轻型柴油机用微粒捕集器内流场分析及结构优化＊

侯献军 张 新 杜松泽 许 京 李孟孟

（现代汽车零部件技术湖北省重点实验室（武汉理工大学）1） 武汉 430070）（汽车零部件技术湖北省协同创新中心2） 武汉 430070）

微粒捕集器（DPF）是目前国内外公认的解决柴油机微粒物排放问题最有效的装置之一［1－2］.如果DPF结构设计不合理，则会导致内流场温度分布不均匀，高温气流集聚在载体局部区域，使催化剂温度过高而过早老化，工作效果不佳；另外，内流场速度分布不均匀也会影响DPF的再生从而影响其使用寿命［3］.减少装置内气流速度分布的不均匀性并降低催化器的压力损失，已经成为在有限空间内设计排气净化装置结构设计的难点［4］.随着现代CFD技术、尤其是多孔介质模型的发展，使人们可以采用数值模拟的方法来研DPF内的流动特性［5］.

本文以提高载体内流动均匀性和降低DPF整体背压为目标对其结构进行优化设计，并分析发动机运转工况和DPF结构参数对内流场分布的影响，为DPF的设计提供参考.

1 计算模型的建立及仿真分析

1.1 计算模型的建立

建立的DPF的几何模型见图1，包括进出管道、过滤载体、进气扩张腔、出气收缩腔、进气端法兰盘结构及其安装支架.抽取其内部流体区域，并建立体网格模型见图2.

图1 DPF的几何模型

图2 DPF流体域体网格模型

1.2 物理模型及边界条件的设定

为研究DPF内流体的流动状况，减少计算量，暂不考虑碳烟微粒在过滤壁面上的加载过程，并将气源设置成单相纯净定常气体.根据过滤载体的结构特点，将此区域内所有过滤通道视作多孔介质处理，由DPF结构参数可知，孔隙率为0.4，载体长度为240mm，入口扩张角度为60°.

入口选用质量流量入口，由GT－POWER中的柴油机模型仿真得出在2 500r／min的额定转速下，排气质量流量为0.224 986kg／s，温度为745K，即为微粒捕集器的入口边界值.出口边界设置为充分流动的压力出口，出口压力为1bar，温度为300K.

1.3 评价指标的确定

1.3.1 速度均匀性系数

速度均匀性系数指标［6］：

式中：n为催化剂多孔介质载体通道数；vi为通道i上的速度；v为整个载体截面上的平均速度.速度均匀性系数γ范围为0～1，其值越小，则流场流动均匀性越差，当γ为1时，流动均匀性最好.

1.3.2 背压

在DPF的压力场分布研究中，其入口端面和出口端面上平均压力值之差即为背压.背压值过大，则气流在DPF内流动中沿程阻力损失、摩擦损失等能量损耗较大，会降低DPF工作效率和使用性能.

1.4 DPF内流场仿真分析

1.4.1 速度场分布

过滤体载体前端面和后端面速度分布见图3.由图3可知，载体进口端面速度分布不均匀，最高速度达57m／s，出现在靠近中心的区域，这是由于气流在此端面上出现了喷射流所致，而在边缘区域为气流的漩涡地带.在载体出口端面上，速度分布非常均匀，大致都为9.7m／s，相对于进口速度来说，有明显的降低，这是由于气流流经过滤体内部时沿程阻力和摩擦阻力所致.通过求解，可得载体前后端面速度均匀性系数分别为0.837 6和0.996 7，前端面流动均匀性相对较差.

图3 载体前后端面速度分布图

1.4.2 压力场分布

DPF整体压力分布及最大压力位置见图4～5.由图4可知，排气气流随着入口端、载体区和出口端的方向压力整体趋势递减.由图5可知，最大压力出现在进口弯道的外侧拐角处，可达110.5 kPa，这是由于气流的强烈撞击所致.在过滤体内部，由于过滤阻力较大，压力明显减小，且逐层递减.过滤体内部的阻力损失同样是由于沿程阻力损失和气流内部的摩擦损失所致.

图4 DPF整体压力分布图

图5 DPF最大压力处

计算得到载体进口端面平均压力为108.8 kPa，出口端面平均压力为101.9kPa，因此可得载体前后背压为6.9kPa.同理求得DPF整体背压为9.0kPa.在轻型柴油机排气系统背压的允许范围之内，满足实际应用的要求.

