（环境工程专业论文）柴油机排气微粒热泳沉降机理及再悬浮规律的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 汽车排气微粒粒径较小。吸附有害物质多，对人类健康威胁较大。随汽车保 有量的增长，排气微粒的污染问题亟待解决。对柴油机排气微粒的热泳沉降、湍 流脉动沉降以及沉降微粒的再悬浮机理的研究，有助于加深对排气管内微粒运动 特性的理解，为柴油机微粒沉降的控制、微粒的净化以及微粒分布的改善提供一 条有效的途径。为此，本文主要做了如下工作： 应用f l u e n t 计算研究了湍流管道内的微粒运动及沉降特性。在本部分当 中，对不同的管道几何条件，不同的速度、温度条件下管道内温度场及湍动能场 的分布特点进行了研究分析。在研究微粒热泳沉降的过程中充分考虑了湍流脉动 影响，并对微粒热泳沉降以及湍流沉降进行了比较分析。 研究了层流状态下不同入口类型对微粒热泳沉降特性的影响。在本部分当中， 对三种不同入口类型的流场特点进行了分析；采用了临界轨道半径的思想，结合 f l u e n t 计算所得的速度、温度均正在发展和速度充分发展而温度正在发展两种 类型流场参数，编程求解微粒运动方程来获得微粒临界轨道半径，进而求得微 粒热泳沉降率：比较分析了三种不同入口类型对微粒热泳沉降率的影响。 对微粒沉降后的再悬浮特性进行了研究。在本部分当中，对几种经典微粒粘 附模型进行了分析比较。综合考虑了影响再悬浮的各种因素，建立了微粒临界脱 离模型并对模型进行了求解，分析了流体速度、微粒粒径等因素对微粒再悬浮特 性的影响。 通过上述研究工作，最终得出了在本文研究参数范围内，微粒在湍流管道内 的沉降特性和层流状态下三种不同入口类型对微粒热泳沉降的影响，以及在不同 条件下微粒的再悬浮特性。 关键词：柴油机微粒；热泳沉降；临界轨道半径；f l u e n t ；再悬浮 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t m o t o rv e h i c l ep a r t i c l eh a v eag r e a tt h r e a tt op e o p l e sh e a l t hd u et ot h e i rf i n es i z e a n dt o x i cc o m p o s i t i o n s a st h eh o l d i n go fv e h i c l e si n c r e a s i n g ，p a r t i c l ep o l l u t i o nh a s b e c o m eas e r i o u sp r o b l e mt ob es o l v e d a n a l y s i st h em e c h a n i s mo ft h e n n o p h o r e t i c d e p o s i t i o n , t u r b u l e n td e p o s i t i o na n dt h er e - e n t r a i n m e n to fs o o tp a r t i c l em a yb r i n g m u c hm o r ep r o f o u n du n d e r s t a n d i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i eo fp a r t i c l em o v e m e n ti n e x h a u s tp i p e ，a n da l s op r o v i d ean e ww a yf o rs o o tp a r t i c l ec o n t r o l ，p a r t i c l ep u r i f i c a t i o n a n di m p r o v e m e n to f p a r t i c l es i z ed i s t r i b m i o n t l l i si st h em a i nw o r k ： a n a l y z et h el a wo fp a r t i c l et r a n s p o r ta n dd e p o s i t i o ni nas i m u l a t i o no ft u r b u l e m t u b ef l o ww i t hf l u e n ts o f t w a r e t e m p e r a t u r ef i e l da n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yf i e l d a r cr e s e a r c h e di nt h i sp a r t 。