【《柴油机颗粒物捕集器内部流场的仿真分析和结构优化分析案例》3100字】

柴油机颗粒物捕集器内部流场的仿真分析和结构优化分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2406柴油机颗粒物捕集器内部流场的仿真分析和结构优化分析案例 116771.1DPF三维模型的建立与导入 1276301.2有限元件模型的建立 2113251.3边界条件和求解设置 3177071.4仿真结果分析 6110671.4.1不同孔隙率对内部流场的影响 6274381.4.2不同扩张角/收缩角的影响 1217551.4.3不同长径比的影响 15本设计采用ANSYS中的FLUENT对颗粒捕集器DPF进行仿真分析，首先运用UG对其进行三维建模，将建好模型导入DesignModeler后，用MESH对三维模型划分网格，再用Setup设置载体的孔隙率、粘性阻力系数和惯性阻力系数，然后用CFD-Post对DPF内部流场进行压降分析和速度分布的分析，最后分别以颗粒捕集器的扩张/收缩角、载体长径比和孔隙率为变量进行结构分析，并根据结果对DPF壳体结构进行优化设计。1.1DPF三维模型的建立与导入DPF的结构尺寸参数初步选取长径比为0.85、排气进出口的扩张角/收缩角为45°，具体尺寸见表2.1、2.2，由此可在UG中建立DPF的三维模型。图1.1DPF三维模型在UG中将模型以Parasolid形式导出之后，打开ANSYSWorkbench，在工具箱中选择Fluent，选择在DM中导入Geometry。图1.2导入后的三维模型1.2有限元件模型的建立颗粒捕集器装置结构复杂，孔道尺寸较小，孔道数多增加了划分网格的难度，为了提高计算的速度和精确度，在建模时必须进行简化。DPF的载体为多孔的蜂窝陶瓷载体，壁厚较薄，孔道的纵横比较大，流体在其中的运动近似于层流运动，在工程计算中常用多孔介质模型模拟流体渗透问题，因此计算时载荷简化为多孔介质模型[35]。根据DPF的三维模型，在ANSYSMESH中对其进行命名选择：模型的进气口设置为inlet，出口设置为outlet，将DPF载体部分设置为porous。然后在左侧导航Mesh中选择Insert—Method插入离散方法进行网格划分，点击GenerateMesh，最终得到有限元模型，如下图1.3所示：图1.3有限元模型1.3边界条件和求解设置物理模型的选择这里只考虑流体运动，不涉及化学反应和能量，因此对DPF模型做出以下三点假设[35]：①此时的载体内部的气体没有考虑到温度和能量，因此气体状态参数不变；②载体内部气体流速较低，可视为层流运动；③DPF内部的流体压力比较低，气体可视为不可压缩气体。根据这三点假设，求解物理模型选择K-e方程模型，如下图1.4所示：图1.4K-e方程对于多孔介质而言，重要的参数是孔隙率，它体现在截面上流通面积占总面积的比例。孔隙率的设置方法为：在Fluent中的单元区域条件中可以看到我们之前命名的porous，打开之后选择多孔区域，下拉可以看到孔隙率的设置，值得注意的是，孔隙率更改的时候，随着更改的还要有粘性阻力系数和惯性阻力系数，三者计算公式如下：（3-1）（3-2）式中，α为粘性阻力系数（1/m2），ε为孔隙率本次取0.3，Dp为微孔平均直径，一般取15-20μm,这里取18μm，C2为惯性阻力系数（1/m）。通过计算，最终设置如下图1.5所示：图1.5孔隙率设置边界条件本设计采用速度入口压力出口。根据所选柴油机潍柴WP11.500E501具体参数进行计算，选择工况为额定转速1900rpm，则入口处的速度计算如下：（3-3）式中V为入口处的速度（m/s），n为额定转速（r/min），D为入口内径（m），计算得出V为70.43m/s。出口与大气联通，所以出口压力取大气压值101325pa。在Fluent中的边界条件中可以看到我们之前命名的inlet，打开之后在速度大小（m/s）一栏填上求出来的速度70.43，如下图1.6所示：图1.6入口速度设置在Fluent边界条件中打开outlet，设置出口压力，如下图1.7所示：图1.7出口压力设置计算初始化之后，在运行计算处设置迭代次数就可以开始计算，这里设置迭代次数为500次，如图3-8所示：图1.8迭代次数设置计算结束之后会得到残差曲线：图1.9残差曲线1.4仿真结果分析1.4.1不同孔隙率对内部流场的影响保持颗粒捕集器的长径比0.85、扩张角/收缩角45°不变，分别更改壁流式蜂窝陶瓷过滤体孔隙率为30%、40%、50%、60%、70%，通过比较不同孔隙率对颗粒捕集器内部流场压力、速度的影响，来确定壁流式蜂窝陶瓷的最佳孔隙率。