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i 柴油机尾气颗粒捕集性能研究及数值模拟 摘 要 柴油机与汽油机相比具有热效率高、燃油经济性好的特点，但是尾气中有害污染物较多。为了满足更高标准的排放法规，除了继续寻求优化燃烧等机内净化措施外，采用颗粒捕集器等后处理方法也已成为有效降低污染物的措施之一。影响颗粒捕集性能的因素有发动机工况和捕集器结构与性能等。在实验研究前，用模拟仿真的方法系统地研究各因素对捕集效率的影响为设计高性能的颗粒捕集器提供有力依据。本文的主要研究工作有以下几个方面： （1 ）系统地研究了泡沫陶瓷特性及其颗粒过滤机理；设计测试陶瓷性能实验台；实验测得 1 0 p p i和 2 5 p p i 两种规格的泡沫陶瓷的流体动力学性能的各流场参数。 （2 ）设计二维周期性多孔介质模型；并以实验测得的流场参数为边界条件，运用计算流体动力学（c f d ）软件 f l u e n t进行模拟，验证所设计的多孔介质模型的合理性。 （3 ）建立颗粒轨道模型；运用离散相模型（d p m ）模拟计算颗粒在多孔介质中的运动轨迹，并进行追踪、捕集和分析；通过分析流速、颗粒直径、泡沫陶瓷的规格和陶瓷体厚度四种影响因素，进一步追踪研究颗粒的捕集效率。研究表明，相同流动状态和粒径下，2 5 p p i 泡沫陶瓷的过滤效率比1 0 p p i 的要高，但泡沫陶瓷前后压差也大。 （4 ）优化组合陶瓷体之间的结构，进一步研究提高颗粒捕集效率的结构形式。模拟表明，当泡沫陶瓷体间有间隔时，捕集效率会增大，并且捕集效率随着间隔的增大而增大。 本文研究为优化设计颗粒捕集器提供了大量的参考依据，减少了捕 ii集器结构设计的时间，对下一步发动机台架实验研究具有指导作用。 关键词：颗粒, 泡沫陶瓷, 过滤机理, 捕集效率, 数值模拟 iii research and simulation on particulat trapping performance in the diesel abstract comparing with the petrol engine, the diesel engine has the advantages of high thermal efficiency and good fuel economy, but has more pollutants. in order to meeting higher rules of exhausts, the post treatment like particulate filter has become one of the most effective measures to reduce emission in the diesel, except for engine inside purifying method such as combustion- optimizing. the factors that affect the trapping performance are the engine behaviours, the structures and properties of the particulate filters and so on. it will provide a powerful foundation to design a high- performance particulate filter by using simulation methods to simulate the various factors systematically which affect the trapping efficiency before the experimental study. the main research works are focused on the following aspects: (1) studied the characteristics of foam ceramics and particulate filtration mechanism systematically, designed the ceramic performance testing bench, and tested the flow parameters of the fluid dynamics performance in the foam ceramics of 10ppi and 25ppi. (2) designed two- dimensional periodic porous media model by the computational fluid dynamics (cfd) software fluent; verified the rationality of the model by comparing the experimental model under the same boundary conditions. (3) established particle trajectory model; simulated, tracked and analysised the particle s motion trail in