u n d e rc o n d i t i o n so fd i f f e r e n tt u b eg e o m e t r yd i m e n s i o n , d i f f e r e n ti i l l e tv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r e d u r i n gt h ec o u r s eo fr e s e a r c h i n go n t h e r m o p h o r e t i cd e p o s i t i o n ，i n f l u e n c eo f t u r b u l e n te d di sa l s ot a k e ni n t oa c c o u n te n o u g h ) a l s o ，t h e r m o p h o r e t i cp a r t i c l ed e p o s i t i o na n dt u r b u l e n td e p o s i t i o na r ec o m p a r e d i n f l u e n c eo f t h r e ed i f f e r e n tk i n d so f t u b ee n t r a n c et ot h e r m o p h o r e t i ed e p o s i t i o ni n l a m i n a rf l o wi si n v e s t i g a t e di nt h i sp a r t ；c o m b i n et h ei d e ao f c r i t i c a lp a r t i c l et r a j e c t o r y a n df i e l dp a r a m e t e r sf o rd e v e l o p i n gf l o wa n dd e v e l o p i n gt e m p e r a t u r e ，a n dd e v e l o p e d f l o wb u td e v e l o p i n gt e m p e r a t u r es i m u l a t e db yf l u e n t , c r i t i c a lp a r t i c l et r a j e c t o r yr ci s g a i n e db ys o l v i n gp a r t i c l ee q u a t i o n so fm o t i o n , a n do b t a i nt h ed e p o s i t i o ne f f i c i e n c y u l t e r i o r l y ；f o rt h ec o n d i t i o no fb o t hf l o wa n dt e m p e r a t u r ea r ef i i l ld e v e l o p e d - t h e r et h e c r i t i c a lp a r t i c l et r a j e c t o r yi sg a i n e db ya n a l y t i c a lm e t h o d ；c o m p a r et h ed i f f e r e n ti m p a c t o f t h r e ee n t r a n c et ot h e r m o p h o r e t i cd e p o s i t i o ne f f i c i e n e y l a wo ft h er e e n t r a i n m e mo fd e p o s i t e dp a r t i c l e si si n v e s t i g a t e d i nt h i sp a r t ， s e v e r a lc l a s s i c a la d h e s i o nm o d e l sa 北c o m p a r e da n dd i s c u s s e d s y n t h e t i c a l l yo o n s i d e r a l lk i n d so ff a c t o r sw h i c hi n f l u e n tr e - e n t r a i n m e n to fd e p o s i t e dp a r t i c l e s ，a n df u r t h e r e s t a b l i s ha n ds o l v et h ec r i t i c a ld e t a c h m e n tm o d e l ，a n da n a l y z et h ei n f l u e n c eo ff l o w v e l o c i t y ，p a r t i c l ed i a m e t e ro nt h er e - e n t r a i n m e n to f d e p o s i t e dp a r t i c l e s b yt h er e s e a r c hw o r ku p w a r d s ，i nt h er a n g eo f t h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r so fp a r t i c l e d e p o s i t i o ni nt u r b u l e n tt u b ea n dt h ei n f l u e n c eo ft h et h r e ed i f f e r e n tk i n de n t r a n c e st o t h e r m