压力云图的比较图1.10孔隙率30%-压力云图图1.11孔隙率40%-压力云图图1.12孔隙率50%-压力云图图1.13孔隙率60%-压力云图图1.14孔隙率70%压力云图由图1.10至1.11可明显看出，废气自DPF进气口至出气口云图颜色从红色一次转变为橙色、黄色、绿色和蓝色，压力逐渐降低，经探查孔隙率与压降的对应变化值如下表3-1：表3-1孔隙率与压降变化孔隙率压降（pa）30%6688777540%3099427550%1228367560%463369570%1688455可以看出随着孔隙率的增大，流体压降逐渐降低，在孔隙率由30%往上增大时对流体压强降低的作用越来越低，压降越小汽车的排气阻力也就减小，对汽车的动力性而言排气阻力自然越小越好，但是孔隙率增大到某一值时会降低颗粒捕集器对颗粒的捕集作用，催化时间变短，壁厚变薄，缩短过滤体的使用寿命，所以取孔隙率时应综合考虑，平衡得失。速度云图的比较图1.15孔隙率30%-速度云图图1.16孔隙率40%-速度云图图1.17孔隙率50%-速度云图图1.18孔隙率60%-速度云图图1.19孔隙率70%-速度云图由图3-15至图3-19所示的速度云图可知，颗粒捕集器的出入口流体速度总是大于中间过滤体的流速，且出口流速总是稍大于进口流速，这是由于截面突然变小导致的，过滤体内部流体流速应尽量均匀，从速度云图来看孔隙率50%表现的很好，综合进出口的压降，本设计决定采用孔隙率50%。1.4.2不同扩张角/收缩角的影响保持载体的长径比0.85和选定的50%孔隙率不变，更改扩张角/收缩角为30°、45°、60°，分析不同扩张角/收缩角对DPF内部流场压力特性和速度特性的影响。压力云图的比较图1.2030°扩张角/收缩角角压力云图图3-2145°扩张角/收缩角压力云图图1.2260°扩张角/收缩角压力云图由图3-20至3-22所示可以看出来，DPF的压力仍然是沿着气流方向递减，其中高压区集中在扩张管附近，这是截面突然变大的缘故，前文已经提到：DPF前后的压降应尽量小，以减小排气阻力，经探针探查，不同扩张角/收缩角与其对应的压降如下表3-2所示：表3-2不同扩张角/收缩角的压降扩张角/收缩角（°）压降（pa）301193757545122836756012394175从表3-2中可以看出，扩张角由30°至90°时压降在递增，我们当然希望压降越小越好，压降越小排气阻力就越小，因此在这方面30°最佳，但最终选择我们还要考虑DPF的速度特性。速度云图比较图1.2630°、45°、60°扩张角/收缩角入口处速度云图图1.2330°扩张角/收缩角速度云图图1.2445°扩张角/收缩角速度云图图1.2560°扩张角/收缩角速度云图从图3-23至图3-25我们可以看出来出入口处的流体速度依然是最大的地方，且出口处的速度大于入口处的速度，30°、60°扩张角/收缩角速度云图中明显出现了气壁分离的现象，与前文一样，我们希望通过过滤体流体的速度越均匀越好，综上，本设计决定选用45°扩张角/收缩角。1.4.3不同长径比的影响DPF在保持扩张角/收缩角在选定的30°、孔隙率50%不变的情况下，更改DPF的载体长径比分别为0.75、0.85、0.95、1.0，对其进行内部流场仿真分析，通过其压力云图和速度云图选出最佳长径比，使内部流场速度分布均匀，压力损失尽可能小。压力云图比较图1.27长径比0.75压力云图图1.28长径比0.85压力云图图1.29长径比0.95压力云图图1.30长径比1.0压力云图各长径比对应的压降值如下表3-3所示：表3-3长径比对应的压降值长径比压降（pa）0.75108812750.85122836750.95137650751.014580275由图1.27至图1.30和表3-3可知：随着长径比的增加，入口处的压强逐步增加、PDF的压降也随之增加，所以，与之对应的排气阻力也就越来越大。速度云图的比较图1.31长径比0.75速度云图图1.32长径比0.85速度云图图1.33长径比0.95速度云图图1.34长径比1.0速度云图由图3-31至图3-34可以看出来，长径比0.85速度云图在扩张管处的速度最均匀。综合压降，本设计决定采用DPF载体的长径比为0.85。最终确定的颗粒捕集器的壳体和过滤体的结构参数分别如表3-4和3-5所示：表3-4壳体