（环境工程专业论文）基于微粒沉降的湍流管流内近壁流场的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 尽管近年来柴油机微粒排放问题及其研究已受到国内外普遍高度重视，然而 到目前为止，人们对柴油机微粒在排气管道中的沉降规律及其影响因素的了解却 非常有限。微粒的运动在很大程度上取决于管道内的气流运动，因此为了给管道 内微粒沉降的研究提供基础和依据，对管道内的流场，尤其是管道内近壁流场的 结构特征及其影响因素进行研究就显得尤为重要。 本文根据湍流管流中柴油机微粒热泳沉降和湍流脉动沉降研究的需要，应用 f l u e n t 软件对直圆管中稳态进气和脉动进气时，近壁处流场的分布特征、影响 因素以及变化规律进行了研究。分析了稳态进气时气流入口速度、入口温度以及 管道直径等对直圆管内近壁处温度场和湍动能场的影响；脉动进气时气流的脉动 振幅和脉动频率对直圆管内近壁处温度场和湍动能场的影响。 针对柴油机排气系统的复杂性，本文对弯管、突扩管、分叉管等几种不同结 构的管道内的排气流场进行了分析，重点研究了各种管道结构中近壁处流场的分 布特征、影响因素以及变化规律。对弯管的弯头角度和气流入口速度对弯管内温 度场和湍动能场的影响进行了研究，重点对流动参数变化比较剧烈的弯头内壁面 和外壁面附近的流场进行了分析，并分析了这些特殊位置处的流场分布可能对微 粒沉降产生的影响；对突扩管不同扩张度时管道突扩处的温度场、速度场、湍动 能场的分布特征进行了分析；对一级分叉管和二级分叉管内的流场进行了研究， 尤其是分叉处的近壁流场。 通过论文的工作，得到了各种不同管道结构内的近壁流场的分布特征、影响 因素以及变化规律，研究成果可以为柴油机微粒在排气系统中不同管道结构内沉 降规律的研究提供一定的理论依据和研究基础。 关键词：管道；近壁流场；柴油机微粒；热泳沉降；湍流脉动沉降 英文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l yh i g ha t t e n t i o ni sp a i dt ot h er e s e a r c ho n t h ep r o b l e mo fd i e s e lp a r t i c u l a t e s e m i s s i o na th o m ea n da b r o a d ，b u tu pt on o w , d e p o s i t i o nr e g u l a r i t yo fd i e s e lp a r t i c u l a t e s i ne x h a u s tp i p ea n di t si n f l u e n c ef a c t o r sw h i c hw ek n o w na r ev e r yl i m i t e d a sp a r t i c l e m o v e m e n td e p e n d st oag r e a te x t e n to na i r f l o wm o t i o ni np i p e l i n e ，i no r d e rt os u p p l y f o u n d a t i o na n db a s i sf o rt h er e s e a r c ho fp a r t i c u l a t ed e p o s i t i o nr e g u l a r i t y , t h es t u d yo f s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i e sa n di n f l u e n c ef a c t o r so fp i p e l i n ef l o wf i e l de s p e c i a l l yn e a r - w a l l f l o wf i e l di sq u i t en e c e s s a r y a c c o r d i n g t ot h en e e do fr e s e a r c ho nd i e s e lp a r t i c u l a t e st h e r m o p h o r e s i sd e p o s i t i o n a n dt u r b u l e n td e p o s i t i o n ，i nt l l i sp a p e r , d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l u e n c ef a c t o r sa n d i t sv a r i a t i o nr e g u l a r i t yo fn e a r - w a l lf l o wf i e l da b o u ts t e a d yf l o wa n dp u l s a t i n gf l o wi n s t r a i g h tr o u n dp i p ea r es t u d i e db yf l u e n t i nt h es t e a