o p h o r e t i ep a r t i c l ed e p o s i t i o ni ni a m i n a rf l o wa r co b t a i n e d , a n da l s og a i nt h e c h a r a c t e r so f p a r t i c l er e - e n t r a i n m e n ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：s o o tv a r t i c l e ；t h e r m o p h o r e t i cd e p o s i t i o n ；c r i t i c a lp a r t i c l et r a j e c t o r y ； f l u e n t ；r e - e n t r a i n m e n t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：年月 日 导师签名：、亏留 、- 签字醐叩叩岁 北京交通大学硕士学位论文独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：【= 作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证持而使用过的材料。与我一同- 作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师宁智教授的悉心指导下完成的，宁智教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来宁智 老师对我的关心和指导。 宁智教授悉心指导完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我 很大的关心和帮助，在此向宁智老师表示衷心的谢意。 宁智教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心 的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，聂磊、陈小明、王迪以及实验室的兄弟姐妹 等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 1 绪论 1 1课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 1 绪论 内燃机的问世至今已有近一个半世纪的历史。作为第二次科技革命的标志， 内燃机在提高社会生产力，推动国民经济发展和社会物质文明的进步，以及改善 人们的生活方式等方面做出了巨大的贡献。然而内燃机的发展也是一把双刃剑， 据环保和交通部门统计，在城市地区由于机动车辆排放造成的污染已占主要部分， 严重危害环境和人类健康。随着我国经济的快速发展，汽车保有量的持续增长， 这种危害也越来越严重。追求低排放污染已成为内燃机行业发展的主要动力，在 今后的时期内，这一趋势还会继续下去。 柴油机在长期的发展和提高过程中，表现出自身的优点：热效率高、适应性 好、输出功率大、长寿命，同时由于燃油消耗率低、节能和低排放，被广泛的应 用于交通运输及工程机械等领域。尤其是在7 0 年代世界经济危机以后，车用柴油 机更加受到人们的重视，城f 订公交车，大型客车和载重车基本都采用了柴油机【j j 。 目前世界范围内汽车动力装置柴油机化的趋势越来越明显，西方国家的大中型车 用动力已完全柴油机化，西欧的柴油轿车也已达到2 5 以上，而且欧洲已将发展柴 油机轿车作为缓解空气污染和消减汽车二氧化碳排放量的策略。我国车用柴油机 也取得较快的发展，专家预测，柴油机代替汽油机的趋势将势不可挡，汽车柴油 机化的趋势使得柴油机排放的研究变得越发重要。 柴油机尾气的有害成分主要包括c o 、h c 、n 0 x 及微粒，相比于汽油机来说， 柴油机的c o 和h c 排放量要少得多，n o x 与汽油机在同一数量级，然而微粒的排放 要比汽油机大几十倍【2 】。在国内定期的各大城市空气质量报告中显示主要的污染物 是可悬浮微粒物。其人为的主要来源是工业燃烧和交通运输车辆的尾气排放，其 中尾气微粒排放占总的大气微粒物的比例高达4 0 * , 4 。由于交通车辆的迅猛增加及其 分散性和机动性，其治理相对困难，因此对柴油机微粒物排放进行有效控制十分 必要。 柴油机排气微粒主要由三种成分组成：固态的未燃碳颗粒的聚合物、可溶性 有机物( s o f ) 和无机盐类，另外还有一些聚合物。可溶性有机物组成成分十分复 杂，有近百种成分【3 羽。微粒中固态碳和s o f 所占比例较大。柴油机排气微粒并不 北京交通大学硕士学位论文 是简单的圆球形状，在燃烧过程中，更微小的颗粒( o 0 1 0 0 5 p m ) 逐渐凝聚形成 实际排气微粒1 6 - 9 1 。柴油机排气微粒粒径9 0 以上小于1 o g r e ，最大峰值在 o 0 2 0 1 岬之间，小于0 o l 肛m 的微粒数相对较少，接近1 o l a m 的微粒数量急剧下降。 因此柴油机微粒总体上属于亚微米粒子的范畴。柴油机微粒类似于炭黑粒子，但 其化学构成远较炭黑复杂。其微粒表面吸附着可挥发性和可溶性有机物( s o f ) ， 这些有机物9 0 0 , 6 以上是导致癌症的诱变物，对人体的危害极大。