一种提高径向式微粒捕集器捕集效率的方法

一种提高径向式微粒捕集器捕集效率的方法摘要基于气固两相流理论与多孔介质理论对径向式微粒捕集器进行了三维稳态气固两相流数值模拟分析，获得了微粒捕集器内部流体流动特性，发现在径向式微粒捕集器前端和下半部过滤体利用率低。为了解决这个问题，设计了两种结构的分流装置器，安装于捕集器内部。通过类似的两相流数值模拟分析方法，对比研究了分流器对流体流动特性和径向式微粒捕集器捕集效率的影响。结果表明加入盘型分流器和隔板分流器后，微粒捕集器内部的流动均匀性增强，过滤体的利用率提高，径向式微粒捕集器的捕集效率有所提高。关键词径向式微粒捕集器；气固两相流；盘型分流器；隔板分流器；流动均匀性AMETHODTODEVELOPTHECAPTUREEFFICIENCYOFTHERADIALDIESELPARTICULATEFILTERABSTRACTTHETHREEDIMENSIONALSTEADYSTATENUMERICALCALCULATIONISPERFORMEDFORTHERADIALDIESELPARTICULATEFILTERDPFBASEDONPOROUSMEDIUMTHEORYANDGASPARTICLETWOPHASEFLOWTHEORYTHEFLOWCHARACTERISTICSINDPFAREATTAINED,ANDTHERESULTSSHOWTHATTHEEFFICIENCYOFTHEFOREPARTANDTHELOWERHALFOFFILTERBODYINDPFARELOWINORDERTOSOLVETHISPROBLEM,DESIGNEDTWOKINDSOFDIFFUSERS,ANDINSTALLEDTHEMINDPFTHROUGHSIMILARTWOPHASEFLOWNUMERICALSIMULATIONANALYSISMETHOD,COMPARATIVESTUDYTHEINFLUENCEOFDIFFUSERSONFLOWCHARACTERISTICSANDTHECAPTUREEFFICIENCYOFDPFTHERESULTSPROVETHATAFTERINTEGRATINGWITHTHEPLATETYPEDIFFUSERANDPARTITIONDIFFUSER,THEFLOWUNIFORMITYINTHEDPFWILLBEIMPROVE,MEANWHILETHEEFFICIENCYOFTHEFILTERBODYANDTHECAPTUREEFFICIENCYOFRADIALDIESELPARTICULATEFILTERWILLBOTHIMPROVEKEYWORDSROTARYRADIALDIESELPARTICULATEFILTERGASPARTICLETWOPHASEFLOWPLATETYPEDIFFUSERPARTITIONDIFFUSERFLOWUNIFORMITY引言柴油机因其具有良好的经济性、动力性与耐久性受到越来越多的重视，但柴油机与汽油机相比，尾气中NOX和微粒的排放较高，尤其是微粒排放要高出3060倍12。据环境部门调查结果显示，北京和上海的机动车尾气排放颗粒占城市污染源的25左右，因此机动车尾气污染已成为公众和政府关注的焦点。微粒捕集器被评为最有效的颗粒捕集工具，它的发展已成为一种必然趋势，并已成为当前尾气微粒排放控制技术的研究热点34。2007年湖南大学龚金科教授等5发明了一种径向式微粒捕集器。径向式微粒捕集器较传统整体式微粒捕集器具有流通截面积大、流动阻力小、结构简单以及再生过程中温度梯度小等优点6。径向式微粒捕集器具有以上多种优点的同时，还有过滤体利用率低，压力损失大等缺点。径向式微粒捕集器中心区域为空心结构，排气进入捕集器后没有受到阻挡，大部分流体直接撞击后端盖后经过反射进入过滤体，该现象造成出口管前端的过滤体和远离出口管一侧的过滤体利用率较低。因此，本文将对如何提高径向式微粒捕集器过滤体的利用率进行研究。