粒演变规律 是非常必要的。 本文建立了三维汽车简化模型，根据汽车排气尾流扩散的特性，确定 了合理的计算区域和边界条件，得到合理的计算网格文件。通过f l i j e n t 软件，利用七一s 湍流模型对怠速条件下汽车排气尾流流场，包括排气尾流 速度场、污染物浓度场、排气温度场以及污染物稀释比等的分布特性和扩 散规律进行分析研究。系统地分析了排气出口浓度、排气出口速度、排气 出口角度、正向风以及侧向风等因素对怠速条件下汽车排气污染物在排气 尾流中扩散特性的影响及影响规律。 本文参考有关文献和研究成果，通过适当的假设与简化，建立了描述 汽车排气尾流中微粒演变过程的核化模型、凝结模型和凝并模型。在此基 础上，编制了f 0 岫n 计算程序，对汽车排气微粒在排气尾流中的核化、凝 结、凝并演变过程以及影响因素进行分析和研究。研究结果表明，微粒的 核化增加了排气尾流中超细微粒的数量，燃料硫含量、排气稀释比、排气 尾流温度以及相对湿度等对微粒的核化过程有较大的影响；微粒的凝并和 凝结会改变排气尾流中的微粒粒径分布；汽车排气微粒的初始分布会对排 气尾流中微粒的凝并过程产生影响；在核化与凝并、凝结同时存在时，核 化对微粒粒径分布的影响相对较小，微粒粒径分布的变化主要受凝并和凝 结的作用：在排气管口处，微粒的核化、凝并及凝结比较剧烈，微粒粒径 分布随时间变化较大，随着距排气管口距离的增加，微粒的演变过程逐渐 减弱。 本文的研究成果可以为汽车排放控制策略的确定、汽车微粒对人类健 康影响的研究提供一定的理论依据。 关键词：汽车排气尾流排气微粒演变规律 北京交通大学硕士学位论文 a b s i r a d a b s t r a c t h lr e c e n ty e a t s ，p o l l u t a n te m i s s i o n s 行o mm o t o rv c h i d e sh a v eb e e o n eo ft h e m a j 町a i rp o l l u t i o np r o b l e m s ，e s p e c i a l l yt h ep a i t i c u l a t ee m i s s i o n s b e c a u s eo f t h c i re x t r c m e l ys m a l ls i z ea n dl a 玛e re n r i c h 虹l e n t 伍c t o r so fp o l l u t e de l e m e n t s ，t h e e x h a u s tp a r f i c l e sa r er c c o g n i z e da so n eo ft h em o s ts e r i o u sh e a l t hh a z a r d s f o r a s s e s s m e n to fe x h a u s tp a n i c l e sh e a l t l le 丘b c t s ，i ti si i l l p o r t a n tt os t u d yt h e d i s p e r s i o no fe x h a u s tp l u m ea n dt h ee v o l u t i o no fv e h i c u l a re x h a u s tp a r t i c l e si nt h e p l u m e ， 1 1 1 i sp a p e rc r e a t e das i m p l i f i e dt h r e e d i l n e n s i o n a lm o d e lo fm o t o fv e h i c l e s p e c i f i e dt h es i m u l a t i o nd o m a i na n db o u n d a r yc o n d i t i o sa c c o r d i l l g t ot l l e d i s p e f s i n g c h a r a c t e r i s t i c so fe x h a u s t p l u m e ， f h e n e x p o n e d m e p r o p e r c o m p u t a t i o n a lg r i d 7 n l e 七一 e d d yd i s s i p a t i o nm o d e lw a su s e d f o rt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o o ft h ed i s p e r s i i l gc h a i a c t e r i s t i c so fv e h i c u l a re x h a u s tp l u m e u n d e ri d l ec o n d i t i o ni l l c l u d i l l gt h ev e l o c i t yo fe x h a u s tp l u m e ，t l l ec o n c e n t r a t i o no f p o u u t a n tm a t t e r ，m et c m p e r a t u r ef i e l da n dt h ed 王1 u t i o nf