而且柴油机排气微 粒由于体积小，悬浮时自j 长，对大气能见度有巨大影响，柴油机排气微粒已经引 起各国公众和政府的极大关注，从八十年代开始，世界许多国家先后制定了限制 柴油机微粒排放的法规，并且要求越来越严格，由于严格的排放法规，柴油机排 放的控制技术已经成为柴油机行业的研究重点，对它的研究具有巨大的社会效益 和经济效益。 柴油机排气微粒经过排气管道会发生各种演变，包括冷凝、凝并、核化、沉 降等。除了受微粒自身属性的影响之外，排气管内流体流动参数以及排气管道尺 寸等因素也直接影响了微粒的运动演变规律，进而影响了微粒在排气管内以及进 入大气后的浓度、粒径等的分布，因此，研究微粒在排气管道内的运动规律就变 得尤为重要。柴油机排气微粒在排气管内的沉降方式一般可分为以下几种沉降方 式：重力沉降、惯性力沉降、热泳力沉降、静电沉降、紊流扩散沉降等，各种沉 降机理以及它们随流体流动参数和排气管道尺寸的变化规律各不相同。柴油机捧 气温度较高，管道内温度梯度较大，因此微粒在管道中受到较大热泳力作用，微 粒热泳沉降对微粒运动的影响不可忽略。柴油机排气管道内的流动均为湍流状态， 在排气管道中微粒运动规律受到湍流脉动较大影响。不同的流动参数下，湍流脉 动振幅和频率各不相同，直接影响了微粒在湍流管道内的运动方向、速度的大小 及变化频率。热泳力和湍流脉动对微粒运动的影响如图1 1 所示。 圈1 - 1 微粒沉降示意图 微粒沉降到壁面后，一部分微粒可能发生再悬浮。不同流动条件以及不同管 道尺寸对沉降到壁面的微粒影响也不相同，微粒沉降到壁面后，随着各种参数的 变化可能发生再悬浮现象，从而影响了微粒在排气管道内外分布和运动规律。可 见，微粒沉降后的再悬浮特性在研究微粒运动规律中同样非常重要。 2 l 绪论 1 1 2 研究意义 柴油机排气管道内的微粒运动规律受很多因素的影响，流体流动的形态、排 气管的结构及其参数、摊气的入口效应、热泳力、湍流脉动力以及沉降微粒的再 悬浮等均对微粒在排气管内的运动、沉降及其分布具有较大的影响。研究在柴油 机排气参数范围内微粒的热泳沉降、湍流脉动沉降以及沉降微粒的再悬浮机理有 助于加深对排气管内微粒运动特性的理解。研究工作可以为柴油机微粒沉降的控 制、微粒的净化以及微粒分布的改善提供一条有效的途径。 1 2 国内外研究现状 1 2 1微粒物热泳沉降特性的研究现状 ( 1 ) 国内研究现状 国内对微粒热泳沉降特性的研究仍不多见。清华大学薛元、姚强等人对在有 温度梯度存在的情况下超细微粒所受热泳力作用的理论和实验研究现状进行了分 析总结，在此基础上探讨了今后热泳力研究的主要发展方向 1 0 l 。 清华大学周涛、杨瑞昌依据热泳的基本原理，设计了一种新型层流方环形双壁 冷却式通道。经过计算，该类型通道比一般管通道有着较高的脱除可吸入微粒物的 效率。同时，在不同的气流进口温度下，可以利用速度温度充分发展流与速度温度 正在发展流具有不同热泳沉降效率效率的特点或利用湍流与热泳沉降的共同作用 均可以获得较高的沉降效率 | 1 - 1 2 1 。此外，两人将热泳力和微通道流动两项国际前 沿热门研究成果相结合，研究了微通道内可吸入微粒物热泳沉降率的变化规律， 并选择了能够描述有别于一般通道的具有强换热特性的微通道公式，计算分析其 中换热特性和流动特性f i 3 】。通过在同样条件下对一般通道与微通道内熬泳沉降效 率的比较分析，得到了在微通道内有大的热泳沉降效率的结论。 清华大学的徐东艳、陈熙则给出了自由分子流区作用在壁面附近蒸发及未蒸 发微粒上的热泳力的分析结果1 1 4 1 。分析中气体分子在壁面和微粒表面处均假定为 部分镜反射和部分漫反射，分析表明，作用在近壁微粒上的热泳力不仅依赖于气 体中的温度梯度，还和气体的压力以及壁面与气体温度比有关，微粒表面的温度 和镜反射分数对作用于未蒸发微粒的热泳力没有影响，但明显影响作用于蒸发微 粒的热泳力。研究表明，近壁效应及蒸发对微粒热泳的附加影响是不容忽视的。 杨德昌、周涛和刘若雷等对温度场内可吸入微粒物运动特性进行了实验研究， 3 北京交通大学硕士学位论文 使用p d a 测量了流场内可吸入微粒物的速度和浓度分布等参数，研究了实验入口 速度和温度等操作参数对温度场内微粒相运动特性的影响【1 卯。结果表明了在近冷 壁区边界层内，p m 2 5 的轴向速度和脉动速度变化很大，微粒因热泳力及扩散作 用会向冷壁面运动并产生沉降，并在实验研究的基础上提出了对p m 2 5 在温度场内 沉降效率的经验公式。 ( 2 ) 国外研究现状 目前国外对微粒热泳沉降规律的研究工作比较多1 1 犯”。m m o o y o u n ga n d k y a m a g u c h i 在定常温度梯度的假设条件下，研究了充分发展层流管道内气体中 微粒的热泳沉降特性。这种假设忽略了入口区，只适用于远离管道入口处的微粒 热泳沉降，且该假设不能适用于大微粒，因为随着温度变化，气体粘性的不同对 大微粒沉降的影响较大1 2 2 1 。由于忽略了温度对气体中速度分布的影响，所以结果 可能存在一定的误差。 j y h s h y a nl i n ，c h u c n j i n nt s a i 研究了管道入口区域对微粒热泳沉降率的影响 嘲。结合理论和数值计算两种研究方法，并应用临界轨道半径的思想求得微粒热 泳沉降率。结果表明，由于入口段存在较大的温度梯度，最终导致速度温度均正 在发展类型的入口条件有利于微粒热泳沉降的结论。 