（机械设计及理论专业论文）碳烟捕集器中气体流动性能的研究.pdf

摘要 摘要 目前，由于柴油机具经济性好，功率大的特点，因此被广泛地用作汽车和 工程机械等的动力装置。然而，柴油机排气中含有大量的微粒使得柴油机成 为城市中的一个重要的污染源。随着柴油机车日益广泛的应用及其排放标准 的日益严格，研究分析表明靠柴油机机内的净化技术已经不能满足欧洲汽车 排放标准i i i 以上法规的要求，必须同时采用处理装置及相关的技术。根据 国外有关专家预测，微粒过滤技术将是最终实现柴油机微粒排放控制的最 为有效和简单的技术之一 本文重点研究的内容有以下几部分： ( 1 ) 研究多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法，如：基于传统多孔介 质流动控制方程的数值模拟方法，基于多孔介质模型的数值模拟方法，基于 两相方法的数值模拟方法，多孔介质纯流体耦合流动区域的数值模拟方法 等。 ( 2 ) 建立多孔介质纯流体耦合区域可压缩气体的流动特性的物理模型及 数学模型，并提出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 性系数的测定方法。 ( 3 ) 确定实验装置所需的基本参数及测量参数的修正，如：根据静压测量 技术要求确定管子长度和静压测量孔的位置，根据实验要求选取流量计的量 程范围和旋涡气泵的型号等，以及流量计读数的修正。 ( 4 ) 根据实验测得的流量和静压力计算多孔介质材料的渗透率和惯性系数 以及数据处理。 ( 5 ) 运用g a m b i t 软件和f l u e n t 软件，对流体流进不同的多孔泡沫陶瓷材料 进行模拟仿真。 本篇论文研究源于广东省科技厅科技攻关项目“车辆尾气颗粒( 碳烟) 捕 集与低压差排气消声一体化技术研究”，主要通过对纯流体在多孔介质中运动 机理研究为后续碳烟捕集设计提供依据。 关键词：碳烟颗粒；多孔介质；流体软件。 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed d v i n gf o r c ed i e s e lh a sc h a r a c t e r i s t i c so f g o o de c o n o m i ca n d b i g p o w e r , t h e r e f o r e , i th a sb e e nw i d e l yu s e d 船a u t o m o b i l ea n de n g i n e e r i n gm a c h i n e r y s p o w e rs e te t c b u t it h ed i e s e lc o n t a i n sl a r g ea m o u n to f f e a s i b l ep a r t i c l ed i e s e lai m p o r t a n t p o h u t i o ns o u r c ei nb e c o m i n gac 畸i ne x h a u s t i n g t e c h n o l o g yt h et e c h n o l o g ys t u d y i n g a n a l y s i si n d i m t 部t h ep 砌c a 石w i t l f md e p e n d i n go nd i e s e lm a c h i n em u s ta d o p t 越t h e s ；l m et i m et os e l lt h ed e v i c ea n dt h er e l e v a n c ea tr e d u c e dp r i c e sa sa l r e a d yb e i n ga b l et o n o ts a l i s 每t h ea b o v ee u r o p ea u t o m o b i l ee f f l u e n ts t a n d a r dh il a wa n dr e g u l a t i o nr e q u e s t w i t ht h ef a c tt h a tt h ed i e s e ll a t h e s g r a d u a l l yb r o a da p p l i c a t i o na n dt h e i re f f l u e n t s t a n d a r d sg r a d u a l l ys t r i c t l y f o r e c a s ta c c o r d i n 8t oa b r o a di nc o n n e c t i o nw i t ht h ee x p e r t , t h ep a r t i c l ef l i t e r a t i n nt e c h n o l o g yw i l lb et h a tp a r t i c l eb l o wo f fc o n t r o l sr e a l i z ead i e s e l u l t i m a t e l yh a v i n