the porous model by using discrete phase model (dpm). a further study of the trapping efficiency is carraied out iv by analyzing the four factors such as flow velocity, particle diameter, the specification and the thickness of foam ceramics. the result shows that the trapping efficiency of the 25ppi is higher than 10ppi, as well as the greater pressure drop, under the same conditions of paticle size and flow velocity. (4) optimized the structure of the ceramics assembly to improve the trapping efficiency. simulation shows that the ceramics assembly with an interval between foam ceramics can improve the trapping efficiency, the larger interval the highter efficiency. in a word, this paper provided a great deal of references for optimizing the particulate filter, reduced the time- consuming of the structure design and provided a guide for the following engine bench testing research. keywords: particulate; foam ceramic; filtration mechanism; trapping efficiency; numerical simulation 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：胡长松 日期：2009 年 2 月 2 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 胡长松 指导教师签名：陈凌珊 日期：2009 年 2 月 2 日 日期：2009 年 2 月 2 日上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第1页 第一章 绪 论 1 . 1 课题研究的背景和意义 1 . 1 . 1 课题研究的背景和意义 自从德国人狄赛尔( r u d o l f d i e s e l ) 提出柴油机工作原理，制成第一台四冲程柴油机以来，柴油机技术得到了迅速而全面的发展。柴油机以其动力大、效率高、燃油经济性好、适应性强和功率范围广等优点被广泛应用交通运输、农业机械、工程机械等领域1。相关数据表明，柴油机比汽油机要省油3 0 以上，并且在整个使用寿命期间，柴油机的废气排放总量比汽油机要少4 5 ，其排放的温室气体只相当于汽油机的4 5 % 。 因此， 柴油车近年来在国际市场特别是欧洲市场大受欢迎。 在2 0 0 6 年的前9 个月，欧洲柴油车的销量增加了5 0 . 3 % ，欧洲很多大汽车公司都在大力开发柴油车。 2 0 0 8 年上半年，我国的汽车产销量均突破了5 0 0 万辆，其中产量为5 2 0 万辆，销量为5 1 8 万辆。作为高效率低排放的柴油机汽车的占有量也在逐步的增加。图1 - 1 是我国未来柴油车保有量的变化趋势2。可以看出我国的柴油车的保有量会进一步增加。 图1 - 1 我国未来柴油车保有量的变化趋势 fig. 1- 1 the trend of the diesel inventory in the future of china 近年来国际油价飙升，曾经一度达到1 4 7 美元每桶的历史最高水平，虽然下半年受美国次贷危机的影响，继而引发了全球经济危机，石油价格持续回落，但相关机构和人士预测，整体油价会在危机结束后达到新的高度。另外，从国家能源角度出发，广泛普及现代柴油机汽车对于我国可持续发展战略也有一定的推进作用。 对于节约国上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第2页 家能源来讲，单台现代柴油机的使用所产生的效果也许并不明显，可一旦现代柴油机汽车使用达到普及，在汽车使用市场占有一定份额，必定会带来惊人的节能效果。如果我国8 0 0 万辆保有量的小客车，其中2 0 0 万辆使用现代柴油发动机，每年就可以节约9 0 多万吨燃油。因此，大力开发研制现代柴油机是目前解决能源紧缺和环境恶化的最佳方案，尤其是像我国这样一个人均可使用资源少、环境污染严重、城市人口密集的大国，更要重视现代柴油机的发展。 1 . 1 . 2 柴油机尾气成分及其危害 柴油机尾气为燃烧和燃烧反应的中间产物，包括水蒸气、2o、2n、2co和co、碳氢化合物（hc）、氮氧化合物（xno ）及颗粒污染物（pm）。