a t i o 1 h ee f e c t so ft h e i n i t i a le m i s s i o nc o n c e n t r a t i o ，e x “v e l o c i t ) 0t a i l p i p ed i r e c t i o n ，h e a dw i n da n d c i o s s w m di n t e n s i t yh a v e b e e ni n v e s t i g a t e dp a r a m e m c a l l y b a s e do t h er e l a t i v er e f e r e n c e sa n dr e s e a r c hf i n d i n g s ，t h i sp a p e rb u i l dt h e p h y s i c a lm o d e l so fn u c l e a t i o n ，c o a g u l a t i o n ，n d e n s a t i o no fe x i l a u s tp a r t i c l e si t h ee x h a u s tp l u m ea f t e rs o m eh y p o t h e s i sa l l ds i m p l i f i c a t i o n a n dt h e nc o m p o s e d f o r t r a np r o g r a mt oi n v e s t i g a t en u c l e a t i o n ，c o a g u l a t i o n ，c o n d e n s a t i o ne v o l u t i o no f e x h a u s tp a r t i c l e si nt h ee x h a u s tp l u m ea n di i l n u e n c i l l gf a c t o r s n u c l e a t i o np r o c e s s c r e a t e da1 a r g en u m b e ro fn e wn a l l o p a n i c l e s ；f i l e ls u l f i l r i cc o t e t ，e x h a u s t d i l m i o nr a t i o ，k m p e r a t l l r ea n dr e l a t i v eh 1 i m i d h ys t t o n 舀yi i l n u e n c e dn u d e a t i o n c 0 a g i l l a t i o n a n dc o n d e n s a t i o n p r o c e s sc h a n g e d t h e p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n v a r i a t i o nw i t hd i a m e t e rj 1 1t h ep l u m e ；c o a g u l a t i o np m c e s sw a ss t r o n 西yd e p e n d e n t o ni n i t i a lp a n i c l es i z ea n dc o n c e n t r a t i o n w h e nc o n s i d e r i n gt h es i m u l t a n e o u s e f f b c t so fn u c l e a t i o n ， c o a g u l a t i o n ， c o n d e n s a t i o n ， t h ep a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n v a r i a t i o nw i t hd i a i i l e t e rw a sm a i l l l yi n n u e n c e db yc o a g u l a t i o na n dc o n d e n s a t i o n 一i t l 北京交通大学硕士学位论文a b s a c t t h ee f e c t s0 fn u c l e a t i o n ，c o a g u l a t i o n ，咖d e n s a t i o nw e r ev e r yi i l l p o r t a n tn e a r1 1 l e s t a c ko u t l e t ，t l l ep a n i c l ec o n c e t r a t i o nv a r i a t i o nw “hd i a m e t e ri l lt h ep l u m ew a s r e l a t i v e l ys t r o n gw i t ht i m e w i t ht h ei i l c r e a s eo fd i s t a c ei 如mt h es t ：l c ko u t l e t ，t 1 1 e e v o l u t i o no fe x h a u s tp a r t i c l e sg o tw