d yf l o w , t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f n e a r - w a l lt 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 do fs t r a i g h tr o u n dp i p es u c h a sa i ri n l e tv e l o c i t y , i n l e tt e m p e r a t u r ea n dp i p ed i a m e t e r , i nt h ep u l s a t i n gf l o w , t h e i n f l u e n c ef a c t o r sa r ep u l s a t i o na m p l i t u d ea n dp u l s a t i o nf r e q u e n c y i nl i g h to ft h ec o m p l e x i t yo fd i e s e le x h a u s ts y s t e m ，e x h a u s tf l o wf i e l do fs e v e r a l k i n do fd i f f e r e n ts t r u c t u r ep i p e l i n e ，f o re x a m p l e ，b e n tp i p e , s u d d e ne x p a n dp i p e ， b i f u r c a t i o np i p ee t c ，a r ea n a l y z e d ，d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l u e n c ef a c t o r sa n d v a r i a t i o nr e g u l a r i t yo fn e a r - w a l lf l o wf i e l di sr e g a r d e da sk e yr e s e a r c h f o c u s i n go nt h e f l o wf i e l do fo u t e rw a l ls u r f a c ea n di n t e rw a l ls u r f a c eo fv i o l e n tc h a n g e sf l o w p a r a m e t e r sb e n dw h e r ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o ni m p a c t so np a r t i c u l a t e sd e p o s i t i o n , t h e e f f e c to fi r d e tv e l o c i t ya n db e n da n g l ed e g r e eo nt 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 c e n e r g yf i e l da r ea n a l y z e d ，a n dt h e n , t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，v e l o c i t yf i e l da n d t u r b u l e n t k i n e t i ce n e r g yf i e l do fs u d d e n e x p a n s i o np o i n tu n d e rd i f f e r e n te x p a n s i o nd e g r e eo f s u d d e ne x p a n dp i p ea r ed i s c u s s e d ，a tl a s t ，t h ef l o wf i e l do ff i r s ta n ds e c o n dg r a d e b i f u r c a t i o np i p ei ss t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h en e a r - w a l lf l o wf i e l do fs u d d e n - e x p a n s i o n p o i n t i nt h i sp a p e r , d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l u e n c ef a c t sa n dv a r i a t i o nr e g u l a r i t yo f n e a r - w a l lf l o wf i e l di ns e v e r a ld i f f e r e n ts t r u c t u r ep i p e l i n e sa r eo b t a i n e d t h e o r e t i