柴油机排放的污染物主要为xno 和碳烟颗粒, 而co和hc比汽油机的排放少得多, 一般能满足当前各国的排放要求3。 尾气污染物中co和no能与血红蛋白结合，而且no的结合能力比co大百倍。xno 在阳光的作用下，还可同hc进行一系列的化学反应，生成毒性很大的光化学烟雾，会刺激眼睛、鼻子、气管及肺等器官。xno 会导致酸雨的产生，破坏庄稼和建筑物。它还是一种温室气体，能够强烈吸收地面放出的长波辐射，导致温室效应的加剧4。 颗粒物质是柴油机尾气排放标准中规定的主要排放物之一，一般是汽油机的 3 0 - 8 0 倍。美国联邦环保署对柴油机排放的颗粒物质定义为: 在温度低于5 2 的条件下，将柴油机尾气冷却和稀释后通过过滤器，过滤器所收集到的物质5。颗粒物质包括固态碳粒、灰份和凝结的碳氢化合物。 柴油机颗粒物组份复杂并且颗粒粒径甚小, 大都属于亚微米级颗粒和纳米级颗粒，如图1 - 2 所示。这些尾气中的超细颗粒物具有很强的吸附力, 常粘附有致癌物质如苯并( a ) 芘和苯并蒽等有机物, 尤其是0 . 1 - 0 . 5m的碳烟， 除了能致癌外， 还能长时间悬浮在空气中， 因此， 很容易通过呼吸道进入人体内, 引发多种慢性病如肺气肿、皮肤病或变态性疾病等；此外，颗粒长时间停留在空气中也会增加受阳光或受其他物质作用而产生光化学反应的机会。美国的一项研究表明, 受硫酸盐和空气颗粒污染最严重的城市的死亡率比受污染最轻微的城市高出约1 5 % - 1 7 % , 即使在符合目前美国联邦空气净化标准的城市中, 死亡的危险也比最清洁的城市要高2 % - 8 %6。 国家环保总局的数据也表明， 我国城市8 0 % 以上的一氧化碳和4 0 % 以上的氮氧化物来自于机动车的排放，颗粒物污染中2 0 % - 3 0 % 也来自于机动车的排放。 综上所述，柴油机尾气特别是颗粒物对人体和大气环境有着不容低估的危害, 因此，净化柴油机碳烟颗粒物是解决柴油机排放污染的一个重要问题。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第3页 图1 - 2 柴油机尾气颗粒物浓度7 fig. 1- 2 particulate concentrations of diesel exhaust gas 1 . 1 . 3 排放法规 现在，人类已经越来越注重环境保护，各国都在执行日益严格的排放法规。1 9 9 3年国家环境保护局制订了“柴油机自由加速循环工况”的颗粒排放法规，后续的排放法规的制定一般都是参照欧洲标准。表 1 - 1 和表 1 - 2 分别是欧 i i i 和欧 i v 标准排放值。 从表中可以看出对柴油机碳烟颗粒的控制要求越来越高。目前，我国对车辆尾气污染物的控制也越来越严格。2 0 0 8 年对出厂的新车已经开始执行欧i i i 标准，而北京已经开始执行欧i v 标准，北京到2 0 1 0 年机动车排放标准要实现与欧洲同步。 随着柴油机车日益广泛的应用和柴油机车排放标准的日益严格, 对其燃烧时产生的大量颗粒物和氮氧化物的控制， 仅靠机内净化技术已不能满足欧以上的排放法规, 必须同时采用后处理装置， 其中针对尾气颗粒的后处理典型的技术就是开发降低颗粒物排放的颗粒（碳烟）滤清器。 表 1 - 1 欧 i i i 标准排放值 欧型式认证和生产一致性排放限值 限值 g / k m co hc xno hcxno pm 车辆类别 基准质量（r m ）k g 汽油机 柴油机 汽油机 汽油机 柴油机 柴油机 柴油机 第一类车 全部 2 . 3 0 . 6 4 0 . 2 0 . 1 5 0 . 5 0 . 5 6 0 . 0 5 1 级 r m 1 3 0 5 2 . 3 0 . 6 4 0 . 2 0 . 1 5 0 . 5 0 . 5 6 0 . 0 5 2 级 1 3 0 5 r m1 7 6 0 4 . 1 7 0 . 8 0 . 2 5 0 . 1 8 0 . 6 5 0 . 7 2 0 . 0 7 第二类车 3 级 1 7 6 0 r m 5 . 2 2 0 . 9 5 0 . 2 9 0 . 2 1 0 . 7 8 0 . 8 6 0 . 1 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第4页 表1 - 2 欧i v 标准排放值 欧型式认证和生产一致性排放限值 限值 g / k m co hc xno hcxno pm 车辆类别 基准质量（r m ）k g 汽油机 柴油机 汽油机 汽油机 柴油机 柴油机 柴油机 第一类车 _ 全部 1 0 . 5 0 . 1 0 . 0 8 0 . 2 5 0 . 3 0 . 0 2 5 1 级 r m 1 3 0 5 1 0 . 5 0 . 1 0 . 0 8 0 . 2 5 0 . 3 0 . 0 2 5 2 级 1 3 0 5 r m1 7 6 0 1 . 8 1 0 . 6 3 0 . 1 3 0 . 1 0 . 3 3 0 . 3 9 0 . 0 4 第二类车 3 级 1 7 6 0 r m 2 . 2 7 0 . 7 4 0 . 1 6 0 . 1 1 0 . 3 9 0 . 4 6 0 . 0 6 注：第一类车是指设计乘员数不超过 6 人（包括司机） ，且最大总质量 g v m 2 . 5 t 的 m 1 类车，第二类车是指本标准适用范围内除第一类车以外的其他所有车辆。 