e a 】【e r t h er e 锄no ft l l i sp a p e rc a nb eaf o l l n d a t i o nf o re s t a b l i s h m e n to fe m i 鹤i o n c o n t r o h e g u l a t i o n sa l l ds t u d yo ne x h a u s tp a n i c l e sh e a l 血e 虢c t s k e yw o r d ：v e h i c l ee x h a u s tp l u n l ce x h a u s tp a r t i c l e se v 0 1 u t i o n 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着汽车保有量的增加，汽车排放已经逐步成为城市大气污染 的主要来源。特别是汽车排气微粒，由于其粒径较小，吸附有害物质多，逐 渐成为威胁人类健康的巨大隐患。系统地研究汽车尾气扩散以及发生在尾气 中的微粒演变规律对于汽车大气污染排放控制策略的确定以及进一步开展汽 车微粒对人类健康影响的研究等具有重要的意义，同时也是大气环境领域未 来重要的研究课题之一。 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 大气污染物按其存在的形式可以分为气态大气污染物和大气气溶胶两种 形式。其中大气气溶胶主要是指液体或固体颗粒( 通常动力学直径在2 n m 至 数百u m ) 均匀分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。这些液体或固体颗 粒又称作大气颗粒物【l j 。 中国城市汽车造成大气污染现状与汽车保有量有直接关系，随着汽车 保有量的持续增长，全国汽车污染物排放总量持续攀升。来自国家环保总局 污控司的数据显示【2 】：2 0 0 3 年，全国汽车h c 、c o 和n 0 x 排放量已分别达 到8 3 6 1 、3 6 3 9 8 和5 4 9 2 万吨，比1 9 9 5 年增加了2 5 1 、2 0 5 和3 0 1 倍。2 0 0 3 年全国3 4 0 个城市环境空气质量监测结果显示，能够达到二级空气质量标准 的城市不足4 2 ，三级和三级以下的城市高达5 8 。北京、上海、广州等大 城市汽车排放的c 0 、h c 、n 0 x 和细颗粒物在大气污染物中所占平均比例分 别为8 0 、7 5 、6 8 和5 0 ，汽车排放已成为这些城市空气污染的第一大 污染源。据预测，按照目前汽车的发展趋势，2 0 0 5 年我国汽车排气污染在城 市大气污染中所占的平均比例将达到7 9 。从环境变化的趋势分析，如果不 能有效地控制汽车排放污染，到2 0 1 0 年，我国6 6 1 个城市中将有4 0 0 个城市 的环境空气污染将会从煤烟型污染转化为汽车污染。另外，汽车的排放位置 较低，接近人的呼吸带，汽车尾气排出后对人体健康的影响程度比其它类型 的污染源对人体健康的影响更大。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 近年来，引起人们对空气悬浮微粒尺度高度重视的原因，是人们逐渐认 识到细微粒及超细微粒对人体健康的影响。通常影响大气能见度的大气颗粒 物的粒径在0 2 2 岬范围内，对人体健康影响最大的大气颗粒物的粒径在 0 0 1 2 5 岬范围内【3 j o 北京市1 9 9 7 年的大气监测表明：对小于2 o m 的大 气颗粒物贡献最大的是汽车尾气排放，其最大贡献率为6 9 7 ，平均为5 5 左右。在采暖期，烟气飞灰对于可吸入颗粒物的贡献略高于汽车；但是在非 采暖期，汽车尾气对于可吸入颗粒物的贡献要远高于烟气飞灰，雨成为大气 颗粒物的主要污染源。 汽车不仅可以直接排出一次粒子，而且大量污染气体，特别是h c 和n 0 x 等可以在空气中通过光化学反应生成二次粒子。上述粒子粒径非常小，它们 往往吸附有多种有毒有害的物质，被吸入后会对人体健康产生极大的危害【4 】。 综上所述，无论是气态污染物还是大气颗粒物，汽车的排放已逐步成为 很多城市最主要的大气污染源。 1 1 2 汽车排气微粒对人体的危害 据资料表明【5 】，大气中的颗粒物粒径越小，吸附的有毒有害污染元素越 多。小粒径颗粒上的污染元素的体积浓度和质量浓度大约是大粒径颗粒物上 的1 1 2 1 倍。汽车排气微粒基本上处于亚微米范畴。其中，柴油机排气微 粒粒径在0 0 1 阻n 到3 0 0 岫之间，汽油机、c n g 发动机以及l p g 发动机等 排放的微粒粒径更小，有相当数量的微粒甚至小于5 0n m 。国外学者对排气 微粒进行研究时，把粒径小于1 0 0 m 的微粒定义为超细微粒( u l t r a 丘n e p a n i d e ) ，粒径小于5 0n m 的微粒定义为极细微粒( n a n o p a m c l e ) 。 汽车微粒排放会降低大气能见度以及引起人体呼吸系统的疾病，例如造 成呼吸短促、咳嗽和喘息，加重呼吸系统疾病的程度和损害肺部组织等；尤 其是极细微粒，由于它们的尺寸很小，更容易侵入人体肺脏深处，对人的身 体造成更严重的损伤。汽车排气微粒甚至已被认为对人体具有潜在的致癌作 用【6 j 。