c a l b a s i sa n dr e s e a r c hf o u n d a t i o no fd i e s e lp a r t i c u l a t e sd e p o s i t i o nr e g u l a r i t yi nd i f f e r e n t p i p es t r u c t u r e se x h a u s ts y s t e ma r es u p p l i e db yt h er e s e a r c hr e s u l t s k e y w o r d s ：p i p e l i n e ；n e a r - w a l lf l o wf i e l d ；d i e s e lp a r t i c u l a t e s ；t h e r m o p h o r e s i s 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 n l 独创性声明 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工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书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名。善疹硷签字日期。血吵年月型日 9 3 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：荽经艟 签字日期：血7 年f 月也日 导师签名：号够 签字醐：叼年护多月2 弓日 致谢 本论文是在我的导师宁智教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、方案论 证、研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师大量 的心血。 宁老师渊博丰厚的学识、严谨科学的治学态度、启发诱导式的指导方式以及 对人对事极负责任的态度，都使我终生受益。两年以来，宁老师不仅在科研、学 业上给我提出了殷切的期望和严格的要求，而且在生活上给予了极大的关心和帮 助。无论何时，宁老师都耐心的帮助我分析、解决问题。从导师那里不仅学到了 丰富的专业知识，而且学会了如何思考，如何开展科研工作，如何做人。在此论 文收稿之际，谨向宁老师表示深深的敬意和衷心的感谢! 感谢宋云超师兄、付娟师姐在论文的研究工作中给予的帮助，同时还要感谢 实验室成员朱伟胜、张硕、曹哲、刘耀东等同学对我关心和照顾。 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。 l 绪论 1 1 课题研究背景 1 绪论 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， 而被广泛应用于交通运输、工程及农林机械等领域【l 】。在运输业，除占据全部大吨 位机动车市场外，一些国家( 如德国、日本) 的中吨位车已全部柴油机化，轻型载货 车则大部分柴油机化，小型客车也面临柴油机化趋势。但柴油机排出的大量有害 物质，也给环境带来了严重污染，危害着人类的健康。 与汽油机相比，柴油机废气中碳氢化合物( h c ) 和一氧化碳( c o ) 含量较低，通常 仅为汽油机的十几分之一。氮氧化物m o 。) 排放量与汽油机大致处于同一数量级 2 - 4 。但微粒( p m ) 排放水平远高于汽油机( 约为汽油机的3 0 - 1 0 0 倍) 。并且排放微 粒的粒径极小，大都属于亚微米级粒子和纳米级粒子【5 。1 7 1 ，由吸附多种化合物的固 体碳核组成。这些被吸附的化合物包括未燃碳氢化合物、碳氢化合物、多环芳香 烃( p a n p o l y n u c l e a ra r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ) 、硫酸等无机物。一般柴油机排气微粒 以重量计9 0 以上小于1 a n ，5 0 以上小于0 5t a n ，微粒越小危害越严重，它们 长时间悬浮于空气中而极易被人体吸入肺泡并在其中滞留，从而引发呼吸系统及 肺部疾病降i o 】，同时还造成对建筑物的污染并影响大气可见度。另外，当柴油机微 粒表面上吸附有多种有毒化学物质时，能导致呼吸道疾病、心血管疾病、支气管 炎和肺癌等疾病明显增加。最近许多研究表明【1 1 1 4 】，除去附着在表面上的有机物 和其它物质，柴油机微粒本身也具有致癌作用。现在认为，与致癌有关的柴油机 排气微粒至少有两种成分：一种是无机碳核( s o l - s o l i d s ) ；另一种是吸附的有机物 ( s o f s o l u b l eo r g a n i cf r a c t i o n ) 。 此外，在柴油机排气系统中由于微粒的存在对发动机的性能将会产生一些不利 的影响。众所周知，e g r ( 废气再循环) 已经在降低n o x 上取得了很大的成功【l 孓1 6 1 ， 它在降低n o x 排放的同时往往会使其他排放物增加，尤其是微粒的排放。