gm o s t t h em a i nb o d yo ft h ec o n t e n tt h a tp r i o r i t ys t u d i e sh a ss e v e r a lp a r t so ft h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) s t u d i e sf l u i df l o wp r o b l e mn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t e sm e t h o di np o r o u s m e d i u m ，s u c ha s ：u n d e rt h ec o n t r o lo fe q u a t i o nn u m e r i c a lv a l u eb e i n go nt h e m o v eo w i n gt ot r a d i t i o np o r o u sm e d i u ms i m u l a t e sm e t h o d ，t h em e t h o dp u r e f l u i do fp o r o u sm e d i u m c o u p l i n gf l o wa r e an u m e r i c a lv a l u ei ss i m u l a t e dw a i t s o w i n gt ot h a tp o r o u sm e d i u mm o d e ln u m e r i c a lv a l u es i m u l a t e sm e t h o d ，o w i n gt o t h a tt w o p h a s em e t h o dn u m e r i c a lv a l u es i m u l a t e sm e t h o d ( 2 ) b u i l d sp u r ef l u i do fp o r o u sm e d i u m c o u p l i n ga r e ab u t t h ep o r o u s m e d i u mc o m p r e s s i n gt h eg a sf l o wc h a r a c t e r i s t i c p r o p e r l yp h y s i c sm o d e la n d m a t h e m a t i cm o d e l ，a n db r i n g i n gf o r w a r dd e c i s i o ni sh i tb yf l u i dt w oi m p o r t a n t p a r a m e t e rp e n e t r a n c ea n dt h ei n e r t i ac o e f f i c e n ta d m e a a n r e m e n tm e t h o do ft h e c h a r a c t e r i s t i cp r o p e r t yb e i n go nt h em o v e ( 3 ) a s c e r t a i n st h er e q u i r e df u n d a m e n t a le x p e r i m e n td e v i c ep a r a m e t e ra n d m e a s u r e sp a r a m e t r i ca m e n d m e n t ，s u c ha s ：a c c o r d i n gt ot h el o c a t i o nt h a ts t a t i c i 銮三些查兰三兰璧圭兰竺鎏三 p r e s s u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yd e m a n d st oa s c e r t a i nt h eg u a nz h o n gl e n g t h a n dt h es t a t i cp r e s s u r em e a s u r e m e n th o l e ，a c c o r d i n gt om e a s u r i n gr a n g er a n g e a n dw h i r l p o o la i rp u m pt y p ee t c ，a n df l o w m e t e rn u m e r i c a lr e a d i n ga m e n d m e n t t h a tt h ee x p e r i m e n td e m a n d st oc h o o s ef l o w m e t e r ( 4 ) p e n e t r a n c e sa n di n e r t i ac o e f f i c e n ta c c o r d i n gt ot h er a t eo ff l o wh ej i n g c o u n t yp r e s s u r es e