1 9 9 5 年3 月，美国癌症协会对1 5 0 个城市中5 0 万以上人群组的研究发 现，长期暴露在细微粒空气污染环境与死亡率之间有一定的关联，硫酸盐污 染亦与早亡有关。该报告同时指出，硫酸盐和细微粒与心脏疾病引起的死亡 密切相关。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 9 9 8 年，d o n a l d s o n 和k i t t e l s o n 对超细微粒的危害进行了研究。研究结 果表明f 7 朋，相对于细微粒，相同质量的超细微粒包含着上千倍数量的微粒， 而且超细微粒和极细微粒在人体肺泡中的沉积比例相对较大。人体内的巨噬 细胞可以产生一种机构以有效地移除这些微粒，但是由于超细微粒和极细微 粒数量之多，移除这些沉积在肺泡区域的超细微粒对于巨噬细胞来说几乎是 不可能的。最终，这些超细微粒将毁坏巨噬细胞的功能，给人体带来极大的 危害。已有研究表明，同一种微粒当粒径大于1 0 0n m 时可能是无害微粒，但 当粒径小于1 0 0i l i 时，则可能变为对人体有害的微粒o j 。 1 9 9 5 年，s e a t o n 对不同粒径范围内的t i 0 ：微粒对人体健康的影响进行了 研究，研究发现【9 j ，粒径为0 0 2 岬的t i o ：微粒与o 2 5 岬的m o ：微粒相比， 前者在人体肺部的间质组织中沉积了更多的极细微粒而且导致明显的发炎反 应。而一般情况下t i o ：在生物学上被认定为中性无害的微粒，它在极细微粒 的形式下却导致了人体肺部强烈的发炎反应。 1 1 3 本课题的研究意义 近二十年来，汽车工业主要通过先进的发动机及其控制技术来满足日益 严格的汽车微粒排放法规。燃油喷射系统的改进、燃油喷射速率及燃油喷射 定时的精确控制以及燃油质量的改善，使得汽车微粒排放质量浓度得到显著 降低。但已有的研究表明，虽然目前的发动机技术改进使汽车整体的排气微 粒质量浓度水平得到显著降低，然而整个排放微粒的数量浓度水平却基本保 持不变或还略有增加。目前的针对降低汽车整体微粒排放的技术措施未能达 到同步降低超细微粒( 小于1 0 0n m ) 的目的，在某些情况下反而会得到相反 的结果，如导致超细微粒的增加等1 1 ”。 目前国内外的汽车微粒排放法规是基于微粒总体排放质量而定的，然而 人们逐渐发现，汽车排气微粒的大小和数目浓度较微粒质量对环境的影响更 大。因此，为了合理地评估汽车排气微粒尤其是超细微粒对人体健康的影响， 研究汽车排气微粒的粒径分布以及数目浓度在大气中的变化及其变化规律是 非常必要的。 汽车排气微粒对人体健康的危害主要取决于微粒的大小与分布、微粒的 浓度、微粒的成分以及微粒在大气中的滞留时间等。尽管近年来汽车微粒排 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 放已受到普遍高度重视，然而到目前为止，人们对汽车排气中的微粒物质在 汽车排气管内、排气尾流以及空气中的生成、演变和扩散规律的了解却非常 有限。微粒在汽车排气尾流中的演变( 包括可凝结组分的核化与凝结、微粒 问的碰撞与凝并等) 规律的研究具有相当的难度，汽车排气尾流结构的复杂 性更是增加了研究的困难。 汽车的排放随汽车发动机的工况而变化。在大城市中，一辆汽车的发动 机有可能超过2 5 的时间运行在怠速工况。怠速工况下汽车排放比较严重， 且排气污染物不易被有效地扩散，因此汽车的怠速排放被认为是对环境及路 边行人更加有害。在某些国家和地区，由于汽车距离道路两侧的行人及建筑 物较近，因此这些国家和地区的政府要求汽车在停车等人或等红绿灯时必须 熄火。汽车怠速工况下的排放对环境及行人的健康具有重要的影响，针对其 展开研究是非常必要的。 本论文课题是国家自然科学基金项目“汽车排气微粒演变规律的基础性 研究”和北京市自然科学基金项目“机动车排气微粒时变特性的研究”的一 部分。本论文课题将对汽车怠速工况下排气尾流场的结构特性、排气污染物 在排气尾流中的扩散和分布规律以及排气微粒在汽车排气尾流中的演变规律 等开展研究。 本论文的研究工作对于全面了解汽车怠速工况下排气尾流的结构，排气 污染物在排气尾流中的扩散特性，排气微粒在排气尾流中的生成、演变及扩 散规律，以及进一步的汽车微粒排放控制技术的研究与开发和汽车微粒对人 类健康影响的研究等都具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外汽车排气微粒演变规律的研究 汽车排气微粒主要含有固体碳、以液态微粒形式吸附在碳微粒表面的凝 结后的碳氢及其衍生物、硫的成分以及其他微量元素等。汽车排入大气中的 微粒浓度、成分以及分布等，一方面取决于发动机燃油及发动机运行工况， 另一方面也取决于排气微粒在排气管和排气尾流中的反应条件。按反应空间 划分，汽车排气微粒的生成、演变及扩散可分为排气管内、排气尾流中以及 空气中等三个部分。目前国内外对汽车排气微粒的研究也是按照这三种不同 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 情况分别开展的。 ( 1 ) 微粒在排气管内生成及演变规律的研究 尽管汽车排气在排气管内滞留的时间极短，但由于排气管内温度高且变 化快、排气气流脉动强、各种污染物的浓度大、相对湿度高，因此发生在排 气管内的有机物和无机物的核化与凝结以及微粒间的凝并过程极其剧烈。 相对于汽车排气微粒在空气中演变规律的研究，汽车排气微粒在排气管 内的生成及演变规律的研究则显得极其有限。