e g r 的 稀释作用使燃烧过程中的最高温度降低，有效抑制了n o x 的形成，但是由于混合 气中氧气浓度降低，燃烧反应不完全，使未燃碳氢化合物、一氧化碳和微粒的排 放增加，微粒增加尤其明显，对于环境的危害更严重。废气再循环技术的关键是 使n o 。在最大程度降低情况下，又不影响柴油机的经济性和碳氢与微粒排放。 再循环的排气中包含的微粒物质进入气缸后会粘附在气缸壁表面的润滑油油 膜中，在发动机工作过程中，活塞环将这些微粒物质刮入到曲轴箱中，使润滑油 北京交通人学硕+ 学位论文 中的不溶性物质增加，导致活塞环、气门等零件的磨损，为此需要将回流排气过 滤，这对于安装涡轮增压器的柴油机尤为重要如果安装有涡轮增压器的柴油机使 用e g r 降低氮氧化物时，至少应除去e g r 气体中9 9 的微粒。 因此，柴油机微粒的排放控制成为了人们关注的焦点。降低柴油机微粒的方法 主要有前处理、机内净化和后处理三大方面【1 7 。2 0 1 。前处理主要对燃料进行调整、 改善。最近很多大城市都采用液化石油气、天然气等。但对于在用柴油车，将其 改变为燃用天然气或液化石油气技术难度大，成本高，而且很可能大大增加了车 辆的气体污染物如碳氢化合物( h c ) 、一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 排放并降低发 动机的动力性。在机内净化方面，可采用高压喷射、燃烧室结构优化、喷射j 下时 优化、增压、减少机油消耗等。机内净化一直是人们研究的重点，然而大量的研 究分析表明，仅靠机内净化不能完全满足欧i i i 以上法规要求，而必须同时采用后 处理装置。这主要由于：一，各种排放物之间存在着折衷关系，当排放物的限值 越来越低时，这种折衷的矛盾显得更为突出；二，对于微粒而言机内净化虽然降 低了排放总质量，不能改变其微粒的数量，同时也减少了它的尺寸，即使得微粒 越来越细小，因此对人体的危害并未减少。 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道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、湍流脉动沉降等，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。 虽然热泳现象很早就被人们发现( 1 8 世纪) ，但直到1 8 7 9 年才由m a x w e l l 较合理 的描述了热泳力作用的基本物理过程【2 l - 2 3 1 。热泳原理就是利用主流温度与壁面温 度产生的温差而形成的温度梯度推动微粒向壁面运动的机制。热泳力对柴油机微 粒具有一定的脱除作用，通过合理设计和控制管道的结构和运行参数，可以有效 地提高柴油机微粒的沉降率。热泳沉降技术为柴油机微粒的净化以及柴油机微粒 分布的改善提供一条有效的途经。柴油机排气温度较高，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 一l 所示。 2 广三警髫 削i i 微粒沉降示意幽 微粒的热泳沉降和脉动沉降在很大程度上取决于管道内气流的运动，可见， 研究不同因素对微粒沉降规律的影响，实际上就是研究不同因素对流场分布的影 响。到目前为止，人们对柴油机微粒在排气管道中的热泳沉降和湍流脉动沉降已 经有了一些研究，然而对影响微粒沉降的流场分析却比较少。因此在基于微粒沉 降的基础上，对其管道内的流场进行分析显得尤为重要，尤其是近壁流场。本文 将基于微粒在壁面处的热泳沉降和湍流脉动沉降，主要针对各种不同管道结构中 近壁流场的分布进行研究。研究成果可以为柴油机微粒在排气系统中不同管道结 构内沉降规律提供一定的理论依据。 12 国内外研究现状 12 1 国内研究现状 国内对管道中微粒热泳沉降的研究仍不多见，因此，国家设立“9 7 3 ”重大课 题并委托以清华大学为主的多所大学协作予以研究。周涛，杨瑞昌等依据热泳基 本原理j ，设计了一种新型湍流方环形双壁冷却式通道。通过设计和计算表明， 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，利用湍流 的沉积效率，加上热泳沉积效率。可以达到较高的总泳沉积效率。他们还将热泳 力和微通道流动两项国际前沿热门研究成果相结合口”，研究微通道内流动的可吸 入微粒物热泳沉积效率的变化规律。结果表明微通道内的热泳沉积效率比普通通 道高，且在微通道和普通通道中可吸入微粒的热泳沉积效率都随温度差增大而 升高，但在微通道中有着更为明显的效果。 他们还对温度场内可吸入微粒物的运动特性进行了实验研究口“，使用p d a 测 量了场内可吸入微粒物的速度和浓度分布等参数，研究了实验段入口速度和温度 等操作参数对温度场内微粒相运动特性的影响。结果表明，在近冷壁区边界层内， p m 25 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 北京交通人学硕十学位论文 动并产生沉积。在实验研究的基础上，提出了计算温度场内p m 2 5 沉积效率的经 验公式。 ! 清华大学薛元、姚强【2 7 】等针对目前在去除超细微粒方面存在的困难，研究了 有温度梯度存在地情况下超细微粒受到热泳力的理论和实验研究现状。