以上研究的均是层流流动状态下的微粒热泳沉降特性，由于层流流动相对湍 流而言比较简单，因此也获得了一些微粒热泳沉降率的理论表达式，使得各个因 素对热泳沉降的影响更为直观。由于湍流脉动的不规则性以及较大的随机性，因 此对湍流流动状态下微粒热泳沉降特性目前多是围绕数值模拟和实验的方法，或 是两种方法相结合来进行研究的。 j v h s h y a nl i n ，c h u c n - j i n nt 鼢i 和c h c n g - p i n gc h a n g 还通过实验和数值计算研 究了当壁面温度高于流体温度情况下热泳力对微粒热泳沉降的抑制作用删。应用 数值方法求解微粒对流、扩散、热泳力输运方程获得微粒浓度场以及沉降效率。 结果证明，对于所有粒径的微粒，微粒沉降率随壁面温度和气体流速的增大而下 降。当壁面温度高到一定温度时颗粒沉降完全被抑制。并得出了经验公式用来预 测对于给定参数条件下层流管流中微粒完全被抑制时的无量纲温差。 c b 铆搿，h h o r v a t h 和w s c b i n d l c r 应用已有的扩散和热泳沉降理论建立了 估算柴油机微粒在管道内的沉降效率的模型，并通过与以有实验结果的比较证明 了模型的适用性瞄】。d g n a l 【i l r t a ，m c h e i l ，j b m c l a u g h l i n ，k k o n t o m a r i s 采用直 接数值模拟的方法对水平湍流管流内微粒热泳沉降进行了研究，分析比较了微粒 在有无热泳力条件下的微粒沉降率及有无重力作用下的沉降率川。 4 1 绪论 目盼许多学者对微粒热泳沉降进行了大量的实验研究。f r a n c i s c oj r o m a y ，s h o s t a k a g a k i ，d a v i dy h p u i 和b e n j a m i ny h l i u 对层流和湍流条件下不锈钢管道 内微粒热泳沉降率进行测量【2 ”。该实验是将气体、微粒加热到一定温度，然后让 其通过一个热交换器，微粒在管壁处发生热泳沉降。实验表明，热泳沉降率比理 论估计值大1 1 到2 倍，并且发现随着雷诺数和粒径的增加实验值和理论值之差增 大。 针对柴油机排气工况下微粒热泳沉降特性的研究工作目前比较少。 a m e s s e r e r ，r n i e s s n e r ，u p o s c h l 通过理论和实验研究了湍流管道内柴油机微粒的 热泳问题【2 8 】。实验结果在w a l d m a n n 和s c h m i t t 假设热泳系数 ， = 0 5 5 ，麟 i 条 件下与理论结果基本吻合。b y u n gu kl e e ，d us u bb y u n ，g w i - n a mb a e 和j i n h a l e e 等研究了高温、高微粒浓度条件下超细微粒热泳沉降规律【2 9 l 。实验设计在排气 管参数范围内，并特别注意了微粒在管道内的停留时间与实际情况的类似。实验 结果表明，热泳力在湍流脉动管道中对微粒沉降起主导作用。通过实验数据与已 有热泳沉降模型比较，发现在高微粒浓度条件下以往模型并不准确，需要建立新 豹微粒热泳沉降模型。 由此可见，至今为止国内外对层流状态下微粒热泳沉降的研究主要围绕理论 分析和数值模拟两种方法进行研究，并获得了一些热泳沉降效率的经验公式。而 对湍流状态下微粒热泳沉降规律的研究，则主要通过实验研究和宣接数值模拟两 种方法进行研究。由于不同的研究工作者研究目的不同，因此所研究内容及范围 也各不相同。对柴油机排气微粒在特定工况下热泳沉降特性的研究目前仍不多见。 1 2 2 微粒物再悬浮规律的研究现状 ( 1 ) 国内研究现状 目前国内对微粒沉降后再悬浮特性的研究主要是针对河流、湖泊中各种颗粒 的再悬浮规律的研究，而对于气体介质中微粒再悬浮的研究目前基本空白。北京 物理工程学院的杨通在、陈银亮等采用亚微米单分散聚苯乙烯球形硬气溶胶粒子 和脉冲迸样技术，测定了气溶胶粒子在管道中的沉降率，研究了沉降率和流体速 度、管道长度、管道直径和气溶胶粒子大小之间的关系p o 】。结果发现，在相同条 件下，沉降率随管长增加而增大；随流体速度增加而减小，在相同体积流量下， 沉降率和管径关系不大；而沉降率与气溶胶粒子大小之间的关系比较复杂。沉降 的气溶胶粒子如果在更大流速冲击下，将发生反弹，部分气溶胶粒子从黏附表面 上分离再次悬浮于流体中 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 国外研究现状 相比国内而言，目前国外对微粒再悬浮规律的研究较多。i n d r aa d 州d j a j a s n u j im a t s u s a k a , h i r o s h it a n a k a , 和h i r o a k im a s u d a 等研究了湍流状态下微粒沉降 和再悬浮同时作用时粗糙壁面上微粒沉降层的形成j 。当微粒沉降和再悬浮达到 某一平衡状态时微粒沉降层呈现条形状，这种条形形状取决于时间和微粒层厚度， 且这种依赖性随壁面粗糙度的增大而减弱。此外，条形沉降层逐渐向下移动，移 动速度随壁面粗糙度增大而减小。通过一个顺时平衡模型解释了壁面粗糙度对条 形沉降层运动速度的影响。 