2 0 0 6 年1 2 月1 3 日，欧洲议会通过了有关新的汽车排放标准8：欧和欧标准。这意味着欧盟将进一步提高对于汽车排放量的限制， 尤其是粉尘颗粒和氮氧化物的排放。欧和欧标准，将分别于2 0 0 9 年和2 0 1 4 年实施。欧标准主要针对柴油和汽油轿车及轻型商用卡车，而欧标准单独针对柴油轿车。同时，由于我国排放法规借鉴欧洲标准，该标准将成为我国未来排放法规的蓝本。欧和欧排放标准大幅度提高了对轿车和客车在粉尘颗粒及氮氧化物排放量方面的要求。按照欧排放标准，柴油轿车的颗粒物排放量将减少8 0 % ；欧标准要求从2 0 0 9 年9 月起，所有在欧洲销售的柴油机车必须加装颗粒物过滤器，现有的柴油机车可以在2 0 1 1 年1 月之前改装完毕。我国对柴油机颗粒净化装置也日益重视， 在 中国汽车零部件“十一五”专项发展规划中把柴油机颗粒净化装置列为重点发展产品之一9。由此可见，对柴油机尾气颗粒捕集器的重视。 1 . 2 国内外研究现状 1 . 2 . 1 降低柴油机尾气颗粒物的技术 （1 ）国外发展情况 发达国家从 7 0年代末就开始重视柴油机的颗粒排放控制。经过几十年的发展，柴油机的颗粒排放控制技术取得了很大的进展。 其中一些技术的使用已经使柴油机颗粒排放控制取得阶段性突破，如采用柴油电控高压喷射技术，通过改善机内燃烧减少颗粒物的产生。在后处理方面，采用颗粒捕集器（p d f ）也取得了很好的降低颗粒物的效果。在模拟仿真方面，奥地利 a v l 公司的 f i r e 软件已经建立了壁流式蜂窝陶瓷的 p d f 后处理模型，通过输入相关参数，可以直接模拟仿真壁流式陶瓷的捕集和再生上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第5页 问题，当然这些相关参数需要实验测定；除此之外，其他许多软件也具有模拟仿真颗粒捕集的功能。 下面就颗粒捕集器的发展情况做进一步说明。 目前，国外很多柴油机车上已经安装了颗粒捕集器。根据相关资料主要有两种，一种是单一的颗粒捕集器，另一种是与催化氧化部分（d o c ）组合在一起的颗粒捕集器。 i b i d e n 公司生产的柴油机排放气体颗粒收集器（见图1 - 3 ）10就是单一的颗粒捕集器，它的特点之一是采用格子状结构的碳化硅陶瓷材料的滤芯。碳化硅的优点表现在耐热性和寿命高以及与排放气体的反应性低，因而燃烧均匀，对捕集器的再生处理非常有利。采用的再生技术有两种：一种是在车厢内安装电加热器，另一种是把捕集的煤烟子颗粒贮存在容器中，经过一段时间后卸下调换新的容器。 图1 - 3 i b i d e n 公司生产的颗粒收集器 fig. 1- 3 dpf produced by ibiden company 庄信万丰公司生产的颗粒捕集器由前面一部分的催化氧化部分（d o c ）和后一部分的壁流式蜂窝陶瓷组成( 见图1 - 4 ) 组合而成，并且两层之间有一定的间隔，具有一定的消声作用。d o c 主要用于处理排气中的hc、co和颗粒物中的可溶性有机物( s o f ) ，后面的蜂窝陶瓷用来捕集颗粒物。这种颗粒捕集器采用c r t 连续再生11。c r t是利用过量的氮氧化合物去除过滤体的pm, 其原理是在过滤体前放置d o c , 排气中的no经氧化后变成2no，由于2no有很强的氧化性, 因此可将碳烟氧化还原成2co与2n，其去除颗粒的效率可高达9 0 % , 去除xno 效率约为5 % - 1 0 % 。 图1 - 4 庄信万丰公司生产的颗粒捕集器 fig. 1- 4dpf produced by johnson matthey company 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第6页 博世公司另辟蹊径，选择了烧结金属（粉末冶金）作为滤芯。如图1 - 5 所示，该过滤器系统还安装了一个微分压力传感器测量过滤器进出?处的压力差。 一旦碳粒堆积导致通过过滤器的压力差超过预先设定的差值，过滤器就会自动启动再生功能12。 1 . e c u , 2 . 温度传感器, 3 . 微分压力传感器, 4 . 碳粒传感器, 5 . 温度传感器, 6 . 氧化催化转换器, 7 . 颗粒过滤器 图1 - 5 b o s c h 公司带颗粒过滤器的排放系统设计示意图 fig. 1- 5 exhaust system with dpf of bosch company 另外，雪铁龙公司开发了添加剂再生颗粒捕集器，e n g e l h a r d 公司开发了d p x 催化燃烧再生过滤器，伟巴斯特( w e b a s t o ) 公司、然纳斯坦克( z e u n a s t a r k e r ) 公司、埃巴斯佩特( j e b e r s p a e c h e r ) 公司等也分别开发了颗粒捕集器再生处理用燃烧器13。 （2 ）国内研究及发展现状 国内在颗粒捕集器的应用研究、实验研究和机理研究方面也取得了一些成果。 在应用方面，香港理工大学于2 0 0 1 年研制了“环康保”金属丝网式颗粒收集器，其过滤效率为3 0 % - 4 0 % ，已经在香港的柴油机的士上使用14。但是它需要每隔两周将其拆下，并用特殊的清洗液清洗后再装上使用。 