壁流式柴油機(jī)微粒捕集器捕集及微波再生機(jī)理研究.pdf

1、隨著柴油機(jī)排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格,壁流式微粒捕集器已成為降低柴油機(jī)微粒排放的必備裝置。壁流式微粒捕集器的研究難點(diǎn)為穩(wěn)瞬態(tài)捕集機(jī)理、微粒運(yùn)動(dòng)和沉積機(jī)理,以及再生機(jī)理。其中,穩(wěn)瞬態(tài)捕集機(jī)理關(guān)系著其捕集效率的高低,并制約著其流動(dòng)阻力的大??；微粒運(yùn)動(dòng)和沉積機(jī)理決定了微粒在其內(nèi)沉積分布；再生機(jī)理決定著其再利用率的高低和使用壽命的長(zhǎng)短。所以,對(duì)上述難點(diǎn)進(jìn)行研究,具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　 本文依托國(guó)家“863”項(xiàng)目子項(xiàng)(2008A

2、A11A116)“新一代環(huán)保高效柴油機(jī)研發(fā)”、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50876027)“柴油機(jī)微粒捕集多孔介質(zhì)的微波-鈰錳基添加劑復(fù)合再生機(jī)理研究”和湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(06JJ20018)“車用微粒捕集器復(fù)合再生過(guò)程氣粒兩相流動(dòng)與燃燒數(shù)值模擬”,采用理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法,對(duì)壁流式微粒捕集器的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)捕集機(jī)理、微粒運(yùn)動(dòng)沉積機(jī)理,以及微波再生機(jī)理等4方面進(jìn)行了研究。取得的主要成果如下:
　　 1、基于填充床捕集

3、理論和纖維捕集理論兩種傳統(tǒng)的捕集理論,推導(dǎo)并獲得了兩種壁流式微粒捕集器穩(wěn)態(tài)捕集過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。將兩種模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果、以及已有文獻(xiàn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,基于填充床捕集理論建立的穩(wěn)態(tài)捕集模型更適合描述壁流式微粒捕集器的穩(wěn)態(tài)捕集過(guò)程。對(duì)該模型進(jìn)行了數(shù)值求解,獲得了排氣特征參數(shù)和過(guò)濾體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同粒徑微粒穩(wěn)態(tài)捕集過(guò)程的影響規(guī)律；
　　 2、針對(duì)壁流式微粒捕集器深床捕集階段和濾餅捕集階段的捕集特點(diǎn),首次提出了過(guò)濾壁面飽

4、和度和微粒在過(guò)濾壁表面沉積效率等概念,從理論上推導(dǎo)了包括深床捕集和濾餅捕集兩個(gè)階段在內(nèi)的完整的瞬態(tài)捕集數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型在工程應(yīng)用中是可行的。對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值求解,獲得了壁流式微粒捕集器的捕集效率和流動(dòng)阻力的瞬態(tài)變化歷程、微粒的沉積特性和過(guò)濾體結(jié)構(gòu)參數(shù)的瞬態(tài)變化歷程,以及排氣特征參數(shù)和過(guò)濾體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)瞬態(tài)捕集過(guò)程的影響規(guī)律；
　　 3、建立了壁流式微粒捕集器內(nèi)排氣-微粒兩相流動(dòng)的模型:考察了從不同位置釋放的不同粒徑

5、微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡以及部分滑移和布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)軌跡的作用,研究了部分滑移、布朗運(yùn)動(dòng)、微粒粒徑、過(guò)濾壁面滲透率和上游速度等因素對(duì)孔道內(nèi)速度場(chǎng)和微粒在孔道內(nèi)的沉積分布特性的影響;得到了支配微粒運(yùn)動(dòng)和沉積三種機(jī)理的主要作用范圍,即:在任何情況下,流體拖拽力都占有統(tǒng)治地位;布朗運(yùn)動(dòng)和微粒慣性的作用效果分別與Pein數(shù)和Rep*數(shù)有關(guān),當(dāng)Pein數(shù)和Rep*數(shù)增大時(shí),微粒慣性的作用效果增強(qiáng),而布朗運(yùn)動(dòng)的作用效果減弱；
　　 4、在考慮了沉

6、積在過(guò)濾壁面內(nèi)部的微粒量、沉積在過(guò)濾壁表面的微粒層分布的非均勻性,以及微波反射特性對(duì)再生特性影響的基礎(chǔ)上,從理論上推導(dǎo)并得到了壁流式微粒捕集器的微波再生數(shù)學(xué)模型,將計(jì)算結(jié)果與已有文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果和本文的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,較為吻合。用該模型預(yù)測(cè)了堇青石和碳化硅兩種過(guò)濾體的微波能流密度、過(guò)濾壁面溫度、溫度梯度、微粒層分布、過(guò)濾壁面孔隙率、滲流速度、再生效率和壓力損失的瞬態(tài)變化規(guī)律,得到了微波源位置、排氣特征參數(shù)、微粒負(fù)載參數(shù)、過(guò)濾體結(jié)構(gòu)參數(shù)