w t h e e r a c h a i s u p a k i j ，s m a t s u s a k a ，y a k a s h i ，h m a s u d a 通过理论与实验相 结合的方法研究了湍流管流中沉降微粒的再悬浮规律瞰i 。微粒团所受各种瞬时力 如：黏附力、重力、曳力以及碰撞力被看作是微粒粒径的函数。结果表明当气溶 胶微粒粒径大于几微米时，碰撞力在微粒再悬浮中起很大作用，而曳力则在亚微 米级微粒范围内其主导作用。此外，还基于力矩平衡模型研究了微粒再悬浮的临 界流体速度，发现临界流体速度随微粒粒径的增大而降低。使用质量平均粒径为 3 3 1 0 3 p a n 的氧化铝微粒进行了实验研究，通过数字摄像机观察微粒沉降层的状 态，得到无微粒沉降层时的临界流速。虽然实验与分析结果略有差异，但总体趋 势吻合。另外，还发现了颗粒的惯性碰撞对微粒再悬浮具有很大影响。 由于以往的工作者一般都是对沉降或者再悬浮的其中一方面进行研究，h m a s u d a , s m a t s u s a k a 和i a d h i w i 由a j a 在沉降和再悬浮同时作用时研究了微粒沉 降层的形成【3 3 1 。实验采用视频显微镜监测微粒沉降层质量和厚度，应用计算机对 图片进行分析。结果表明，在气体流速较低时，壁面完全由沉降微粒所覆盖，呈 一薄层状。随着流体流速的增大，微粒沉降层厚度逐渐减小，沉降层开始呈条状。 微粒沉降层的运动速度正比于微粒碰撞率( 近似等于微粒沉降率) 。 g z i s k i n d ，m f i e l u n a n 和c g u f i n g e r 综合了目前气溶胶微粒再悬浮研究的现 状。描述了五种不同微粒再悬浮的理论模型，并分析比较了它们之问的优缺点。 此外还对一些文献所给实验结果以表格的形式进行了汇总，并引进了决定流动特 点的通用参数一壁面剪切速度，对实验结果进行了无量纲的分析，并将分析结果 与理论模型相比较，发现现有的实验数据与理论模型并不相符。重新研究了小颗 粒对固体壁面的黏附模型，对微粒在与壁面接触过程中形成的范德华力，静电力 以及微粒的弹性和塑性变形进行了分析。文中还分析了边界层内湍流涡以及周期 性粘性流动对微粒再悬浮的影响刚。 d e n i sj p h a r e s 。g r e g o r yt s m e d l e y ，r i c h a r dc f l a g a n 通过实验研究了单一微 粒的再悬浮特性，发现临界剪切应力对微粒粒径的依赖性要大于现有的再悬浮理 6 1 绪论 论模型，且微粒再悬浮与施加的剪切力作用时间密切相关，并建立了与实验相吻 合的微粒再悬浮动力模型3 5 1 。 总体来说，对气体介质中微粒再悬浮规律的研究目前国内几乎空白，而国外 则作出了大量的理论分析和实验研究，并得出了一些适用于不同条件的经典模型， 为再悬浮特性的研究提供了一定的理论依据。 1 3 课题研究内容 本文主要研究内容分为三部分，分别是：湍流管流内微粒运动及沉降特性的 分析；层流入口效应的特性分析；微粒再悬浮规律的研究。 在第一部分中，应用f l u e n 软件对不同管道尺寸及入口流动参数条件下的 湍流流场结构进行了计算分析，并对不同条件下微粒运动轨迹以及微粒沉降率进 行了分析比较，最终得出湍流管流内微粒运动及沉降特性。 在第二部分中，对层流入口效应的特性进行了研究。分析比较了三种不同入 口类型的速度、温度场分布，并采用了临界轨道半径的思想求解层流条件下微粒 运动方程。对速度、温度均充分发展入口类型，本文直接采用经验公式计算求得 ；对速度充分发展、温度正在发展，以及速度和温度均币在发展两种类型，则 通过对微粒运动方程离散后应用c + + 语言编程求解方程获得微粒临界轨道半径 ，而方程中流场参数直接通过f l u e n t 计算获得。 在第三部分中，对微纳米尺度下几种接触模型作了比较，分析了各种接触模 型的优势以及不足，选择了最适合本文微粒运动情况的接触模型。根据微粒在汽 车排气管内的运动情况，建立排气微粒在排气管壁处的受力模型和再悬浮模型， 重点研究了微粒之间、微粒与壁面问的碰撞作用对微粒再悬浮过程的影响。 7 北京交通丈学硕士学位论文 2 湍流模型及数值计算方法 任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律为 基础的，这些基本定律可由数学方程组来描述，如欧拉方程、n s 方程。计算流体 力学的主要内容是采用数值计算方法，通过计算机求解控制流体运动的数学方程， 进而研究流体的运动规律。流场数值计算方法就是基于计算流体力学的原理，建 立各种复杂条件下的基本守恒方程组，确定适用的模型加以封闭，用数值方法直 接求解这些非线性偏微分方程组，从而得到整个流场中各变量的时空分布。 本文利用计算流体力学c f d 商业软件包f l u e n t 对排气管道内流场以及微粒热 泳沉降规律进行数值模拟研究。 2 1湍流数值模拟方法简介 湍流流动是一种高度非线性的复杂流动，总体而言湍流数值模拟方法可以分 为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。所谓直接数值模拟方法是指直接求 解瞬时湍流控制方程，而非直接数值模拟方法则通过设计对湍流做某种程度的近 似和简化处理，问接计算湍流的脉动特性。依据所采用的近似和简化方法的不同， 非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和r e y n o l d s 平均法【3 6 】。 