在实验研究方面， 军事交通学院实验研究了过滤体对柴油机排气微粒粒径分布的影响15， 发现壁流式蜂窝陶瓷对不同大小的微粒都有较高的过滤效率, 而泡沫陶瓷过滤体对微粒的过滤效率与流速、微粒大小及泡沫孔参数有密切关系；大连理工大学和武汉理工大学都采用微波技术研究柴油机排放颗粒过滤器再生的问题16， 研究表明清除率在5 0 以上；近年来，南京大学环境学院17运用实验的方法研制出聚丙烯腈基碳纤维毡碳烟捕集器，旨在替代成本较高依赖国外进口的壁流式蜂窝陶瓷过滤器。 在机理研究方面，除了上述军事交通学院实验研究机理外，其他高校在建模仿真方面做了大量的研究工作。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室资新运等人18运用数值方法建立了数值模型，分析了泡沫陶瓷的扩散作用和惯性拦截过滤机理；湖南大学龚金科19等人用f l u e n t 软件中建立了壁流式蜂窝陶瓷的二维简化模型， 并用实验进行了验证，优化设计颗粒捕集器；北方交通大学宁智等人做了柴油机颗粒捕捉器上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第7页 捕集效率理论模型的研究20，以及电加热再生控制系统及控制策略的研究21；山东理工大学杜庆洋22使用碳化硅泡沫陶瓷作为柴油机排气颗粒过滤器滤芯材料, 根据n a v i e r - s t o k e s 方程计算分析和实验数据确定了计算过滤器排气阻力经验公式。 以上的大部分工作都是建立在实验的基础之上， 而且大部分是针对壁流式蜂窝陶瓷的，除文献 1 8 外，针对泡沫陶瓷的建模仿真相对较少。 1 . 2 . 2 常用颗粒捕集的方法 （1 ）静电吸附技术 根据m i n e e s o t a 大学d a v i d b . k i t l e i s o n 教授23的研究, 柴油机排出的废气中的颗粒一般带有1 - 5 个基本电荷, 带正电荷的颗粒数和带负电荷的颗粒数基本相等。 因此,可以在尾气排放管建立一个高压静电场, 通过电场的正负两极分别吸收正负电荷。使其荷电、凝结, 增大直径和品质。尾气颗粒在静电场中的凝聚和附着可以分为三种情况, 一种是静电附着, 颗粒在静电力的作用下附着于带电体表面； 第二种情况是颗粒以集合状态相互吸引而产生凝聚；第三种情况是带相同电荷的颗粒相互之间、颗粒与带同种电荷的导体之间相互排斥, 发生运动、碰撞、凝聚。静电力一方面作为附着和凝聚过程的驱动力, 另一方面, 一旦颗粒形成附着、凝聚, 与带电颗粒自身的吸力共同来维持这种附着和凝聚。 大连理工大学内燃机研究所王宪成24等人在过滤器上游加电晕荷电装置, 使颗粒带上荷电, 带电颗粒在经过金属丝网时由于静电映射力的作用吸附在金属丝网上, 从而增加了过滤效率。静电吸附在整个过程中都起作用，但是在过滤初期, 由于不锈钢丝网导电性良好, 静电映射力较大，因此对效率的贡献也很大。 静电吸附技术, 存在一些不足：车载高压电源难以取得，系统绝缘设计难度大，设备体积大、结构复杂、成本高，且气流流速对静电捕集效率的影响比较大。 （2 ）离心分离法 离心分离法，当含有颗粒的气流进入气旋流分离器时会形成高速的旋转运动，由于颗粒和气体之间存在密度差，密度大的颗粒在极强的离心力场的作用下向外运动，最后沿外壁进入灰斗，净化后的气流从排气管引出。 离心分离方法的典型应用是旋风分离器，当含尘气体由进气管进入旋风分离器时，由于筒壁的约束作用，气流将由直线运动转变成圆周运动，旋转气流的绝大部分沿器壁成螺旋形向下，朝锥体流动，这股向下旋转的气流称为外涡旋。外涡旋到达椎体底部后，转而向上，沿轴心向上旋转，最后经排除管排出，这股向上旋转的气流称为内涡旋。 向下的外涡旋和向上的内涡旋两者的旋转方向一致。 当气流作旋转运动时，颗粒在惯性离心力推动下向外壁移动。到达外壁的颗粒在气流和重力的共同作用下，沿壁面落入灰斗，实现两相分离25。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第8页 这种净化器与颗粒的直径有关，颗粒越大，效率越高。因此，对于柴油机尾气的小颗粒来说净化效率不高。 （3 ）过滤技术 过滤技术是使柴油机排气流经过滤体后再排入大气， 当柴油机尾气从过滤体中通过时，其中的颗粒会被过滤下来，从而达到净化的目的。 目前，国内外应用最广泛的过滤材料有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、金属丝网或陶瓷纤维等26。根据它们对颗粒的捕捉方式的不同, 前两种结构可归结为表面型颗粒捕捉器, 后面两种可归结为体积型颗粒捕捉器。在表面型颗粒捕捉器中，被捕集的颗粒聚积在过滤材料的表面上, 它的过滤效果主要受过滤材料中孔隙结构的影响, 孔隙结构影响到过滤器的捕集效率、排气背压、热负荷和机械强度, 是颗粒捕捉器设计的一个重要的参数。在体积型颗粒捕捉器中，被捕集的颗粒聚积在过滤材料的体内, 纤维材料和颗粒之间的吸附力及颗粒与颗粒之间的凝聚力对提高颗粒捕集的效率有重要的作用, 这种过滤器的滤芯是由陶瓷或金属纤维制成的, 其制作的关键是保证捕集器具有较好性能27。 一般来说，这种过滤器适用于流速较低的场合。 过滤技术与前面所讲的静电捕集技术和离心分离法相比有以下优点28： 1 优良的颗粒捕集性能，且产生的压力损失对发动机性能的影响较小； 2 热膨胀系数小； 3 具备车辆搭载时优良的机械强度及车辆运行时优良的抗振动性能； 4 适于车辆搭载的尺寸要求。 