目前除在国家自然科学基金项 目“柴油机排气微粒的凝并及旋流分离的基础理论与实验研究”( 2 0 0 0 2 0 0 2 年度) 中开展了一些柴油机排气微粒在排气管内凝并的初步基础性研究外， 还未看到国内外开展相关研究的报道。已有研究结果表明【1 2 _ 1 3 】，排气管内微 粒的浓度、分布及组成与柴油机运行工况及排气冷却程度密切相关；在运行 工况一定的条件下，则取决于排气的冷却程度。通过排气冷却，可使排气管 内o 1 o 邮l 范围内的小微粒数量减少4 0 6 0 ，最多时可以减少9 0 以 上，微粒中的可溶性有机成分( s o f ) 有不同程度的增加，而排气中的h c 浓度 则相应地下降。从这一研究结果中可以清楚地看到排气微粒在排气管内变化 的剧烈程度。 从汽车排气管进入大气中的微粒浓度、分布以及组成将直接影响到排气 微粒在排气尾流及空气中的演变及扩散规律。 ( 2 ) 微粒在排气尾流中演变规律的研究 汽车微粒随排气进入排气尾流后，由于排气的迅速稀释，排气中的温度、 湿度以及污染物的浓度迅速下降。然而，由于时间尺度及反应条件的允许， 在排气尾流中仍会发生剧烈的有机物和无机物的核化与凝结以及微粒间的凝 并等过程，从而导致排气尾流中微粒分布及成分的变化。 核化是一些可凝结物质在局部过饱和区自发形成核或纳米微粒的过程。 汽车排气中h c 的凝结及h 2 s 0 4 一h 2 0 形成微粒的过程都属于微粒的核化。 2 0 0 1 年，b e s s a g n e t 对汽车排气微粒在空气中的核化问题进行了研究。研究结 果表明l l ，在空气中，汽车排气中最容易核化的组分是s o f 、h 2 s 0 4 和h 2 0 。 来源于燃料中的硫在燃烧室中将被氧化成为s o ：蒸汽；当排气在大气中冷却 后，气态二氧化硫会冷凝形成h 2 s 0 。液滴，从而形成核化微粒。硫酸液滴形 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 成后既可以发生均相核化，形成二元核化物h 2 s 0 4 - h 2 0 ，从而形成新的微粒； 也可以冷凝到已有的微粒表面。 1 9 9 8 年，礤t t e l s o n 及d o v l e 等人对可凝结气体向微粒转换的驱动力，即 饱和度对可凝结气体核化的影响进行了分析。研究结果认为【l ，可凝结气体 向微粒转换的驱动力是该可凝结气体在排气中的饱和度：有时由于极高的混 合能量，即使可凝结蒸汽处于极度非饱和状态，二元均相核化也会发生。 1 9 9 6 年，f r i e d l a n d e r 及b a u m a g a r d 等人研究了汽车排气尾流中可凝结组 分饱和度的变化规律以及饱和度对可凝结组分核化的影响。所得到的研究结 果表明【1 4 l ：排气尾流中有机成分的饱和度与所需要的核化要求有一定的差 距，但一定程度的核化仍可以发生。二元均相核化不需要过饱和，它在稀释 比为1 0 ：1 和5 0 ：1 之间甚至更高的稀释比下都可以发生。 从已有的研究成果中可以看出，在汽车排气尾流中，存在适合h c 核化 及h 2 s 0 4 h 2 0 蒸汽二元均相核化的条件，因此在汽车排气尾流中将会产生 h c 和h 2 s 0 4 的核化微粒，而这些核化微粒将会在空气内的微粒演变中起到 重要的作用。 汽车排气中可凝结组分的凝结过程与核化过程相类似。1 9 9 8 年，h i n d s 及 a h l v i 】【等人对可凝结组分的凝结条件进行了研究，认为在排气可凝结组分的 凝结过程中，可凝结组分是凝结在已存在的微粒表面而不是形成新微粒；同 时，可凝结组分的凝结需要较高的饱和度【”】。 在汽车排气尾流中，除了可凝结组分的核化与凝结之外，排气微粒的布 朗运动、流体的湍流运动以及微粒间存在的各种内部力则可引起微粒间的相 互碰撞与凝并。虽然目前国内外在微粒凝并方面已有大量的研究成果，但就 汽车排放的研究来说，已有的研究重点主要放在柴油机缸内燃烧过程中产生 的初始微粒的凝并及随后的氧化方面上。s e i n f e l d 等人则从更一般的意义上 对微粒凝并机理进行了研究。研究结果表明【“，对2 0 1 0 0 0 m 粒径范围内 的微粒来说，微粒间存在的各种内部力在微粒凝并中的作用较小，起主要作 用的是微粒的布朗运动及流体的湍流运动。 在数学模型方面，目前国外已有许多学者建立了一定的数学模型及提出 了许多的数学方法来描述及分析求解一般宽尺度范围内微粒物质的动力学特 性，例如j 空间变换模型、渐近模型、力矩方法、蒙特卡洛或然碰撞算法等。 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 目前国内直接针对汽车排气在排气尾流中的可凝结组分核化、凝结以及 微粒间凝并的研究工作才刚刚起步，几乎没有相关报道。 ( 3 ) 微粒在空气中演变规律的研究现状 随着汽车排气在空气中的逐步扩散，排气微粒将进入一个相对稳定的变 化阶段。微粒的凝并、可凝结组分在微粒表面的凝结以及微粒的扩散沉降是 此阶段微粒演变的主要特征。 关于空气中微粒凝并问题国外已开展了很多年的研究。从目前的研究现 状上看，国外的研究重点大多放在一般气溶胶的凝并理论、凝并系数的确定、 凝并方程的求解方法等方面，而具体针对汽车排气微粒在空气中的凝并过程 的研究却很少，涉及可凝结组分及水蒸气在汽车微粒表面凝结问题的研究则 更是比较缺乏。 