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) 方法就是直接用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行计算。d n $ 的最大好处是无需对湍流流动作任何简化或近 似，理论上可以得到相对准确的计算结果。但是d n s 对内存空间及计算速度的要 求非常高，目前还无法用于真j 下意义上的工程计算，但大量的探索性工作正在进 行中。随着计算机技术，特别是并行计算技术的飞速发展，有可能在不远的将来， 将这种方法用于实际工程计算。 大涡模拟( 1 a r g ee d d ys i m u l a t i o n ) 方法的基本思想可以概括为：用瞬时 n a v i e r - s t o k c s 方程直接模拟湍流中的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对 大涡的影响可通过近似模型来考虑。总体而言，l e s 方法对计算机内存及c p u 的 要求仍比较高，但低于d n s 方法，l e s 方法是目前c f d 研究和应用的热点之一。 虽然瞬时的n a v i c r - s t o k e s 方程可以用于模拟湍流，但n a v i e r - s t o k e s 方程的非 线性使得用解析方法精确描写三维时问相关的全部细节极其困难，即使能真正得 到这些细节，对于解决实际问题也没有太大意义。这是因为，从工程应用的观点 上看，重要的是湍流所引起的平均流场的变化，是整体的效果。 s 2 湍流模型及数值计算方法 2 2 湍流模型的介绍 r e y n o l d s 平均法是目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法。r e y n o l d s 平均法 的核心不是直接求解瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程，而是想办法求解时均化的r e y n o l d s 方程 妄c 小号c j 凸u i u j ) = - - 考+ 毒卜参一厕j + s ， c 2 山 考察r e y n o l d s 方程可见，方程中有关于湍流脉动值的r e y n o l d s 应力项- p u ；u ? ，这 属于新未知量。因此，要使方程组封闭，必须建立应力的表达式( 或引入新的湍 流模型方程) ，通过这些表达式或湍流模型，把湍流脉动值与时均值等联系起来。 根据对r e y n o l d s 应力做出的处理方式不同目i ；i 常用的湍流模型有两大类： r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。下面分别介绍这两类湍流模型。 在r e y n o l d s 应力模型方法中，直接构建表示r e y n o l d s 应力的方程，然后联立 求解连续性方程、动量方程、其他变量的输运方程和r e y n o l d s 应力方程。 在涡粘模型方法中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引入湍动粘度( t u r b u l e n t v i s c o s i t y ) ，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数，整个计算的关键在于确定湍 动粘度。 湍动粘度的提出来源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定，该假定建立了r e y n o l d s 应力相与平均速度梯度的关系【3 7 j ，即： 一厩硝( 考+ 鼍 - ；卜等卜 c z 之， 其中，m t 为湍动粘度，u t 为时均速度，西是“k r o n e c k e r d e l t a 符号( 当i = j 时，d ! f 尸l ； 当i ，时，西= o ) ，k 为湍动能( t u r b u l o n t k i n e t i c e n e r g y ) ： k ：坐：三( 万+ + 矿)( 2 3 ) 22 湍动粘度m 是空间坐标的函数，取决于流动状态，而不是物性参数，而因分 子粘性引入的流体动力粘度用表示，p 为物性参数。 由此可见，引入b o u s s i n o s q 假定后，计算湍流流动的关键就在于如何确定胁。 这里所谓的涡粘模型，就是把胁与湍流时均参数联系起来的关系式。依据确定z ， 的微分方程数目的多少，涡粘模型包括：零方程模型，一方程模型和两方程模型。 目前两方程模型在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模型是标准的k - e 模 型，即分别引入关于湍动能k 和耗散率的方程。此外，还有各种改进的k - e 模型， 比较著名的是r n g k - e 模型和r e a l i z a b l e 加模型。标准后啦模型是典型的两方程模 9 北京交通大学硕士学位论文 型，是在一方程模型中关于湍动能七基础上，新引入一个关于湍流耗散率g 的方程 后形成的。 2 3本文计算模型及计算方法的确定 ，为简化研究问题，本文所用模型为假定平行放置、壁面光滑的圆柱管道。