据国外有关专家预测, 颗粒过滤技术是最终实现柴油机颗粒排放控制最简单、 最有效的技术之一29。用陶瓷过滤体对排气颗粒进行过滤处理也是公认的有效方法。 1 . 2 . 3 过滤体的选择 柴油机尾气颗粒过滤器的主要工作部分是过滤体，它决定过滤器的过滤效率、工作可靠性和使用寿命，并影响再生技术的选择和再生效果的好坏。前面提到常用的几种过滤体有壁流式蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷过滤体、金属丝网过滤器和陶瓷纤维四种。 （1 ）壁流式蜂窝陶瓷 壁流式蜂窝陶瓷开有许多蜂窝孔，相邻的蜂窝孔道两端交替堵死，如图1 - 6 所示。发动机排气从入口通道进入后，经过过滤体内部的多孔薄壁排出，而颗粒物就附着在薄壁的表面。薄壁的气孔率高达每平方英寸4 0 0 目，所以，壁流式蜂窝陶瓷过滤器具有过滤效率高的优点, 过滤效率可达6 0 % - 9 5 % , 但成本较高, 需要依赖进口。虽然壁流式蜂窝陶瓷结构强度较高，抗热冲击和机械振动能力也较强，但蜂窝陶瓷材料具有各向异性的特点，其径向膨胀系数是横向膨胀系数的两倍，且颗粒都沉积在进气孔道内，若采用热再生，容易受热不均而造成局部烧融或破裂30。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第9页 图1 - 6 壁流式蜂窝陶瓷 fig. 1- 6 wall- flow honey ceramic （2 ）泡沫陶瓷过滤体 泡沫陶瓷是采用陶瓷物料与聚合物混合发泡后经干燥煅烧而成， 也可以用回弹性高、孔径均匀的泡沫塑料作为前驱体浸渍陶瓷料浆烧制而成。如图1 - 7 所示，泡沫陶瓷内部由许多小孔组成，主要靠泡沫间的孔道结构流过气体，由于缝隙小而密，故颗粒捕集在孔泡内，形成过滤作用。与蜂窝陶瓷相比，泡沫陶瓷可塑性大大增强，比表面积高，孔隙率大( 8 0 - 9 0 ) ，孔洞曲折迂回。多空结构使火焰易于传播, 有利于再生, 且膨胀系数的各向同性使再生时热应力小, 不易造成过滤体的热应力损坏。 泡沫陶瓷制作简单、价格低廉, 目前国内能生产这种过滤体。但是，过滤效率不高一直是制约泡沫陶瓷实用的重要原因之一, 为此，许多研究致力于提高其过滤效率。 当然， 国外也有学者研究表明泡沫陶瓷对直径小的颗粒具有比蜂窝陶瓷更高的过滤效率31,32。 图 1 - 7 泡沫陶瓷 fig. 1- 7 foam ceramic （3 ） 金属丝网过滤器 2 0 世纪7 0 年代，通用公司最早使用金属丝网来捕集柴油机排气中的颗粒，这也是当时唯一可用的捕集材料。金属丝网过滤器的金属丝直径较细, 由于流通面积较小，捕集颗粒物容量有限, 过滤效率为4 5 % - 6 5 % , 还容易出现金属丝网局部过热而烧损绕线的现象。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第10页 （4 ） 陶瓷纤维 陶瓷纤维具有高的面容比和良好的抗高温能力，不受固定尺寸的限制，为过滤腔内孔的形状和分布提供了广泛的选择余地， 也允许改变各种设计参数以使其应用达到优化。由于陶瓷纤维表面都是有效过滤面积，所以过滤效率很高，并且能适应催化使用的要求。其缺点在于：陶瓷纤维是一种脆性材料，在编织和使用过程中较易损坏，在高温、高速气流的波动冲击下，容易脱落或成为碎片33,34。为了提高其机械强度，可夹杂金属丝网编织，金属丝网起到骨架作用，但生产工艺复杂。其另外一个缺点是不适于清洗或再生后重复使用，因此利用效率较低，而且工艺复杂成本较高。 综上所述，本论文在研究柴油机尾气颗粒的捕集技术中选择过滤技术，并选择成本低廉、性能较好的泡沫陶瓷作为捕集器的滤芯。 1 . 2 . 4 c f d 发展及其应用 计算流体动力学（c f d ）是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并且对上述现象进行过程模拟。它是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科。c f d 作为一种工程研究和设计手段开始于七十年代，由于受到计算机硬件和计算费用的制约，c f d 最初只是在核工业和航空业中获得应用。随着计算机技术的飞跃发展，计算机成本的逐渐下降，性能不断改进，在八十年代初期，c f d 被引人汽车制造业和化工领域。c f d 可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果， 对投资大、 周期长、难度高的实验研究来说，c f d 的优点就更为突出。因此，将 c f d 与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。 经过几十年的发展，c f d 出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对控制方程的离散方式。根据离散原理的不同，c f d 大体上可分为三个分支： 1 有限差分法（f i n i t e d i f f e r e n c e m e t h o d , f d m ) ； 2 有限元法（f i n i t e e l e m e n t m e t h o d , f e m ) ； 3 有限体积法（f i n i t e v o l u m e m e t h o d , f v m ) 35。 