对已经完 成的工作和其中存在的问题进行了分析总结，在此基础之上探讨了今后热泳力研 究的主要发展方向。 由长福，李光辉等【2 8 】采用湍流直接数值模拟方法对壁面附近直径为l “m 、1 0 p m 、1 0 0 “m 的微粒运动进行了研究，数值模拟准确再现了近壁面的湍流流动特征， 以及可吸入微粒的运动行为，模拟出微粒在壁面附近的聚集现象，以及尺寸微粒 的分布情况，为进一步研究可吸入微粒控制技术奠定基础。 徐东艳和陈熙【2 9 】分析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。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谩反射。 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来蒸 发微粒的热泳力段有影响，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。 宁智、付娟等【3 0 】对热泳力作用下柴油机微粒在冷却通道中的沉降规律进行了 研究推导建立了热泳沉降率数学模型，在此基础上分析了在热泳力作用下，微粒 大小、排气流速、排气与壁面温差以及通道尺度等因素对柴油机微粒在冷却通道 中热泳沉降率的影响规律。研究结果表明，热泳力对柴油机微粒具有一定的脱除 作用，通过合理设计和控制冷却通道的结构和运行参数，可以有效地提高柴油机 微粒在冷却通道中的沉降率。 1 2 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【3 l - 3 3 1 ，利用温度梯度产生的 热泳效应来脱除湍流中的微粒，是一项国际研究的前沿方向，目前还处于基础理 论研究和实验阶段，有效的成型技术并不多见。除了韩国利用热泳和惯性碰撞的 综合作用实现的一个新型碰撞机器之外，国际上还极少有完善的成型技术和产品。 相对国内而言，国外的研究工作稍微多一点。c b c r g e r ，h h o r v a t ha n dw s c h i n d l c r l 3 4 1 应用扩散和热泳沉降理论建立模型估算气体微粒在管道内的沉降效率，并通过实 验对模型进行验证。实验表明，该模型可应用于许多实际生产中。 b y u n gu kl e e ，d us u bb y u n ，g w i - n a mb a e ，j i n h al e e j 对高温度、高浓度 的微粒在湍流管流中的热泳沉降进行了实验研究，实验条件是模拟汽车排气管中 4 l 绪论 微粒的运动特性而进行设计的，尤其是确定微粒在管道中的停留时问。实验结果 显示热泳效应是促使微粒在湍流管流中沉降的主要因素，并且经过实验分析和计 算验证了之前的一个热泳沉降公式对于估算高温度、高浓度的微粒在湍流管流中 的热泳沉降不够准确。因此需要建立一个新的公式来估算上述性质的微粒沉降。 j o h na b 讪锄【3 6 】研究了在一个三维模型当中运用一种研究气体微粒动力学的 新型随机微粒法，来模拟柴油机内流动，喷射，燃烧和排放。该模型当中包括热 泳效应对微粒的推动力。研究结果表明， 的聚集量要比不考虑热泳效应时多很多， 粒向冷壁面聚集。 当考虑热泳效应的影响时，室内总微粒 这正是因为热泳效应产生的推动力使微 f r a n c i s c o j r o m a y ，s h os t a k a g a k i ，d a v i dy h p u ia n db e n j a m i ny h “u f 3 7 】对 层流和湍流条件下不锈钢管内气体微粒热泳沉降效率进行测量该实验是将气体微 粒加热到一定温度，然后让其通过一个热交换器，使其在管壁处产生热泳沉降。 通过实验表明热泳沉降效率比理论估计值大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。 “ 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 3 8 】在一个板对板的加热沉淀系统中对亚微米 级气体微粒团沉降进行研究该气体微粒所处的流态和温度对应于现代重型柴油机 排气系统。实验中观察到当粒径范围在3 4 至3 0 0 n m 之间，沉降效率与粒径和雷诺 数无关。 m m o o y o u n ga n di c y a m a g u c h i0 9 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。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 e n j i n n t s a i 研究了管道入口区域对微粒热泳沉降率的影响 【加】。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。他们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f 4 。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。 