c r e t l y s c h e m e a g a i n s tp o r o u s m e d i u mm a t e r i a lt h a tt h e e x p e r i m e n tm e a s u r e sa n dt h ed a t ah a n d l e ( 5 ) w i e l d st h eg a m b i ts o f t w a r ea n dt h ef l u e n ts o f t w a r e ，t h ep o r o u s f o a mc e r a m i c sm a t e r i a lf l o w i n gi n t od i v e r s i t yc a r r i e so u tt h es i m u l a t i o n e m u l a t i o no nt h ef l u i d t h es h e e tt h e s i si ss t u d i e do r i g i n a t i n gf r o mt h eg u a n gd o n gp r o v i n c e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yg o v e r n m e n td e p a r t m e n ta tt h ep r o v i n c i a ll e v e lk e y s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c t s ”v e h i c l et a i lg a sc a t c h e sc o l l e c t i o na n dl o w p r e s s u r ed i s p a t c h e st h en o i s ee l i m i n a t i o ni n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ye x h a u s t i n gt o s t u d yt h ed e s i g ns t u d y i n gc i g a r e t t ec a t c h e sc o l l e c t i o n f o rf o l l o w u pc a r b o n m a i n l yb ym o v i n gm e c h a n i s mt op u r ef l u i di np o r o u sm e d i u mp r o v i d e sab a s i s ” k e y w o r d ：c a r b o nc i g a r e t t ep e l l e t ：p o r o u sm e d i u m ；f l u e n t 独刨行声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字：f 车；妥伊铲 5 9 论文作者签字： 严刽 2 0 0 7 年5 月3 1 日 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 目前，我国对车辆尾气污染物的控制越来越严格，随着柴油机车日益广 泛的应用及其排放标准的日益严格，大量的研究分析表明靠柴油机机内的净 化技术已经不能满足欧洲汽车排放标准3 以上法规的要求，必须同时采用处 理装置及相关的技术才能满足要求i l ，t l 。微粒排放是柴油机主要排放之一，据 国外有关专家预测，微粒过滤技术将是最终实现柴油机微粒排放控制的最 为有效和简单的技术之一。虽然柴油机排放的微粒总质量大幅度减少，但细 小的微粒数量反而会有所增加。这些微粒的质量和体积远小于以前，但因其 更细小更不易沉降，所造成的危害日益受到广泛重视。并且成为城市中的一 个重要的污染源 3 , 4 1 。此外，柴油机排气微粒粒径小、重量轻，能长时间悬浮 在大气中，容易被人体吸入并沉积在肺泡中，从而对人类健康造成极大的危 害。柴油机微粒对人体的危害与微粒直径有很大关系。柴油机微粒中有9 0 ( 质量比) 以上的微粒直径在0 0 1 t t m 1 0 岫之间。大于l t t m 的微粒在空气 中主要作沉降运动，容易被雨雪冲洗掉，一般难以进入呼吸道；直径小于l p m 的微粒则悬浮在空气中，很容易通过呼吸系统进入肺泡并沉积下来。1 9 9 2 年， 世界卫生组织( w h o ) 正式将柴油机微粒列为可能的致癌物质。在汽车排放系 统中装上微粒捕集器是减小污染的有效措施。 本篇论文研究源于广东省科技厅科技攻关项目“车辆尾气颗粒( 碳烟) 捕集与低压差排气消声一体化技术研究”，主要通过对纯流体在多孔介质中运 动机理研究为后续碳烟捕集设计提供依据。 1 2 国内外研究现状分析 捕集碳烟的技术和方法方面： 近年来，美国康宁公司、日本的n g k 公司大量生产汽车尾气催化反应载 广东工业大学工学硕士学位论文 体和烟尘过滤器，形成了一门新的产业。由于西方国家都迅速仿效生产，使大气 环境得到明显改善。国外在汽油车污染控制方面已有较成熟的技术，汽油车排烟 净化器还没有成功的应用，对这类尾气污染的控制国内外目前还没有成熟的技术。 