本文采用连续介质多流体模型对径向式微粒捕集器进行气固两相流模拟，根据模拟结果引入盘型分流器来改善径向式微粒捕集器的捕集效率，并首次对盘型分流器位置及孔洞面积率做了优化研究。本文还根据径向式微粒捕集器结构的特殊性，设计了一种新型隔板分流器，通过模拟对比研究了加入隔板分流器前后径向式微粒捕集器内的流动特性。1径向式微粒捕集器内流动特性研究11径向式微粒捕集器几何模型图11微粒捕集器外部结构简图考虑到数值分析对网格质量的要求，对径向式微粒捕集器进行简化，简化后的微粒捕集器外部结构见图11，内部二维结构简图见图12。为了方便下文描述，将微粒捕集器模型分为两个部分靠近出口管一侧为X区域，远离出口管一侧为Y区域。图12微粒捕集器内部二维结构简图图中D1为入口管直径；D2为微粒捕集器直径；L1为入口管长度；L2为过滤体长度；为扩张角；为收缩角；A、B、C、D、E、F、G为各计算截面位置。12初始条件及边界条件本文采用速度入口、压力出口边界条件，假设入口气流速度均匀，出口压力为0PA。对所有壁面施加无滑移、粗糙程度和热边界条件。采用湍流强度与水力直径作为湍流的输入条件，湍流强度按下式计算8（1）1/806REHDI（2）H式中，为雷诺数，为动力粘度，为水力直径，为特征速度。13数值模拟及结论分析基于SIMPLE算法，采用FLUENT软件对微粒捕集器模型求解。因为流动均匀性和压力损失是评判微粒捕集器工作性能的标准，所以本节对微粒捕集器内速度分布和压力分布进行分析研究。图13和图14为微粒捕集器两个截面上的速度分布图，由图可见，微粒捕集器Y区域和过滤体前端速度极小，且分布不均匀，大部分流体直接流经X区域后由出口管流出。这种现象造成过滤体前端和下半部分利用率低。图13微粒捕集器出口中心截面速度分布图图15为微粒捕集器Z0截面压力分布图，由图可见，径向式微粒捕集器本身的压力损失较大，这是制约径向式微粒捕集器发展的一个因素。图14微粒捕集器Z0截面速度分布图图15微粒捕集器Z0截面压力分布图总之，径向式微粒捕集器内流速均匀性较差，前端过滤体和远离出口管一侧过滤体内速度极小，这部分过滤体利用率较低，并且径向式微粒捕集器的压力损失较大。因此，本文将设计两种结构的分流装置来弥补以上径向式微粒捕集器的不足。2盘型分流器设计及优化21盘型分流器设计理念盘型分流器设计理念为阻挡一部分流体，使其在微粒捕集器前端开始进入过滤体，防止流体没有阻拦作用，直接在空心区域内流动由出口管排出，造成过滤体的浪费。图21为盘型分流器的结构图，其中孔洞面积占分流器总面积的58。将分流器与原微粒捕集器的模型相结合（见图22），并划分网格。图21盘型分流器结构图22盘型分流器安装位置22加入盘型分流器前后流动特性对比保持微粒捕集器结构参数、入口流速和边界条件不变，对加入盘型分流器的微粒捕集器模型进行气固两相流模拟，并对比加入分流器前后的流动特性，以研究分流器对微粒捕集器性能的影响规律。（1）速度分布对比图23和图24为安装盘型分流器后径向式微粒捕集器内两截面的速度分布图，分别与图13，14相对应。经对比可见在Y区域内速度明显提高，这部分过滤体内流体流量会增加，对提高过滤体的利用率有一定作用。图23安装盘型分流器后出口中心截面速度分布图图24安装盘型分流器后Z0截面速度分布图（2）压力分布对比图25安装盘型分流器前后Z0截面压力分布图图25为安装盘型分流器后Z0截面压力分布图。与图15对比可见加入盘型分流器后，只有微粒捕集器空心区域内压力有所降低，其他区域均没有明显变化，并且出口与入口间压降缩小。总之，盘型分流器可提高微粒捕集器内流动均匀性和过滤体利用率，同时可以降低微粒捕集器的压力损失，是一种很好的提高微粒捕集器性能的装置。下面对盘型分流器在径向式微粒捕集器中的位置和孔洞面积率对流动特性的影响规律进行研究。23盘型分流器位置对工作性能的影响规律盘型分流器的位置不同，对微粒捕集器内流体流动情况的影响不同，微粒捕集器的捕集效率便不同。本节对盘型分流器位于不同位置时出口微粒体积分数与不加分流器时出口微粒体积分数进行对比，结果见图26。