d g t h a k u r t a ，m c h e n ，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 5 北京交通大学硕士学位论文 件下的微粒沉降率及有无重力作用下的沉降率【4 2 】。 由此可见，至今为止国内外对湍流状态下微粒热泳沉降规律的研究，主要通 过实验研究和直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 3 课题研究意义 尽管近年来柴油机微粒排放问题及其研究已受到国内外普遍高度重视，然而 到目前为止，人们对柴油机微粒在排气管道中的沉降规律及其影响因素的了解却 非常有限。柴油机排出的废气在排气管中进行的是两相流动，由于排气微粒在排 气管内的浓度较低，并且微粒粒径小，质量轻，其跟随性较好，因此微粒的运动 在很大程度上取决于管道内气流的运动。可见，研究不同因素对微粒沉降规律的 影响，实际上就是研究不同因素对流场分布的影响。人们对柴油机微粒在排气管 道中的热泳沉降和湍流脉动沉降已经有了一些研究，然而对影响微粒沉降的流场 分析却比较少。因此根据湍流管流中柴油机微粒热泳沉降和湍流脉动沉降研究的 需要，对其管道内的流场进行分析显得尤为重要，尤其是近壁流场。 本文将基于微粒在壁面处的热泳沉降和湍流脉动沉降，主要针对各种不同管 道结构中近壁流场分布进行研究。研究成果可以为柴油机微粒在排气系统中不同 管道结构内沉降规律提供一定的理论依据和研究基础。 1 4 本课题研究的主要内容 由于微粒的热泳沉降和湍流脉动沉降主要取决于管道内气流的运动，因此本 文根据湍流管流中柴油机微粒热泳沉降和湍流脉动沉降研究的需要，利用f l u e n t 软件对各种不同管道结构中近壁流场的分布进行计算分析，主要开展了以下工作： ( 1 ) 利用三维建模软件g a m b i t 建立了普通的直圆管、四种不同弯头角度的 弯管的3 维几何模型，以及三种不同扩张度的突扩管的3 维几何模型；利用p r o e 软件建立了一级分叉管、二级分叉管的3 维几何模型。利用g a m b i t 软件对上述各 种3 维几何模型进行网格划分，并根据不同管道结构中气流流动的特点，确定了 描述不同管道内流体流动的控制方程、边界条件以及求解方法。 ( 2 ) 在稳态流动的条件下，对直圆管中近壁流场进行分析，主要包括温度场 和湍动能场。通过改变气流的入口速度、入口温度以及管道直径，来分析不同因 素对管道内温度场和湍动能场分布的影响，从而对不同因素对微粒沉降的影响进 6 i 绪论 行分析。 ( 3 ) 在脉动流动的条件下，对直圆管中近壁流场进行分析，主要包括温度场 和湍动能场。通过改变气流脉动的振幅和频率，来分析脉动进气时，不同条件下 温度场和湍动能场的分布情况，从而对流场对微粒沉降的影响进行分析。 ( 4 ) 对弯管中近壁流场进行分析，通过改变弯头角度和气流的入口速度，对 弯管内温度场、速度场和湍动能场进行计算分析，尤其是对管道发生拐弯处的局 部近壁流场进行了详细的分析，从而分析在这些特殊位置处的沉降情况。 ( 5 ) 对突扩管中近壁流场进行分析，主要对不同扩张度时突扩管内温度场、 速度场和湍动能场进行计算分析，尤其是对管道发生突扩处的局部流场进行了分 析，从而分析在这些特殊位置处的沉降情况。 ( 6 ) 对分叉管中近壁流场进行分析，分别对一级分叉管和二级分叉管内温度 场、速度场和湍动能场进行计算分析，尤其是对管道发生分叉处的局部流场进行 了分析，从而分析在这些特殊位置处的沉降情况。 7 北京交通大学硕十学位论文 2 湍流管流中近壁流场计算模型的建立 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f l u e n t 软件对各种不同结构的管道内的流场分布进行数值模拟研 究。 2 1 流体流动数值模拟方法及f l u e n t 软件 2 1 1 流体流动数值模拟方法【4 3 书1 质量守恒方程和动量守恒方程即n a v i e r - s t o k e s 方程是对任何流动系统来说都 必须满足的基本定律。但对于湍流，如果直接求解3 维瞬态的控制方程，需要采 用对计算机内存和速度要求很高的直接模拟方法，但目前还不可能在实际工程中 采用此方法。工程中广为采用的方法是对瞬态n a v i e r - s t o k e s 方程做时间平均处理， 同时补充反映湍流特性的其他方程，如湍动能方程或湍流耗散率方程等。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： ( 1 ) 连续方程( 质量守恒方程) 任何流动问题都必须满足质量守恒定律，按照这一定律，可以得出质量守恒 方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ： 宅+ 掣：0 ( j ：1 ，2 ，3 ) ( 2 1 ) 饼 吁 式中，“，为速度分量，t 为时间，p 为流体密度。 ( 2 ) 动量方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) 动量守恒定律是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律实际上是牛顿 第二定律，按照这一定律可导出动量守恒方程( m o m e n t u mc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ： 8 2 湍流管流中近晕流场计算模型的建立 塑+ 倒：一a p + 盟 a 瓠j 瓠l 瓠j 式中，p 是流体微体微元上的压力，毛为粘性应力，可以表示为： 俐睁针警 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 3 ) 能量方程 能量守恒定律实际上是热力学第一定律，以温度r 为变量的能量守恒方程 ( e n e r g yc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ： o fk a tl 掣- i 掣：掣+ 品 。2 q 研 苏。缸， 。 、7 式中，c 。是比热容，r 为温度，k 为流体的传热系数，母为粘性耗散项。 需要指出的是，虽然能量方程是流体流动与传热问题的基本控制方程，但对 于不可压流动，若热交换量很小以至可以忽略时，可不考虑能量方程。 ( 4 ) 组分方程 在一个特定的系统中，可能存在质的交换，或者存在多种化学组分，每一种 组分都需要遵守组分质量守恒定律( s p e c i e sm a s s c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n s ) - a t 瓠j瓠j + 墨( 2 5 ) 式中，乞为组分s 的质量分数，p c s 是该组分的质量浓度，皿为该组分的扩散系数， 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。 ( 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。用矽作为通用变量，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： 。f0 却1 掣4 - 掣：冀剑+ ( 2 - 6 ) 9 北京交通人学硕十学位论文 式中，c 为广义扩散系数，咒为广义源项。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，、c 和e 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矽，c f d 软件只需重复调用求解 程序，并根据凡和s 。的形式以及初始条件和边界条件便可对任一通用变量进行 求解。 流体的流动分为层流流动( 1 a m i n a r ) 和湍流流动( t u r b u l e n c e ) 。从试验的角度来 看，层流流动就是流体层与层之间相互没有任何干扰，层与层之间既没有质量的 传递也没有动量的传递；而湍流流动中层与层之间相互有干扰，而且干扰的力度 还会随着流动而加大，层与层之间既有质量的传递又有动量的传递。一般来说， 湍流是普遍的，而层流则属于个别情况。而本文所要研究的柴油机排气系统中的 流体流动状态一般为湍流流动，故下面将对其数值计算方法进行介绍： 湍流流动的数值计算方法，大致可分为直接数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 和统观模拟( r e y n o l d s 时均方程法) 。 ( 1 ) 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 ，d n s ) 直接数值模拟方法就是在湍流尺度的网格尺寸内直接用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍流进行计算，这时无需引入任何模型。d n s 的误差仅为由数值方法引入 的误差。采用d n s ，可以获得每个瞬间所有流动量在流场中的全部信息，特别是 能够获得许多实验方法难以得到的量，模拟结果可以作为标准数据库来检验现有 的湍流模型，可以帮助人们揭示出湍流的本质规律，加深人们对湍流本质的认识。 但要对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间和空间步 长，才能分辨出湍流中详细的空间结构和变化剧烈的时间特性。湍流的直接模拟 对内存空间及计算速度的要求非常高，目前还无法应用于工程数值计算。 ( 2 ) 大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 根据湍流的涡漩学说，湍流的脉动与混合主要由大尺度涡造成。大尺度的涡 从主流中获得能量，它们是高度非各向同性的，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，而且不同流动的小尺度的涡有许多共性。关于涡旋的上 述认识就形成了大尺度涡模拟的数值解法。这种方法的基本思想是用瞬时的 n a v i e r - s t o k e 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 大涡的影响通过近似的模型来考虑。 