我国七十年代初就开始了汽车尾气控制技术的研究，试制了各种各样的汽车尾随 尾气净化器。 目前，捕集碳烟的主要技术和方法有二种。一种是微粒过滤器和催化微粒过 滤器，后者还具有令聚集在发动机内的微粒不冒烟地燃烧功能，清除率为 9 0 一9 5 。另一种是碳烟吸附器，如含有1 刺柏油的水加热汽化过滤器，能将柴 油发动机排出的有害微粒状物质附着在油脂的表面，清除率为8 0 一9 0 ( 日本读 卖新闻报道) 。欧美一些发达国家为达到更加严格的环保要求，很快将上述两 种技术应用在新型卡车上；香港理工大学研制的“环康保”属微粒收集器清除率 为3 0 。我国大连理工大学和武汉汽车工业大学用微波技术令柴油机排放微粒过 滤器再生，清除率在5 0 以上，南京理工大学主要在柴油机烟吸收剂上有突破。 碳烟颗粒的捕集机理及其模拟方面： 常用的滤网式、分子筛、静电式等机械式过滤器分“深层”和“滤饼”二种 颗粒过滤机理，其中“深层”过滤机理适用于悬浮颗粒直径在0 1 5 0 i lm 的悬浮 流体过滤。碳烟颗粒的捕集机理属于此范畴。详细描述这一机理的方法又分宏观 法和微观法，宏观法分假设颗粒捕获到时捕集机理生效和假设颗粒在运动过程中 捕获或再分离同时存在二种；微观法又被描述成采用随机模型法和颗粒轨迹法二 种。后来的学者大多在这些理论基础上作了发展，如s o s m a k 用混合神经网络法 描述沉积速率l ，】，a f a d i l i 对流体在各向异性多孔介质中的三维过滤机理作了探 索吲，g n p o n t i k a k i s 研究了柴油机排气稳定经过泡沫陶瓷过滤器的过滤机理f 7 】， 高铁瑜等根据空气动力学捕集理论研究了陶瓷过滤器的过滤机理i s , 9 】等等。描述多 孔介质中多相流流动状态的理论最近有了新的发展 1 0 , 1 1 l ，s m h a s s a n i z a d e h i ”“4 1 等提出直接从基本物理原理中导出多相流基本方程，解决了基于d a r c y 方程扩展 的瞬态多相流方程不科学地描述多相流系统物理过程的问题。 2 第一章绪论 1 。3 课题来源 本研究课题来源于广东省科技厅科技攻关项目“车辆尾气颗粒( 碳烟) 捕集 与低压差排气消声一体化技术研究”，项目编号为0 3 0 0 4 5 。 1 4 论文主要研究的内容 ( 1 ) 研究多孔介质中流体流动闯题的数值模拟方法，如：基于传统多孔介质流 动控制方程的数值模拟方法，基于多孔介质模型的数值模拟方法，基于两相方法 的数值模拟方法，多孔介质纯流体耦合流动区域的数值模拟方法等。 ( 2 ) 建立多孔介质纯流体耦合区域可压缩气体的流动特性的物理模型及数学模 型，并提出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的测 定方法。 ( 3 ) 确定实验装置所需的基本参数及测量参数的修正，如：根据静压测量技术 要求确定管子长度和静压测量孔的位置，根据实验要求选取流量计的量程范围和 旋涡气泵的型号等，以及流量计读数的修正。 ( 4 ) 根据实验测得的流量、温度和静压力计算多孔介质材料的渗透率和惯性系 数以及数据处理。 ( 5 ) 运用g a m b i t 软件和f l u e n t 软件，对流体流进不同的多孔泡沫陶瓷材料进行 模拟仿真。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章多孔介质中流体的流动特性分析 2 1 多孔介质中流体流动问题的数值模拟方法 对多孔介质中流体流动的数值模拟研究一般包括宏观流动的数值模拟和微观 流动的数值模拟叫】。在通常的工程应用中，人们只对流体的整体流动特性( 如速度 分布、压力分布等) 感兴趣，所以从1 8 5 6 年d a r c y 开创了该方面的研究以来，大量 学者进行了有关多孔介质中流体宏观流动的实验研究和数值模拟研究】。虽然多 孔介质中基于孔尺度的流体流动是非常不规则的，但包含足够多孔的空间的平均 物理量却以一定的规律随空间和时问变化。在对宏观流动的研究中，物理量被定 义为表征单元体积( r e v ) 中物理量的平均值。r e v 的选取应使其尺度远大于孔的尺 度，以保证平均结果与r e v 的大小无关；而且应远小于宏观流动区域的尺度，以保 证能够反映出宏观流动的变化规律。宏观方法是通过研究基于r e v 的平均物理量的 变化规律来研究多孔介质中的流动。如果只须研究物理量的平均值变化的规律而 不研究扰动量变化规律，那么宏观研究方法给出的结果是令人满意的。 2 1 1 基于传统多孔介质流动控制方程的数值模拟方法 多孔介质中流体流动的数值模拟研究是指从多孔介质宏观流动遵循的控制方 程出发，利用数值方法模拟多孔介质中的流动现象，对模拟结果进行分析从而得 到所需要的结果。用于描述多孔介质宏观流动的传统控制方程是从实验结果中整 理得到的经验方程。近年来也有学者从经典的流体力学方程出发，利用r e v 的概 念，进行空间平均并结合恰当的封闭方程，得到多孔介质中宏观流动满足的控制 方程。这样得到的控制方程也具有相当大的经验性。 多孔介质宏观流动的连续方程一般采用如下形式： 4 第二章多孔介质中流体的流动特性分析 型粤“c 口旷) ：o ( 2 - 1 ) 国 。