根 据柴油机的排气参数和排气管道尺寸范围，本文研究的排气入口温度r 为 5 0 0 - 9 0 0 k ，排气入口速度矿为1 0 3 0 m s ，管道直径d 为1 0 - 5 0 m m ，管道长度为 0 6 1 4 m 。 ( 1 ) 求解器( s o l v e r ) 的选择 f l u e n t 提供了分离式和耦合式两种求解器，分离式求解器是顺序的逐一的 求解各个方程( ， ，、w ，p 和r 的方程) ，而耦合式则是同时求解各个方程。 分离式求解器主要适用于不可压或微可压流动，而耦合式求解器则用于高速可压 流动。由于本文情况为低速不可压流动，因此选甩分离式求解器。 ( 2 ) 粘性模型( v i s c o u sm o d e l ) 的选取 f l u e n t 提供了7 种粘性模型( v i s c o u sm o d e l ) ：无粘、层流、s p a l a r t a l l m a r a s 单方程、k - e 双方程模型、k - c o 双方程模型、r e y n o l d s 应力模型和大涡模拟模型， 其中，加双方程模型又分为标准妇模型、l i n gk - e 模型和r e a l i z a b l ek - s 模型3 种。标准加模型比零方程模型和一方程模型有了很大改进，在科学研究及工程实 际中的到了广泛的检验和成功应用，但不适用于强旋流、弯曲壁面流动、或弯曲 流线流动的情况。r n g 娩模型则可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的 流动。r e a l i z a b l e 妇模型则可以有效地用于各种不同类型的流动模拟，包括旋转均 匀剪切流、包含射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动等。由于本 部分当中的研究情况为直圆柱管道，不存在强旋流、弯曲壁面流动等特点，因此 本部分当中选用标准后啦模型。 对于标准妇模型而言，只适用于高r e 数流动，当胎数低时，如近壁区内的 流动，湍流发展并不充分，湍流的脉动影响可能不如分子粘性的影响大，在更贴 近壁面的底层内，流动可能处于层流状态。目前解决这一问题的方法有两种，一 种是壁面函数( w a l lf u n c t i o n s ) 方法，另一种是采用低r e 数的h 模型。壁面函数 法的基本思想是：对于湍流核心区的流动使用缸模型，而在壁面区不进行求解， 直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量联系起来。低 舰数模型则是通过对高r e 数模型进行修正得到，应用低艇数模型进行流动计算 时，充分发展的湍流核心区及粘性底层均用同一套公式计算，但由于粘性底层的 速度梯度大，因此在粘性底层的网格要密。增强壁面处理是一种近壁面模型方法， 1 0 2 湍流模型及数值计算方法 它通过增强壁面函数结合了一个双层模型，但要求靠近壁面的网格足够好，势必会 大大增加运算量。壁面函数法无法像r e 数模型那样得到粘性底层和过渡层内的“真 实”速度、温度分布，本文所讨论热泳力为短程作用力，壁面附近温度梯度较大， 因此本文采用了增强壁面处理的方法。 ( 3 ) 流体及固体壁面物性参数的确定 柴油机排气成分较为复杂，本文中采用标准大气压下的空气近似作为研究流 体，其物性参数数据来自文献1 3 s ，在本文研究温度范围内将各温度，下对应的p ， g ，k 、卢数值进行多项式拟合，得到各参数随流体温度变化的多项式函数，如表 2 1 所示。 表2 - 1 流体及固体壁面物性参数 属性流体固体壁面 密度p k g m 3 2 0 5 0 8 8 - 0 0 0 3 7 4r + 2 1 3 3 5 7 x 1 0 - 6t 28 0 3 0 比热容c ：j “k g k ) 9 8 0 5 7 8 4 2 + 0 0 3 2 4 5t + i 4 1 4 5 9 x 1 0 4t 25 0 2 ，4 8 换热系数kw ( k g k )2 0 3 1 9 7 x 1 0 4 十9 6 3 0 5 7 x 1 0 t 3 0 9 6 9 x lo 8r 2 1 6 2 7 动力粘度k ( m s ) 7 8 9 8 7 x1 0 + 5 6 8 8 31x1 0 8t + 7 3 8 0 6 2 1 0 i lt 28 3 3 x1 0 6 ( 4 ) 边界条件的确定 速度入口( v e l o c i t yi n l e t ) 边界条件用于定义流动入口边界的速度和标量， 这一边界条件适用于不可压流。压力入口( p r e s s u r ei n l e t ) 边界条件用来定义 流动入口边界的总压和其它标量，既适用于可压流，也可用于不可压流。质量流 动入口( n l a s si n l e t ) 边界条件用于可压流指定入口的质量流速，在不可压流中不 必指定入口的质量流，因为当密度是常数时，速度入口边界条件就确定了质量流 条件。由于本文讨论的是不可压流体且入口速度为已知，因此入口条件采用速度 入口边界条件。 出流( o u t f l o w ) 边界条件用于规定在求解前流速和压力未知的出口边界，该 边界条件适用于出口的流动为完全发展的情况，但该条件不能用于可压流动，也 不能与压力进口边界条件一起使用。压力出口( p