目前，国际上较成熟的c f d 软件有：f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 和s t a r - c d 等。除了f l u e n t 是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。 由于泡沫陶瓷的过滤效率受气流因素、颗粒因素和陶瓷体结构因素等的综合影响，采用实验研究虽然是研究过滤效率的常用办法，但是很难研究单一因素对过滤效率的影响，而且实验需要花费的时间和代价也非常大。因此，有必要对泡沫陶瓷过滤体的过滤过程进行数值模拟，研究泡沫陶瓷过滤机理, 为颗粒过滤技术提供依据。因而，本文选取了c f d 模拟的方法来研究影响泡沫陶瓷捕集效率的各个因素，再根据这些因素设计能获得较高捕集效率的泡沫陶瓷的过滤体。 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第11页 1 . 3 课题的来源和论文主要研究内容 1 . 3 . 1 课题的来源 本课题来源于上海市教育委员会科研创新项目- “车辆碳烟捕集与低压差排气消声一体化技术机理研究（项目编号0 8 y z 1 5 9 ）”。 该创新项目旨在建立一套车辆尾气碳烟捕集与低压差排气消声一体化理论与设计方法，以使在同样给定背压和满足标准消声要求前提下，尽量提高颗粒捕集效率。研究内容包括建立在多孔介质中建立多相流流动理论， 用实验手段取得流动和声学的有关特性，以达到最终以有限元软件进行综合模拟与优化设计的目的。其关键技术途径之一是利用最新发展的零压差抗式消声原理，使原有消声器的耗背压转用于颗粒（碳烟）捕集装置。 1 . 3 . 2 论文的主要研究内容 为了完成市教委的创新项目，在本论文完成期间，由于受时间限制主要展开初始实验数据的获取和颗粒捕集器建模与仿真，为后续的大量实验研究提供依据。本论文具体研究工作如下： （1 ）选择实验材料和实验仪器，搭设实验台架，进行泡沫陶瓷性能实验。通过实验测得多孔介质材料前后的压力、流量、温度等方面的信息，并进行数据处理，为后续的建模和仿真提供依据。 （2 ）设计多孔介质简化模型。通过对孔隙率，过滤体长度，过流面积等影响因素的的分析设计出多孔介质二维周期性模型。 （3 ）用步骤（1 ）中的实验数据来确定模型的边界条件，通过 f l u e n t模拟验证步骤（2 ）中多孔介质简化模型的正确性，并根据模拟结果修改模型，得到合理多孔介质二维周期性模型。 （4 ）运用步骤（1 ）中的数据和步骤（3 ）中的模型，在 f l u e n t 软件中运用离散行模型进行颗粒捕集的模拟仿真，对颗粒轨迹进行追踪，分析多孔介质的捕集机理。 （5 ）分别对多孔陶瓷结构参数、尾气颗粒大小、气流速度等参数进行分析，获得参数与捕集效率的曲线。 （6 ）在步骤（5 ）分析的基础上，并对多孔介质之间的排列方式进行模拟仿真，优化分析，从而实现较高的过滤效率。 上海交通大学硕士学位论文 第二章 泡沫陶瓷特性及其颗粒过滤机理 第12页 第二章 泡沫陶瓷特性及其颗粒过滤机理 泡沫陶瓷是1 9 7 8 年由美国f . r . m o l l a r d 和n . d a v i d s o n 等人36,37首先研制， 成功应用于铝合金浇注系统, 并在1 9 8 0 年4 月美国铸造年会上发表了他们的研究成果： 用于熔融金属铸造过滤, 可以显著提高铸件的质量, 降低废品率。 随着泡沫陶瓷制备技术的不断发展, 泡沫陶瓷使用范围也在不断扩大, 可以广泛应用于热交换材料、汽车尾气装置、净化冶金工业过滤熔融态金属、热能回收（例如多孔介质发动机）、轻工喷涂行业、工业污水处理、隔热隔音材料、用作化学催化剂载体、电解隔膜及分离分散元件等。近年来, 泡沫陶瓷的应用领域又扩展到航空领域、电子领域、医用材料领域及生物化学领域等。我国从8 0 年代初开始研制泡沫陶瓷, 目前已在有色合金、黑色合金及气体净化催化剂载体等方面得到了大量的应用, 取得了可观的经济效益和社会效益。 2 . 1 表征泡沫陶瓷材料特性的参数38 2 . 1 . 1 孔隙率 孔隙率是多孔介质的一种宏观性质，它定义为多孔介质孔隙的体积和总体积之比 vvkx= （2 . 1 ） 式中 kxv 多孔介质孔隙体积； v多孔介质总体积。 泡沫陶瓷是一种典型的多孔介质，它的孔隙率可以达到7 0 % - 9 0 % , 对多孔陶瓷来说, 这是最高的。例如蜂窝陶瓷的气孔率约为6 0 % , 陶瓷颗粒烧结体的气孔率约为3 0 % - 5 0 % 。 孔隙率对泡沫陶瓷两端的压降有很大的影响，对于同一种材质的泡沫陶瓷，一般来说孔隙率越高，骨架所占的体积越小，压降也会减小，但同时骨架壁面的面积也会减少，使得颗粒跟骨架壁面接触的机会减少，从而会降低捕集效率。 2 . 1 . 2 平均孔径 泡沫陶瓷孔道形状复杂而无规则，因此对其孔径的表征一般用平均孔径来表示。泡沫陶瓷的平均孔径可以用水银压入法、气泡法等方法来进行测试。测试的基本原理上海交通大学硕士学位论文 第二章 泡沫陶瓷特性及其颗粒过滤机理 第13页 是假设材料孔道均为理想毛细管，流体在外力作用下通过毛细管，将遵循以下规律： pd cos4= （2 . 2 ） 式中 d毛细管直径； 流体表面张力； p使流体通过毛细管所需压力； 流体材料的浸润角。 平均孔径也是影响泡沫陶瓷捕集效率的一个重要因素， 一般来说， 平均孔径越小，它所能捕获的颗粒直径越小。