7 多孔介质宏观流动的动量方程一般是基于实验数据得到的经验方程。 d a r c y 定律：v = - 主拿 ( 2 2 ) 式中，v 为流体速度；i l 为流体动力粘性系数；k 为多孔介质渗透率( 对于各相 同性均匀介质，k 为常数；对于一般的各相异性多孔介质，k 为一张量) 。 随着后来对多孔介质中各种复杂流体流动的研究发现，d a r c y 定律只适用于多 孔介质中低速流体做定常流动的情况。随着流动速度的增加，压力梯度和流动速 度不再满足线性关系。此外，对于流体为气体的情况，多孔介质渗透率不仅和多 孔介质材料本身有关，而且随压力变化。这些现象说明须对d a r c y 定律进行修正以 得到适用的动量方程。 从2 0 世纪5 0 年代以来，大量的研究者对多孔介质中的复杂流动进行了实验研 究。并从流动的物理本质出发对流动现象进行深入分析，对d a r c y 定律提出了多种 修正方案。 ( 1 ) 考虑加速度和惯性效应的修正d a r c y 定律。通过与流体力学n - s 方程进行类 比，提出了以下修正方程： p 譬何忖 _ 却一警矿 s ， 对于大孑l 隙率的多孔介质。加入惯性项是合理的，可以表示出流体流动中的 非线性阻力。时问导数项对大多数多孔介质中流体的流动可以略去，因为大多数 情况下多孔介质中的瞬态过程衰减得很快，只有当运动粘性系数v 小于x t 。时 才须考虑时间导数项“。是所研究过程的特征时间) 。 ( 2 ) d a r c y f o r c h h e i m e r 定律。1 9 0 1 年，f o r c h h e i m e r 根据实验发现当流动速 度大到一定程度时( 一般是指基于孔尺度的特征雷诺数大于1 ) ，d a r c y 定律不再适 广东工业大学工学硕士学位论文 用。需要在流动的阻力项中加入一个平方项从而得到d a r c y - f o r c h h e i m e r 定律。 v p = 一譬矿一o j “p t f l f ( 2 4 ) 在低雷诺数流动时，压力梯度主要用来克服粘性阻力，所以d a r c y 定律适用。 而当流动速度增加到一定程度时，流动中的惯性力作用增强，压力梯度除了用于 克服粘性阻力外，还要用于克服惯性力，而流动中的惯性力与l 旷i 矿成正比，因 此流动速度越大惯性力的影响越明显，这时压力梯度和流动速度间的关系可以用 d a r c y f o r c h h e i m e r 定律来描述。 ( 3 ) b r i n k m a n 方程。1 9 4 7 年，b r i n k m a n 对d a r c y 定律的作出如下修正形式： v p = 一譬旷+ 刀2 矿 ( 2 5 ) 式( 3 5 ) 被称为b r i n k m a n 方程。该方程可以较好地满足多孔介质流动区域和纯 流体流动区域交界面处的无滑移条件。 ( 4 ) b r i n k m a n f o r c h h e i m e r 方程。v a f a i 等 9 人将多孔介质中流体的微观流 动满足的n - s 方程在r e v 上进行平均，并引入适当的封闭方程。得到如下的 b r i n k m a n - f o r c h h e i m e r 方程： p p 警+ 妒。1 v = 一吉v + 嚣v 2 矿一警旷一去g p 旧矿c z 删 可以看出，式( 2 6 ) 即为式( 2 - 3 ) 、式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) 的组合，即考虑了加速 度和惯性效应修正、b r i n k m a n 修正和f o r c h h e i m e r 修正的d a r c y 定律，多用于模拟 多孔介质中的复杂流动。 ( 5 ) k i i n k e n b e r g 方程。1 9 4 1 年，k 1 i n k e n b e r g 指出多孔介质中的气体流动与 液体流动的重要的不同之处在于气体流动存在k i i n k e n b e r g 效应，即多孔介质的渗 透率不只与多孔介质的微观结构有关，还与流体流动时的压力有关，可用下式表 示： 6 第二章多孔介质中流体的流动特性分析 m ( 1 + 砉) 7 ， k 是在非常大的气相压力下测得的多孔介质的渗透率，k 1 i n k e n b e r g 效应可以 忽略。通过实验发现，对于低渗透率的多孔介质，k i i n k e n b e r g 效应尤为重要。从 物理本质上来看，当气体分子的平均自由程接近多孔介质的孔尺度时，由于分子 和孔壁的碰撞程度与分子之间的碰撞程度具有可比性，从而多孔介质的渗透率会 因为滑移流动而增加。 基于传统的多孔介质流动方程的数值模拟一般都是对所研究的流动进 行恰当的物理分析，选择合适的动量方程并利用连续方程，再加上合适的能量方 程和状态方程，利用数值分析的方法求解偏微分方程组或常微分方程，得到需要 的结果。对于不考虑传热的多孔介质流动问题，一般不考虑能量方程，而用描述 热力学过程( 如等温过程、鲍热过程或多变过程) 的方程来替代。但对于考虑传热 的流体流动问题则需要加入能量方程。一般采用的能量方程形式和普通流体力学 中的能量方程类似，但须引入有效热传导系数来表示多孔介质区域中的热传导特 性。 