总体而言，l e s 方法对计算机内存及c p u 速度的要求仍比较高，但低于d n s 。 ( 3 ) 应用r e y n o l d s 时均方程的模拟方法( r a n s ) 目前，最实用的方法是r e y n o l d s 时均方程法，该方法是将非稳态控制方程对 l o 2 湍流管流中近肇流场计算模型的建立 时间作平均，在所得出的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均 值等未知量，于是所得方程的个数就小于未知量的个数，不可能依靠进一步的时 均处理而使控制方程组封闭，而要使方程组封闭，必须对r e y n o l d s 应力做出某种 假定，即建立应力的表达式( 或引入新的湍流模型方程) ，通过这些表达式或湍流 模型，把湍流的脉动值与时均值等联系起来。这是目前工程湍流计算中所采用的 基本方法。 在r e y n o l d s 时均法中，又分为湍流粘性系数法和r e y n o l d s 应力方程法两类。 在湍流粘性系数法中，涡粘模型就是把湍动粘度与湍流时均参数联系起来的关系 式。依据确定湍动粘度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k 一占模型，即分别引入关于湍动能k 和耗散率6 - 的方程。它是针对湍 流发展非常充分的湍流流动来建立的，也就是说，它是一种针对高r e 数的湍流计 算模型，而当r e 数比较低时，例如，在近壁区内的流动，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。因此，对胎数较低的流动使用标准k 一占模型就会出现问题，需要采 用其他的方法来解决。此外，还有各种改进的k 一占模型，比较著名的是r n gk s 模型和r e a l i z a b l ek 一占模型。双方程模型还包括标准k 一彩模型以及s s tk 一缈模 型等。 2 1 2f l u e n t 软件 f l u e n t 软件是由美国f l u e n t 公司开发的著名的c f d 计算分析软件 4 6 1 ， 能够解决流动、传热、化学反应，燃烧，多相流、旋涡流动等问题。f l u e n t 商 用程序可以模拟许多的工程实际问题，包括可压缩、不可压缩流动，牛顿流体、 非牛顿流体，单相、多相流动，有旋、无旋流动，惯性坐标系、非惯性坐标系下 的流动，有化学反应、无化学反应的流动问题等。同时，软件还提供了许多的湍 流模型、壁面处理及燃烧、传热模型供针对特定问题选择。 f l u e n t 提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格和非结构网格 对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形 单元网格；对于3 维问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥、楔形体 及杂交网格等，其中有代表性的基本控制体形状如图2 1 所示。f l u e n t 还允许用 户根据求解规模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化和粗化。对 于具有较大梯度的流动区域，f l u e n t 提供的网格自适应特性可让用户在很高的 精度下得到流场的解。同时，软件还提供了许多的湍流模型、壁面处理及燃烧、 北京交通人学硕士学位论文 传热模型，可以针对特定问题进行合理选择。用户自定义函数还可以改进和完善 模型，处理个性化问题以及给出更合理的边界条件。 口 矗边彤 图2 1f l u e n t 的基本控制体形状 f l u e n t 程序软件包由五部分组成，它们分别是用于建立几何结构和网格生 成的g a m b i t ，用于进行流动模拟计算的求解器f l u e n t ，用于模拟p d f 燃烧过 程的p r e p d f ，用于从现有的边界网格生成体网格的t g r i d 以及转换其他程序生成 的网格用于f l u e n t 计算的f i l t o s 。 f l u e n t 软件的应用范围非常广泛，被用于航空、汽车、透平机械、水利、 电子、发电、建筑设计、材料加工、加工设备、环境保护等领域，其主要的模拟 能力包括： 可压缩与不可压缩流动问题； 稳态和瞬态流动问题； 无黏流、层流及湍流问题； 牛顿流体及非牛顿流体； 对流换热问题( 包括自然对流和混合对流) ； 导热与对流换热耦合问题； 辐射换热； 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟； 用l a g r a n g i a n 轨道模型模拟稀疏相( 颗粒、水滴、气泡等) ； 两相流问题； 复杂表面形状下的自由面流动问题。 网格是c f d 模型进行模拟与分析的载体，网格质量直接影响到c f d 计算的精 1 2 锣印 会一少 2 湍流管流中近壁流场计算模型的建立 度及效率，并影响数值解的收敛性和准确性。f l u e n t 计算是通过专用的网格生 成软件g a m b i t 来制作所需要的网格。网格分为结构网格和非结构网格两大类。 对于规则