壁流式陶瓷颗粒过滤器结构特性分析

论文摘要

壁流式陶瓷颗粒过滤器是柴油车上有效净化碳颗粒的装置。随着汽车排放标准要求的日益严格,在过滤器工艺的微观结构上、性能上提出了更高的要求,力求更高的过滤效率、尽量低的排气阻力。壁流式陶瓷颗粒过滤器内部由许多狭长的微通道组成。常规的流场模拟是将过滤器整体看作多孔介质,得不到狭长微通道上的气流分布及粒子沉积浓度等特性参数。本文的工作集中在狭长的微通道内部的流动特性分析,选取四个1/4气道及四个多孔壁作为计算区域,分析微通道壁面两侧的流动参数,寻求微通道结构尺寸的的最优值。主要考虑了半边长分别为1.2mm、1.0mm、0.8mm的三种模型,应用FLUENT软件,建立了三维六面体网格结构,用k-ε湍流模型进行了模拟,对其静压力场、速度场、碳颗粒浓度场进行了分析。不同边长微通道的计算结果表明,半边长为1.2mm的模型具有较低的排气阻力、较好的碳颗粒沉积特性。针对半边长1.2mm的模型,选取入口速度分别为20m/s、30m/s、40m/s进行模拟,结果显示20m/s的模型具有较好的流动特性。据此得出,结构尺寸一定的过滤器只能在一定的流动特性下得到理想的结果。增加微通道边长和增加目数都有利于过滤效率的提高、排气阻力的降低。在过滤器横截面积一定的情况下,过滤器的目数与孔道边长和壁厚的和的平方成反比。因此,为提高过滤器性能而增加目数或增加边长是矛盾的。在两者不能兼得的情况下,增加目数成为通常的选择,带来的问题是对工艺要求的提高。现行的数值模拟方法对分析问题提供了便利,但对于多参数优化还有许多不足。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 柴油机排气污染物的现状、排气构成
• 1.1.1 一氧化碳的生成机理
• 1.1.2 碳氢化合物（HC）的生成机理
• x）的生成机理'>1.1.3 氮氧化物（NO_x）的生成机理
• 1.1.4 颗粒物（PM）的组成及生成机理
• 1.2 排放物中颗粒物的净化技术、柴油机排放标准
• 1.2.1 排放物中颗粒物的净化技术
• 1.2.2 柴油机排放标准
• 1.2.3 壁流式陶瓷过滤器随柴油机排放标准发展的历程
• 1.3 壁流式陶瓷过滤器材料及参数选取
• 1.3.1 过滤体材料
• 1.3.2 数学优化法确定过滤体的结构参数
• 1.3.3 日本在制造上做的改进
• 1.4 国内外相关内容研究进展
• 1.5 本课题的研究内容及意义
• 1.6 本章小结
• 2 数值模拟基础
• 2.1 计算流体动力学
• 2.2 CFD通用软件简介
• 2.3 FLUENT软件简介
• 2.4 多孔介质理论简介
• 2.5 多相流简介
• 2.6 本章小结
• 3 数值模拟
• 3.1 计算模型
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 连续方程
• 3.2.2 动量方程
• 3.2.3 标准k-ε模型下的湍流方程
• 3.2.4 组分方程
• 3.2.5 多孔介质公式
• 3.2.6 两相流公式
• 3.3 网格划分
• 3.3.1 FLUENT中网格生成技术
• 3.3.2 网格要求
• 3.3.3 本文模型的网格划分
• 3.4 过滤器结构参数选取方案
• 3.5 FLUENT中求解方案的选取
• 3.5.1 求解技术
• 3.5.2 湍流模型的选取
• 3.5.3 壁面函数
• 3.6 多孔介质和两相流设定
• 3.7 边界条件类型的选取及设置
• 3.7.1 过滤体材料设定
• 3.7.2 其他壁面条件
• 3.8 本章小结
• 4 计算结果分析
• 4.1 计算前处理
• 4.2 结果分析
• 4.2.1 三种半边长模型的静压、速度、碳颗粒浓度分布情况分析
• 4.2.2 半边长一定，三种速度模型的静压、速度、碳颗粒浓度分布情况分析
• 4.2.3 孔道边长、壁厚与孔道数的关系及实际选取
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