2 1 2 基于多孔介质模型的数值模拟方法 基于多孔介质模型的数值模拟方法最初被用于模拟换热器和核反应堆中流体 的流动和传热问题。换热器中存在大量的换热管道和阻碍片，模拟具有5 0 0 根换热 管和l o 个阻碍片的换热器中的流动将需要1 5 亿个网格单元，这大大超出了目前计 算机的计算能力。为此，p a t a n k a r 和s p a l d i n g 提出了采用分布阻力的方法，也称 为多孔介质模型的方法。 多孔介质模型方法是将流动区域中的固体结构( 换热器中的换热管道) 的作用 看作是附加在流体上的分布阻力，从而以较粗糙的网格来模拟流动，每一个网格 单元可以包含很多报换热管道从而可以通过实验测定分布阻力。与基于传统多孔 广东工业大学工学硕士学位论文 介质流体流动控制方程的数值模拟方法相比，基于多孔介质模型的数值模拟方法 的理论背景更完善一些。但后者要确定的经验参数比前者多，而且该方法用于模 拟多孔介质中流体的流动尚需经过大量实验验证。 2 1 3 基于两相方法的数值模拟方法 从2 0 世纪8 0 年代中期以来，许多研究者以b a e r 和n u n z i a t o 提出的两相方法为 基础，从比较精细的角度对多孔介质中流体的流动现象( 如波运动、激波等) 进行 了数值模拟。两相方法以微观的相平衡方程为基础，同时考虑了流体的运动和固 体的运动以及流体和固体之间的相互作用，利用r e v 的概念进行平均，得到宏观的 两相( 流体和固体结构) 控制方程，然后再通过数值求解控制方程来模拟多孔介质 中流体的流动现象。控制方程中既包含描述流体流动的变量( 如流体密度、流体速 度、流体内能等) ，也包含描述固体变形的物理量( 如固体密度、固体位移、固体 内能等) ，是典型的流固耦合方程。但由于该方法很复杂，目前还没有用于二维和 三维的研究结果。 2 1 4 多孔介质纯流体耦合流动区域的数值模拟方法 多孔介质纯流体耦合流动区域的流动问题是指在求解区域中存在两部分流 动区域：一部分为纯流体的流动区域；另一部分为流体在多孔介质中流动的区域； 两部分区域之间存在交界面。对于该种耦合区域内流体流动问题，由于流动控制 方程的不同，在进行数值模拟时须在交界面上提出适当的流动耦合条件。 ( 1 ) 利用d a r c y 或f o r c h h e i m e r 方程加滑移边界条件进行数值模拟。 b e a v e r s 和j o s e p h 最早研究了多孔介质纯流体耦合流动区域的流动问题。 在纯流体流动区域采用简化了的n s 方程：窘= 妻； 8 第二章多孔介质中流体的流动特性分析 在多孔介质区域采用d a r c y 定律：一兰k 五= 罢 在多孔介质区域中采用的d a r c y 定律使得多孔介质内靠近边界处的速度分布 形状无法解释。为了解决这个问题，b e a v e r s 等指出，在交界面处可认为存在流动 滑移现象，交界面处的边界层对外流的影响可以通过这种滑移现象来近似解释。 ( 2 ) 利用b r i n k m a n 方程或b r i n k m a n - f o r c h h e i m e r 方程进行数值模拟。 在真实流动中边界处的速度必然是连续的，因而在多孔介质内部靠近交界面 处必然存在边界层。为了能模拟出这种边界层则可以用b r i n k m a n 方程替代d a r c y 定律来描述多孔介质内部的流动。b r i n k m a n 方程可以提供多孔介质中靠近交界面 处的边界层内的速度分布。n e a l e 等利用简化的n s 方程和b r i n k m a n 方程以及保证 交界面处的速度连续和应力连续的边界条件求解该闯题。最后得到了与b e a v e r s 一致的结果。 该边界条件如下： “：五；李：口掌；i i m d ：一主拿 ( 2 8 ) 牡面2 面。黜一i 玄 咄叫 s a l i n g e r 等用有限单元法研究了多孔介质、纯流体耦合流动区域的流动问题， 分别采用d a r c y 定律、滑移边界条件以及求解b r i n k m a n 方程的方法。他们指出如果 在不须求解边界层时，前一种方法在计算稳定性和计算效率上都优于第二种方法。 b e c k e r m a n n 等对垂直方管中的二维多孔介质纯流体耦合流动区域的自然对流问 题进行了数值模拟，在多孔介质区域采用b r i n k m a n - f o r c h h e i m e r 方程。他指出在 高孔隙率的情况下，必须考虑b r i n k m a n 和f o r c h h e i m e r 对d a r c y 定律的修正。利用 一个二值控制参数将两个区域内的流动控铆方程写成统一的形式，使得控制方程 在纯流体流动区域为n - s 方程，而在多孔介质区域为b r i n k m a n - - f o r c h h e i m e r 方程， 在交界面处两个控制体之间的扩散系数采用一个平均公式。他认为由于格式保证 计算区域内每一个网格点处的速度和应力连续条件，因而交界面处的耦合条件会 9 广东工业大学工学硕士学位论文 自动满足，数值模拟结果会与实验结果吻合。 