图中字符X代表盘型分流器距离A截面的距离，字符L代表C截面距离A截面的距离。由图可知当盘型分流器安装在A截面上时，出口处微粒体积分数不降反升，主要由于分流器安装位置过于靠前，使流体压力损失过大，甚至在微粒捕集器出口处产生负压，从而造成微粒捕集效率降低的后果。当分流器移动到X/L02位置时，出口处微粒体积分数达到最低值，之后随着X/L值的增大，微粒体积分数会随之升高，但都比不加盘型分流器前的微粒体积分数低。深入研究分流器在X/L02附近时微粒捕集器出口微粒体积分数变化规律，结果表明，当X/L018时，盘型分流器达到最佳分流效果，径向式微粒捕集器捕集效率最高。A安装分流器前后出口微粒体积分数变化对比B分流器在X/L02附近时出口微粒体积分数变化图26分流器在不同位置时出口微粒体积分数变化24孔洞面积率对盘型分流器性能的影响规律孔洞面积率不同对流体的阻挡效果不同，流体在微粒捕集器前段进入过滤体的量便不同，过滤体的利用率也随之改变。因此本节首先研究了将分流器放置于X/L02位置下，孔洞面积率分别为38、48、58和68时的出口微粒体积分数，对比结果见图27，其中SK表示孔洞面积率。由图可见当SK减小时，出口微粒体积分数先随之降低，当SK048后，变化趋势将相反。进一步研究SK048左右，微粒捕集器出口微粒体积分数的变化，结果见图28。结果表明，当SK046时，出口微粒体积分数达到最低值，径向式微粒捕集器的捕集效率最佳。图27孔洞面积率不同时出口微粒体积分数变化图28SK048左右出口微粒体积分数变化3隔板分流器设计及优化31隔板分流器设计理念图41隔板分流器结构图42隔板分流器安装位置隔板分流器的设计理念为将入口流体平均分为四股，迫使约50流体必须通过远离出口管一侧的过滤体才能流出微粒捕集器，从而提高了过滤体利用率。图31为隔板分流器结构图，图32为隔板分流器在微粒捕集器内安装位置图。32加入隔板分流器前后流动特性对比与上一节分析过程相似，对比加入隔板分流器前后微粒捕集器内速度分布、压力分布情况，以研究隔板分流器对提高径向式微粒捕集器内部流动特性的效果。（1）速度分布对比图33为安装隔板分流器后出口中心截面速度分布图。与图13对比可见，Y区域内流速大约提高6M/S，并且流速的均匀性明显提高。图33安装隔板分流器后出口中心截面速度分布图（2）压力分布对比图34为安装隔板分流器后Z0截面压力分布图。与图15对比可见，加入隔板分流器后，微粒捕集器内部整体压力升高，尤其是出口压力大约提高10KPA左右。图34安装隔板分流器后Z0截面压力分布图总之，隔板分离器在不增大压力损失的基础上，改善了径向式微粒捕集器内流体流动均匀性，提高了Y区域内过滤体的利用率。4结论本文基于径向式微粒捕集器的实际工作状况设计了两种结构的分流装置，并对加入分流器前后的径向式微粒捕集器内部流动特性进行对比。并根据分析结果，对盘型分流器的位置和孔洞面积率进行优化。结果表明（1）当盘型分流器位置在过滤体长度1/10处、孔洞面积率为46时，其分流效果达到最佳值，并且微粒捕集器压降没有提高；（2）加入隔板分流器后，远离出口管一侧过滤体内的流体流速大约提高6M/S，微粒捕集器出口压力提高10KPA左右；（3）盘型分流器和隔板分流器均可提高微粒捕集器过滤体的利用效率，并且均没有使压力损失提高，因此加入分流器是一种提高径向式微粒捕集器工作性能和捕集效率的很好的方法。参考文献1刘巽俊内燃机的排放与控制M北京机械工业出版社，20032HEYWOODJBINTERNALCOMBUSTIONENGINEFUNDAMENTALSJ,NEWYORKMCGRAWHILL,19883龚金科，伏军，龙罡等汽车尾气微粒过滤器喷油助燃再生控制策略研究环境工程学报，2011，57160316084李新，资新运，姚广涛等柴油机排气微粒捕集器燃烧器再生技术研究内燃机学报，2008，2665385425龚金科，王曙辉，吴钢，等一种消减柴油机微粒