目前国外关于空气中汽车排气微粒的研究重点主要放在诸如高速公路、 住宅区公路以及市区公路旁的微粒浓度的测量方面。测试的数据主要用于为 汽车排放模型更新排放因子及评估汽车排放对大气不同位置处污染物浓度的 影响。从目前的实验研究及理论分析的研究现状及研究成果来看，还非常缺 乏对汽车排气微粒在空气中演变规律( 包括微粒凝结、凝并及沉降规律) 的 深入理解及研究。 1 2 2 国内外汽车排气尾流场的研究 汽车排气尾流是排气微粒进行核化、凝结以及凝并演变的主要外部环境。 研究汽车排气的扩散问题对于汽车排气微粒在排气尾流中的演变过程的研究 是非常必要的。尽管目前人们已认识到汽车的尾气排放对排气中污染物的演 变以及对环境污染具有重要的影响，但涉及到详细的汽车尾流场结构的研究 却相对较少。 目前，国外已有一些学者对汽车排气尾流的扩散问题开展了一些数值分 析与研究，例如，b a k e r 以及砌m 等学者利用数值分析的方法研究了汽车运 动时所产生的尾流及其传播特性【2 4 ，冽；c h a 及v a r d o u l a k i s 等学者数值分析 了汽车排气尾流在街道峡谷内的扩散特性【”，2 7 】等。但相对而言，采用数值分 析的方法对怠速条件下汽车排气污染物在排气尾流中的扩散规律及扩散特性 的研究还较少。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 国内近年来对汽车排气污染物在大气中扩散的研究工作主要集中在城市 街道汽车排放污染物扩散和小尺度街道峡谷内交通大气污染物扩散的研究 上，直接针对汽车排气尾流场以及尾流中污染物扩散的研究还未见报道。 1 2 3 研究现状总结 综上所述，目前国内外汽车排气尾流及尾流中微粒演变规律的研究工作 主要集中在以下几个方面： 汽车排气尾流在峡谷中的扩散特性； 汽车运动时所产生的尾流及其传播特性； 可凝结组分核化与凝结的机理、条件以及速度的控制；一般大气 中可凝结组分与硫酸盐的核化和凝结过程； - 一般气溶胶的凝并理论、凝并系数的确定、凝并方程的求解方法； 汽车柴油机缸内燃烧过程中产生的初始微粒的凝并及随后的氧 化过程。 尽管汽车排气微粒对环境及人体健康的危害已逐步被人们所重视，但人 们对汽车排气尾流场以及尾流中微粒的演变规律还缺乏全面系统的认识。目 前国内外直接针对特定的汽车排气管内的可凝结组分的核化与凝结以及微粒 凝并的研究较少，涉及到详细的汽车排气尾流结构及在排气尾流中所发生的 可凝结组分的核化、凝结以及微粒间凝并的模型研究及成果也很少，尤其是 国内关于汽车排气尾流场及排气微粒演变规律的研究极其有限。因此，针对 汽车排气尾流场以及排气尾流中的可凝结组分的核化与凝结及微粒间的碰撞 与凝并规律的研究是非常必要的。 1 3 本论文主要研究内容 汽车排气尾流结构非常复杂，微粒在汽车排气尾流中仍处于一个不稳定 的湍流掺混及变化之中，将发生剧烈的有机物和无机物的核化与凝结以及微 粒间的碰撞凝并等过程。纵观国内外研究现状，涉及详细的汽车排气尾流结 构以及微粒在排气尾流中演变规律的研究很少。本课题将对此展开工作，主 要对怠速工况下汽车排气尾流场的结构及其扩散特性以及微粒在排气尾流中 的演变规律进行研究。研究内容包括以下两个方面：怠速条件下汽车排气尾 流场的数值模拟研究和汽车排气微粒在排气尾流中的核化、凝结及凝并等演 一r 一 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 变过程的基础研究。 ( 1 ) 怠速条件下汽车排气尾流场结构及其扩散特性的研究 汽车尾流场是排气微粒进行核化、凝结及凝并等演变过程的外部环境。 通过排气尾流场湍流理论模型的建立及计算分析，研究汽车尾气在排气尾流 中的组分浓度场、温度场以及速度场的分布及其扩散规律，为排气微粒在排 气尾流中核化、凝结及凝并过程的分析提供必要的前提条件。所开展的工作 主要包括以下几方面： 建立描述汽车排气尾流场中的排气速度场、温度场以及污染物组 分浓度场的七一s 湍流扩散理论模型。 运用s o l i de d g e 软件建立汽车简化物理模型。选取合适的计算区 域，对所研究的汽车外形及其计算域进行网格划分，生成合理的 网格文件。 运用计算流体动力学c f d 软件f u j e n t 模拟无风情况下汽车排 气在怠速条件下的自由扩散过程，计算排气尾流场中的排气速度 场、温度场、污染物组分浓度场以及排气稀释比等，并对比分析 不同的排气出口速度、不同的排气出口角度及不同的排气出口浓 度等对汽车怠速条件下的排气污染物在排气尾流场中的分布及 扩散的影响。 假定正向风速，运用f u j e n t 计算分析软件模拟在有正向风时， 怠速条件下汽车排气污染物在排气尾流中的扩散情况，并将计算 结果与无风情况下汽车尾流场中的速度场、温度场、污染物组分 浓度场以及排气稀释比进行对比，分析正向风对汽车怠速条件下 排气尾流场的影响。 运用f l u e n t 计算分析软件对存在侧向风时，侧向风强度对怠 速条件下汽车排气尾流的结构以及汽车排气污染物在排气尾流 中的分布及其扩散的影响。 ( 2 ) 汽车排气微粒演变规律的研究 本文通过建立微粒核化、凝结及凝并数学模型，开展汽车排气微粒在排 气尾流中所发生的核化、凝结以及凝并等演变过程的基础性研究。