2 1 5 结论 多孔介质中流体流动的数值模拟一般可以通过基于传统的多孔介质流动控制 方程的数值模拟方法、基于多孔介质模型的数值模拟方法和基于两相方法的数值 模拟方法三种方法实现。以上三种方法各有优缺点，还需要在很多方面予以发展 和完善，如控制方程的适用范围、数值模拟方法的理论基础、适用性、新方法的 试验验证等。多孔介质模型方法可以用于多孔介质中流体流动问题的数值模拟， 并且非常适于进行多孔介质纯流体耦合流动区域的数值模拟。 2 2 多孔介质纯流体耦合区域可压缩气体的流动特性 气体通过多孔介质纯流体耦合区域内的流动具有广泛的工程应用背景，因此 对多孔介质纯流体耦合区域内的气体进行流动分析有着非常重要的意义。多孔介 质材料的渗透率和惯性系数是决定多孔介质中流体流动特性的两个重要参数 z 7 , t s ，一般需要通过实验进行测定，因此精确测定多孔介质的渗透率和惯性系数 对于多孔介质材料的研究非常重要。在测定渗透率和惯性系数实验过程中，通常 将气体视为不可压缩流体。直接利用多孔介质中的d a r c y - - f o r c h h e i m e r 定律计算 得到多孔介质材料的渗透率和惯性系数f i ，m ：1 。由于气体只有在低流速和低压力下 才可以看作是不可压缩流体，对于高压气体以较高的速度通过多孔介质的情况， 在进行流动分析时不仅要考虑t d a r c y 效应，还必须考虑气体的压缩性。现对可压 缩气体通过多孔介质的定常非d a r c y 流动进行一维流动分析，总结出耦合区域内可 压缩气体流动的压力和速度分布规律。提出可压缩气体作定常非d a r c y 流动时多孔 介质材料渗透率和惯性系数的计算方法。利用f l u e n t 软件模拟多孔介质纯流体耦 合区域内可压缩气体的流动特性。 1 0 第二章多孔介质中流体的流动特性分析 2 2 1 物理模型 对一维直管中可压缩气体通过多孔介质的定常非d a r c y 流动进行流动分析，流 动示意图如图4 1 所示。压力为p 。，密度为p 。，速度为u ，的气体通过长度为l 的多 孔介质后。各参数变化为p o ，p 。，uo 。 2 2 2 数学模型 数； 一 庶p l 图2 - 1 流动示意图 f i g 2 - if l o ws k e t c hm a p s 为了建立合适的数学模型，现对所分析的流动作如下的假设： ( 1 ) 流动定常； ( 2 ) 流动为满足d a r c y - - f o r c h h e i m e r 定律的非d a r c y 流动； ( 3 ) 流体压力足够大，忽略k i i n k e n b e r g 效应； ( 4 ) 流体的流动为等温流动，即流体的温度t 和粘性系数为常数； ( 5 ) 多孔介质为刚性多孔介质，即多孔介质的渗透率k 和惯性系数c ，均为常 考虑f o r c h h e i m e r 修正的运动方程( d a r c y - f o r c h h e i m e r ) 为： 睾= 一告越o 伊2 ( 2 9 斑置 ” 上式中，p 为气体压力，u 为气体流速，p 为气体密度。 连续方程( 质量守恒方程) 为： 广东工业大学工学硕士学位论文 甜= a 。 上式中，a 为管道截面积，q ，为质量流量。 状态方程为： 由式( 2 - 1 0 ) 、( 2 - i 1 ) 得： 代入( 2 - 9 ) 式得： p = 朋r 甜：盟：盟丝一q , r t 1 , o a ap a p 罢一丝a ( 兰k + 盟ag 吉p 缸 lj q = q = 彳r t 。( 置i t + 鲁g = 刖隆+ 鲁g = a 虬曙+ n c ， ( 2 - 1 0 ) ( 2 - i l ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 令 ( 2 - 1 4 ) 对于直管入口参数给定的定常流动，q 。为常数。对于刚性多孔介质，k 和c ，均 为常数。对于气体的等温流动，t 和p 为常数。故c 。为常数。代入( 2 1 3 ) 式可得： d p i 一：一c 一 凼 p 上式即为流动的压力方程，积分可得： 丢p 2 = 叫坞 ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 代入边界条件：x = o 时p = a ，可以确定积分常数：巳= i i 乃2 代入( 2 1 6 ) 式可得： p 2 = 衍一2 c l x p = q 霄, - 2 c i x 强, 阵l l - - - f x 上式即为流动的压力分布。根据( 2 - 1 2 ) 式可知： 1 2 ( 2 一1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 第二章多孔介质中流体的流动特性分析 朋= a “。= ，。甜。= _ q , , r 广t ( 2 - i o ) 从而可等到多孔介质中气体的速度分布如下： 2 2 3 渗透率和惯性系数的测定 “：盟： p ( 2 - 2 0 ) 多孔介质材料的渗透率和惯性系数是决定多孔介质中流体流动特性的两个重 要参数。通常情况下，在测定多孔介质材料的渗透率和惯性系数时都采用气体作 为实验流体并且将气体看作不可压缩流体m m 】，对于材料前后压力差很小、材料 很薄的情况这种近似是合理的。