因此，在选择泡沫陶瓷时要考虑所需要捕集的颗粒的直径范围。 2 . 1 . 3 渗透能力 泡沫陶瓷材料两侧存在一定压力差的条件下， 材料的渗透能力指材料透过流体的能力，一般用透气度或渗透率来表征。泡沫陶瓷材料是毛细管的集合体，流体流经毛细管的规律可以用p o i s e w i l l e 法则来描述： lpdv=1284 （2 . 3 ） 式中 v流经毛细管的流体流量； p材料两侧的压力差； l材料厚度； 流体粘度； 孔道弯曲度。 由此可见，毛细管直径对流体流量的影响最大。而且也可以看出，泡沫陶瓷的结构如平均直径、孔道弯曲度、材料厚度对其本身的渗透能力有很大的影响。 由于泡沫陶瓷结构复杂， 难于精确测量上述的一些参数， 如孔道弯曲度等， 因此，决定多孔介质中流体流动特性的两个重要参数渗透率和惯性系数有经验公式39： ()232m1150=dk （2 . 4 ） ()3m15 . 3=dcf （2 . 5 ） 式中 k渗透率； fc惯性系数； md多孔介质的骨架颗粒直径； 上海交通大学硕士学位论文 第二章 泡沫陶瓷特性及其颗粒过滤机理 第14页 多孔介质孔隙率。 从式（2 . 4 ）和式（2 . 5 ）表明，渗透率k和惯性系数fc仅与固体骨架性质有关而与流体性质无关。 渗透率k是由固体骨架的性质确定，其主要影响因素包括孔径分布、孔隙形状、比表面积、弯曲率及孔隙率。对于可变形多孔介质，在受力的作用下，其骨架将发生变形，导致骨架的直径分布、孔隙形状、弯曲率及孔隙率将发生非确定性变化。这些变化对多孔介质的渗透率和惯性系数会产生直接影响。 2 . 1 . 4 热震稳定性 陶瓷材料的热振稳定性也叫抗热震性是材料抵抗热应力作用的能力， 是其力学性能和热学性能的综合表现，因此，一些热学和力学参数，如线胀系数、热导率、弹性模量、 断裂表面能是影响陶瓷抗热震性的主要参数40。 陶瓷材料的断裂表面能和热传导率越高, 线胀系数和弹性模量越低, 材料的抗热冲击越好，因而，材料的抗热震性能越好。而且抗热震性还与热作用时间、内外传热速率有关。温度梯度越大，热应力越大，传热性越差，热应力作用时间越长，材料亦越易破坏41。虽然，陶瓷制品的形状、尺寸因素不属于材料的本质属性，但对制品的抗热震性有着重要的影响，不良的结构会导致制品中严重的温度不均匀和应力集中，恶化抗热震性。 热冲击对陶瓷材料的损伤主要体现在强度衰减上。因此，一种可行的测试方法为42： 将泡沫陶瓷制品加热至1 1 5 0 , 高温保温2 m i n ， 取出空冷， 测量其抗折强度变化，用其前后强度的比值来表征它的抗热震稳定性。柴油机尾气的排放温度一般为2 5 0 - 5 0 0 之间，而在没有采取其它措施的情况下，再生时的温度在5 5 0 以上，局部地方的温度可能更高。用泡沫陶瓷材料为滤芯的捕集器的使用寿命应该较长，再生的次数多，因此，所选用的泡沫陶瓷要具备良好的热震稳定性。 2 . 1 . 5 强度 泡沫陶瓷的强度主要依赖于陶瓷材质和网络骨架的粗细。 骨架的粗细可以用泡沫陶瓷的体积密度来表示，若使骨架变粗可以提高体积密度, 增加制品的机械强度。但提高得过多, 气孔孔隙率会减小，孔隙会被料浆堵塞, 压力损失变大。在选择泡沫陶瓷作滤芯时，也要考虑到泡沫陶瓷的强度。因此，泡沫陶瓷的孔隙率对泡沫陶瓷的强度有很大的影响。 泡沫陶瓷的抗弯强度可以按下式计算42: )2/(32hblprf= （2 . 6 ） 式中 fr试样的弯曲强度； 上海交通大学硕士学位论文 第二章 泡沫陶瓷特性及其颗粒过滤机理 第15页 p试样破坏荷载； l支点间距离； b试样宽度； h试样厚度。 除此之外，泡沫陶瓷作为一种新兴的陶瓷材料有很多优良的特点，如，耐腐蚀性强、吸声等性能。 2 . 2 颗粒过滤机理 颗粒过滤机理一般可以分为深床过滤及滤饼过滤两种基本类型，如图2 - 1 所示32,43。 （a ）深床过滤 （b ）滤饼过滤 图2 - 1 过滤机理 fig.2- 1 filtration mechanism 2 . 2 . 1 深床过滤 深床过滤是指由于过滤介质具有立体的孔隙结构，能够捕集小于孔隙的固体颗粒，甚至远小于孔隙的颗粒也能在介质深部被捕集。如图2 - 1 （a ）所示。 深床过滤具有复杂的混合机理。固体颗粒在惯性力或布朗运动的作用下，首先同孔隙壁面相接触，然后颗粒附在壁面上，或者颗粒在范德华力或其他表面力作用下彼过滤纤维 颗粒 颗粒 气流 过滤纤维 过滤纤维 颗粒 颗粒 过滤纤维 气流 上海交通大学硕士学位论文 第二章 泡沫陶瓷特性及其颗粒过滤机理 第16页 此附聚在一起。 深床过滤的主要捕捉颗粒的机理有： （1 ）惯性碰撞（i n e r t i a l i m p a c t i o n ） 如果固体颗粒的密度大于流体的密度，颗粒就会受到惯性力的作用。当固体颗粒跟随流体在方向有急剧变化的管道内流动时，由于颗粒的密度和流体的密度存在差异，颗粒将不追随流线方向的变化而改变方向，颗粒就会因为惯性而与介质颗粒发生碰撞，而被捕捉。 用无量纲参数斯托克斯数ts （s t o k e s n u m b e r ）来表征惯性效果： mpfptduds18)(2= （2 . 7 ） 式中 p固体颗粒的密度； f流体的密度； pd固体颗粒的直径； u流体通过介质孔隙时的平均速度； 流体的粘度； md 过滤介质的骨架直径。 同上面提到的拦截一样，ts 值越大，表示惯性碰撞