研究工作 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 主要包括以下几个方面： 收集国外有关汽车排气微粒核化、凝结及凝并等演变过程研究的 相关技术资料，准确描述并解释汽车排气微粒所发生的微观演变 过程及其特征。 建立描述排气微粒核化、凝结及凝并过程的一般动力学方程。通 过数学推导，得到排气微粒中h 2 s 0 4 h 2 0 二元均相核化模型、一 定尺寸范围内的排气微粒的凝结模型和凝并模型。编制f o t t r a n 计算分析程序，对排气微粒演变模型进行计算。 计算分析排气尾流中的微粒核化、凝结及凝并规律，并对排气尾 流中的相对湿度、温度、燃料含硫量等参数对排气中h 2 s 0 4 - h 2 0 二元均相核化、凝结及微粒凝并过程的影响以及对排气尾流中一 定尺寸范围内的排气微粒尺寸分布的影响进行研究。 1 4 研究方法简介 目前对于汽车空气动力学的研究主要有理论分析和数值模拟计算以及风 洞模型实验等两种方法。风洞模型实验必须要有相应的实验设备，实验费用 比较昂贵，实验周期长，而且还有许多其他因素限制了风洞实验结果的准确 程度。随着计算机的快速发展和计算方法的不断改进，在汽车空气动力学研 究方面，理论分析和数值模拟计算已经取得了长足的进步，这种研究方法不 但可以弥补实验数据量少的缺陷，使得研究者能够全面系统地分析汽车流场 的结构和特性，而且还可以为风洞模型实验研究优选实验方案，从而缩短实 验周期，节约实验费用。 针对本文所要开展的研究工作，本文所采用的研究方法主要是以数值模 拟和理论分析研究为主。 本文第一部分怠速条件下汽车排气尾流场结构及其扩散特性的研究工作 主要利用国际上先进的c f d 软件n e n t 进行研究。 f l u e n t 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动和热质交 换过程的专用c f d 软件，广泛用于模拟各种流体流动、传热、燃烧和污染物 迁移等问题。本文利用实体造型软件s 0 1 i de d g e 建立了汽车几何模型，借助 g a m b i t 软件生成了汽车及计算区域的网格模型；在此基础上，运用f l u e n t 1 0 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 软件对怠速条件下的汽车排气尾流场进行了求解和分析。 在本文第二部分汽车排气微粒演变规律的研究工作中，运用f o r t r a n 语言编写了用于求解汽车排气尾流中h 2 s 0 4 - h 2 0 二元均相核化模型、凝结模 型以及一定尺寸范围内排气微粒凝并模型的计算程序。 f o r t m n 语言是世界上第一个被正式推广使用的高级编程语言，虽然 至今已有近5 0 年的历史，但它始终是数值计算领域所使用的主要科学计算语 言。f o r t r a n 语言是专为科学和工程计算问题而设计的，其数值计算能力 很强。 1 1 北京交通大学硕士学位论文第二章汽车排气尾流湍流流动模型 第二章汽车排气尾流湍流流动模型 一般来说，流体流动要遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定 律，汽车排气扩散过程包含着污染物组分在大气中的扩散，所以还需遵循组 分守恒定律。 数学模型是进行仿真模拟计算的基础，为了准确模拟汽车排气在排气尾 流中的扩散过程，数学模型需要能够有效地描述汽车排气在排气尾流中的湍 动掺混、对流、扩散、温度变化以及组分扩散等过程。由于目前人们对于流 动，尤其是湍流流动的认识还不十分完善，同时也由于受到计算机资源的限 制，描述汽车排气在排气尾流中运动的数学模型必须建立在一定假设的基础 之上，需要对研究对象进行必要且恰当的简化。任何模型都只能适用于一个 特定的范围。在进行模拟计算工作之前，要根据研究的目的和计算机资源的 实际计算能力选取适合的数学模型，使之既能满足计算目的的要求，又能适 应实际的计算能力。 2 1 湍流的基本方程及其数值模拟方法 自然界中的流体流动状态主要有层流( 1 a m i n 砌和湍流m r b u l e n c e ) 两种形 式。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。一般来讲， 湍流是普遍存在的流动，而层流则属于个别情况。湍流区别与层流的一个重 要特点是物理量的脉动。一般雷诺数较小的流动为层流流动，而本文所研究 的汽车排气在排气尾流中的流动则属于湍流流动。 2 1 1 湍流流动的基本方程 一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程、n s 方程以及 能量方程对于湍流的瞬时运动都是适用的。湍流瞬时控制方程在直角坐标系 中的微分形式可以表示如下m 纠： ( 1 ) 连续方程( 质量守恒方程) 非稳态的连续方程可以表示为： 塑+ 旦( 胆，) ：o ( 2 1 ) 扭阮。1 北京交通大学硕士学位论文 第= 章汽车捧气尾流湍流流动模型 其中，“；为速度分量；f 为时间；p 为流体密度。 ( 2 ) 动量方程( v i e r - s t o k e s 方程) 动量守恒方程反映的是牛顿第二定律，纳维一斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方 程( 简称n s 方程) 是适用于牛顿流体的动量守恒方程，其形式为： 言( 肛；) + 击b 心) = 一詈+ 毒k ) c z 其中，p 是流体微体微元上的压强；r i i 为粘性应力，可以表示为： 2 肛( 善+ 等) 一吾肛薏a ” ( 3 ) 能量方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统所必须满足的基本定律，实际 上是热力学第一定律。以温度r 为变量的微分形式能量方程为： 坐掣+ 毒缸，咿) = 毒滢 等卜 c 2 其中，c 。是流体的比热容；a 是流体的导热系数；p r 是普朗特数( p r a n d t l n u m b e r ) ，表示动量和热量输运相对的难易程度，p r ；肛c 。肛；品是粘性耗 散项，为流体的内热源及由于粘性作用流体的机械能转化为热能的部分。 ( 4 ) 组分方程 在一个特定的系统中，可能存在多种化学组分( s p e c i e s ) ，每一种组分都需 要遵循组分质量守恒定律。根据组分守恒定律，组分s 的组分质量守恒方程 的微分形式可以表示为： 掣+ 毒( 哪) = 毒隆詈卜 眨4 ， 其中，m 。为组分s 的质量浓度；s c 为施密特数( s c h m i d tn u n l b e r ) ，表示动量 和质量输运相对的难易程度，对一般混合气体，s c o 8 ；s 。为系统内部单 位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，即生产率。对于含有 z 个组分的流体流动，一共有z 1 个独立的组分质量守恒方程。 当流体流动过程中挟带有某种污染物质时，污染物在流动的情况下除了 作分子扩散外，还会伴随着对流传输，即传输过程包括对流和扩散两部分。 1 3 北京交通大学硕士学位论文第二章汽车排气尾流端流流动模型 在传输过程中，污染物的浓度随时问和空间变化。一个组分的质量守恒方程 实际上就是一个浓度传输方程。 ( 5 ) 控制方程的通用形式 上述方程是湍流流动所必须满足的瞬时控制方程，也是计算流体动力学 的基础模型。在描述湍流瞬时运动的四个基本控制方程中，尽管因变量各不 相同，但是它们均反映了单位时间、单位体积内物理量的守恒性质。用庐作 为通用变量，并将所有控制方程都作适当的数学处理，将方程中的因变量、 瞬态项、对流项和扩散项写成标准形式，然后将方程右端的其余各项集中在 一起定义为源项，则可得到控制方程的通用微分方程形式： 掣+ 砉b ，) = 击h 詈l “， 乜s ， 其中，l 为广义扩散系数，s 。为广义源项。上式中各项依次为瞬态项、对 流项、扩散项和源项。对于特定的方程，驴、l 和s 。具有特定的形式。 c f d 软件就是根据流体流动控制方程的通用形式编制源程序，以求解不 同类型的流体流动及传热问题。对于不同的通用变量西，c f d 软件只需重复 调用求解程序，并根据l 和s 。的形式以及初始条件和边界条件便可对任一 通用变量西进行求解。 2 1 2 湍流流动的数值模拟方法 湍流流动是一种高度非线形的复杂流动。湍流运动的数值模拟计算是目 前计算流体力学和计算传热学中困难最多而研究最活跃的领域之一。目前采 用的湍流流动的数值计算方法主要有以下三种： ( 1 ) 直接模拟( d n s ，d 妇tn u m e c a is i m u l a t i o n ) 直接模拟方法采用三维非稳态的n s 方程对湍流流动进行直接数值计 算，计算时，时间和空间步长需要取得很小。由于这种方法的应用受到计算 机速度和容量的限制，因此目前很难得到广泛的应用。 湍流脉动运动中包含有大小不同尺度的涡，计算区域应大到足以包含最 大尺寸的涡( 与平均运动中的特征长度可以相比) ，而计算网格和时间步长又 必须小到足以分辨最小尺度涡的运动，因此直接模拟方法目前只能进行简单 的湍流流场计算，主要用来进行湍流的基础性研究，例如发现新结构，揭示 1 4 北京交通大学硕士学位论文 第二章汽车排气尾流湍流流动模型 新机理，检验与改进湍流模型等。 ( 2 ) 大涡模拟( l e s ，l a r g ee d d ys i m u l a “o n ) 按照湍流流动理论，湍流的脉动与混合主要由大尺度涡造成，小尺度涡 主要是耗散能量，并且几乎是各向同性的。 大涡模拟的基本思想是认为湍流是由许多大小不同的旋涡组成，而不同 尺寸的涡的特点是不同的。大尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度的各 向异性，而且随流动的情形而异。大尺度的涡通过相互作用把能量传递给小 尺度的涡。小尺度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且 不同流动中的小尺度涡有许多共性，有希望用较为普遍的模型来进行描述。 根据上述特点，人们把湍流运动用滤波方法分解成大尺度运动与小尺度 运动。大尺度量通过数值求解运动微分方程组直接进行计算，小尺度运动对 大尺度运动的影响则通过在运动方程中旖加类似雷诺应力一样的应力项来进 行考虑，称之为亚格子雷诺应力，该应力项可通过建立模型进行模拟。 虽然大涡模拟方法对计算机内存和速度的要求仍比较高，但远低于直接 模拟方法对计算机资源的要求，在工作站甚至p c 机上都可以进行使用。近 年来，大涡模拟方法的研究与应用日趋广泛，但要用来解决复杂的科学与工 程问题则还存在许多困难。 ( 3 ) 雷诺平均法( r a n s ) 雷诺平均法的核心