然而对于材料前后压力差较大、材料厚度较大的 情况则不适用。因为在这种情况下多孔介质内部的气体压力、密度和速度会发生 较大的变化，所以需要考虑气体的可压缩性m 1 以下提出可压缩气体作定常非 d a r c y 流动时多孔介质材料渗透率和惯性系数的计算方法。 根据( 2 - 1 4 ) 式和( 2 一1 7 ) 式，可以得出： p ；= 衍一2 a ( 詈+ 面e l 甜，g 弘 ( z z ) 整理可得： z+p1一筠。=e?-。v蚝；k r t 2 l p 。 ( 2 2 2 ) 1 1 虬 对于多孔介质层前气体压力为p ：、流速为u ：的工况，同理有： 生念蚂2 错22k t ( 2 - 2 3 ) r。2 j 印， 联合( 2 - 2 2 ) 式和( 2 - 2 3 ) 式可得： c ，= 面r t p - l u l 一卺+ p q n l p 2 u 2 一p , 1 u j 、1 j 浯2 4 ) 2 j 面一i q 1 刨 广东工业大学工学硕士学位论文 生k垃2lplui一面pul一plp3_22l露皓一剖z s ， b 1 甜l p 2 2j l 却l材2 1 ”l p 2 2p l ”1 l 此即为考虑气体在可压缩性情况下作定常1 d a r c y 流动时多孔介质渗透率和 惯性系数的计算表达式。即只要气体通过多孔介质层膨胀为状态为p 。和p 。( 通过 多孔介质材料后的气体密度) 的气体，就可以根据两个工况参数计算出多孔介质材 料的渗透率和惯性系数。在实验过程中，测出一系列多孔介质材料前的压力和流 速，然后根据参数数值计算出多孔介质材料的渗透率和惯性系数，略去不合理的 结果( 可能由实验误差造成) ，再将剩余的结果求平均值即可。 1 4 第三章建立实验平台及数据处理 第三章建立实验平台及数据处理 3 1 实验装置所需的基本参数的确定 3 1 1 管子长度确定 实验证明，在静压孔处的气流会受到头部和后支杆的影响。气流经过半球形 头部时，流速增加，静压下降，使测量到的静压p 。比气流的实际静压p 要低，产 生负误差；后支杆对气流有减速作用，使静压增高，产生正误差。显然，随着相 对距离l 。d 。和l ：d ：的增加，头部及后支杆对静压测量的影响将减小。如图3 - 1 所示( 注：其中d 。大管直径d 。= 1 6 0 m m ，大管子的厚度为3 5 m ，d ：为小管直径 d ，= 9 0 m ，小管子的厚度为3 5 衄) 若适当选取静压空的位置，就可以使得这两 种影响互相抵消，较为准确地感受出气流的静压。一般取l 。为( 3 8 ) d ，l ：为 ( 8 2 0 ) d 2 。 设l = l 。+ l ：， 3d ，+ 8d ，l 8d ，+ 2o d ：，即管子的整体长度l 数值大概 在1 2 0 0 3 0 8 0 m m ，现建立实验平台取管子的长度为3 0 0 0 m m 。 出气 口 图3 - 1 实验平台管子图 f i g 3 1e x p e r i m e n tp l a t f o r mp i p ep i c t u r e s 口 广东工业大学工学硕士学位论文 3 1 2 管子打孔处位置的确定 由l ，为( 3 8 ) d 。，可以知道打孔处离管子末端的距离l 1 的取值范围在4 8 0 1 2 8 0 r a m ，大致取打孔处离管子末端的距离l l = 8 0 0 m m 。 3 1 3 流量计的选择 常用四缸发动机的排气口压力一般在0 1 2 o 2 2 m p a 三l 间，过滤体进口的压力在 0 1 0 7 0 1 2 2 m p a 之问。柴油机排出的废气流速高，一般排气管中的废气流速可达 1 0 m s 4 0 m s m j 。如果排气管的出口直径为5 6 m m ，捕集器的直径为1 6 0 m ， 流量公式q = a u ，其中a 为面积，u 为流速 q s 三( o 0 5 6 m ) 2 4 0 m s 3 6 0 0 s h 3 5 4 5 m 3 h 4 可以看出排除气体流量的最大数值约为3 5 4 5 m 3 h 因此，建立实验平台可以选择 l z b 8 0 型玻璃转子流量计，该流量计测量气体范围8 0 4 0 0 m3 h ，准确度等级 l z b 2 5 。 3 1 4 旋涡气泵的选择 四缸发动机排出的尾气在过滤体前的压力一般在0 1 0 7 0 1 2 2 9 p a 之间及排除气 体流量的最大数值约为3 5 4 5 m 3 h 可以选择x g b 1 4 型旋涡气泵提供流动气体比较 合适，该旋涡气泵能提供的流动气体的最大流量4 8 0 m3 h ，最大压力0 1 4 3 3 m p a 。 3 2 实验平台的建立 实验时，样品室放置有两种不同的多孔泡沫陶瓷材料样品分别是2 5 p p i 的氧 化铝多孔泡沫陶瓷材料样品和1 0 p p i 的炭化硅多孔泡沫陶瓷材料样品，以下分别 对这两种不同的气体进行模拟仿真分析，并把结果进行对比分析。 根据公式( 2 2 4 ) 和公式( 2 2 5 ) ，确定测量多孔介质渗透率和惯性系数的实 验方法和路线。实验装置如图3 - 6 所示。实验平台由5 个部分组成： 第1 部分为x g b 1 4 型旋涡气泵提供流动气体，最大流量4 8 0 m3 h ，最