柴油车颗粒物在烟羽流区成核和凝聚的数值研究

论文摘要

柴油车具有优良的经济性和动力性,在汽车行业中的应用越来越广泛。然而,柴油车排气污染,尤其是颗粒物排放,是城市大气污染的主要来源。以往对柴油车颗粒物的研究侧重于颗粒物的质量排放,对颗粒物的数量浓度和粒径分布的研究较少。国内外研究指出,柴油车颗粒物在排气烟羽流中还会发生成核、凝聚、冷凝等一系列理化反应,对颗粒物的数量浓度和粒径分布有很大的影响。因此,研究柴油车颗粒物在排气烟羽流区中的数量浓度和粒径分布,有助于从整体上认识了解柴油车排气中颗粒物,尤其是细颗粒物对环境和人体的危害,从而为颗粒物排放控制措施的确定提供理论依据。本文对柴油车颗粒物在排气烟羽流区中的演化过程进行了数值计算,主要通过两部分实现：第一部分是通过Fluent软件对排气烟羽流的扩散过程进行流动模拟,得到了排气烟羽流区中的温度场、相对湿度场、CO2相对浓度场;第二部分是基于二元均相成核理论构建烟羽流内颗粒物成核模型,基于分子动力学理论构建颗粒物增长过程中的凝聚和冷凝模型,并通过Fortran程序以第一部分中模拟得到的流场为初边值条件,对排气烟羽流内的颗粒物生长过程进行了数值求解,得到了排气烟羽流区中颗粒物的临界成核直径、成核速率、数量浓度和粒径分布。同时,还分析了柴油含硫量、环境温度、相对湿度、排气稀释率等因素对颗粒物的临界成核直径、成核速率、数量浓度和粒径分布的影响。研究表明,在排气稀释冷却过程中,二次成核大量增加了超细颗粒物的数量浓度,凝聚和冷凝主要使颗粒物进行后续增长,引起颗粒物的数量浓度下降和粒径分布发生变化。柴油含硫量、环境温度、相对湿度、排气稀释率等因素对颗粒物在排气烟羽流中的二次成核及后续增长有很大影响,不仅直接对临界成核直径和成核速率造成变化,也会对后续凝聚和冷凝过程中颗粒物的数量浓度和粒径分布造成影响。在排气烟羽流区中,颗粒物二次成核在排气管出口附近主要受环境温度和相对湿度共同作用,而在排气烟羽流区边缘主要受排气稀释率影响,使得颗粒物在排气管出口附近和排气烟羽流区边缘的临界成核直径相对较大,而成核速率相对较低,发生二次成核比较困难。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究目的及研究内容
• 第2章 柴油车颗粒物的生成机理
• 2.1 柴油车颗粒物的特性
• 2.1.1 颗粒物的组成
• 2.1.2 颗粒物的分类
• 2.1.3 颗粒物的危害
• 2.1.4 颗粒物的生成
• 2.2 柴油车颗粒物的成核过程
• 2.2.1 颗粒物的成核
• 2SO₄-H₂O系统'>2.2.2 H₂SO₄-H₂O系统
• 2.3 柴油车颗粒物的凝聚过程
• 2.4 柴油车颗粒物的冷凝过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 理论基础及数学模型
• 3.1 前言
• 3.2 烟羽流区基本控制方程
• 3.3 颗粒物动力学数学模型
• 3.3.1 成核模型
• 3.3.2 凝聚模型
• 3.3.3 冷凝模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 柴油车排气烟羽流区的流场模拟
• 4.1 烟羽流区流场建模仿真
• 4.1.1 烟羽流区计算域的建立
• 4.1.2 计算域网格的划分
• 4.1.3 计算条件的确定
• 4.2 烟羽流区流场结果分析
• 4.2.1 排气扩散
• 4.2.2 速度场
• 4.2.3 温度场
• 4.2.4 相对湿度场
• 4.3 本章小结
• 第5章 柴油车颗粒物在烟羽流区的数值模拟
• 5.1 颗粒物成核、凝聚和冷凝的数值计算
• 5.1.1 颗粒物成核及其影响因素
• 5.1.2 颗粒物粒径分布特性及其影响因素
• 5.2 排气烟羽流区中颗粒物的数值模拟
• 5.3 本章小结
• 第6章 全文总结及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文