1.4.3 温度场分布

DPF整体的温度场分布见图6.DPF前端温度相对较低，气流流经过滤体尾端时，温度梯度较大.这是由于此处位于收缩管前部，气流在此流通截面面积减小，流动受阻所致.最高温度出现在收缩角尾端区域，可达779K.温度分布不均匀，梯度较大，则DPF再生时温度可能不均匀，影响再生效率，从而缩短微粒捕集器使用寿命.

图6 DPF温度场分布

2 参数变化对DPF流场分布的影响

2.1 入口流速对流场分布的影响

随着DPF入口气流速度的变化，载体前后的背压损失及流场的均匀性系数也会发生变化.不同流速下载体背压及前后端面的γ见表1.

随着入口流速的增大，载体背压逐渐增加，即阻力损失增大.这是因为随着气流速度的增大，气流与DPF固体外壳间对流增加，沿程损失加大；而且随着速度的增加DPF内部的涡流强度增大，从而局部压损增加.

表1 不同流速下载体背压及前后端面速度均匀性系数

随着入口流速的增加，载体前端面的速度均匀性系数越小，流场分布越不均匀，这是因为流速的增加导致涡流强度和湍流强度增加.

2.2 载体长度对流场分布的影响

不同长度载体模型下载体进出口端面速度均匀性系数及背压见表2.随着载体长度的增加，载体前后端背压增大，这是由于气流流经路程增加，沿程阻力损失增大.载体长度为200mm时，其载体入口端速度均匀性和出口端面速度均匀性最差.随着载体长度的增加，其速度均匀性增加，流场均匀性变好.这是因为过滤体长度越长，气流的回流作用越小，回流对气流的冲击性越小.

表2 不同过滤体长度下载体背压及前后端面速度均匀性系数

2.3 扩张角度对流场分布的影响

不同扩张角度下载体背压值及载体进出口端面速度均匀性系数见表3.载体背压先随着扩张角度的增加变大，当达到一定的角度时，背压下降，且初期被压上升的幅度大于后期降低的幅度.扩张角变大时，锥角在气流速度方向上的长度减小，沿程阻力损失减小，使背压减小；而随着扩张角度的增加，气流在载体前端面以前区域涡流强度变大，局部压力损失增大.在扩张角为45°～60°之间时，涡流强度的影响占主要地位，因而背压渐增；当扩张角增加到60°之后，沿程损失占主要因素，因而背压下降.

表3 不同扩张角度下载体背压及前后端面速度均匀性系数

从速度均匀性来看，扩张角度的大小对均匀性影响显著.在扩张角为60°时均匀性最差，45°时均匀性最好.扩张角度越小，涡流强度小则载体前端面速度分布越均匀.

2.4 工况对流场分布的影响

在GT－POWER内建立增压中冷柴油机的模型，计算发动机不同转速下的排气质量流量和排气温度.发动机的额定转速为2 500r／min，另分别计算2 300，2 100，1 900和1 700r／min转速下的排气质量流量和温度值，见表4.发动机排气的质量流量和温度随着发动机转速的增加而增加.

表4 不同工况下发动机的排气流量和温度

载体前后端面上的速度均匀性系数和背压见表5.随着发动机转速的增加，均匀性系数越大，载体背压越大.这是因为随着转速的增加，入口流量越大，流速越大，涡流强度越大导致气流的局部压力损失越大；此外流速增加也会导致沿程阻力损失增加，从而引起背压增大.

表5 不同工况下载体前后端面速度均匀性系数和背压

3 DPF的结构优化

由以上分析可知，从背压和流体流动均匀性的综合指标来看，载体长度为200mm和扩张角度为45°时，DPF工作性能较好.因此，对原模型进行结构优化，载体长度由240mm减小成200 mm，同时将原始60°的扩张角减小为45°，建立优化后的几何模型，在同样的边界条件和物理条件下对该模型进行仿真分析，并与原模型在背压及流场均匀性方面进行对比.结构改进后的体网格模型见图7.

图7 结构改进后体网格模型图

模型改进前后DPF载体前后端面速度均匀性系数及载体和DPF整体背压的对比见表6.由表可知，模型改进后载体前端面上速度均匀性系数大大提高.此外，载体前后端背压和微粒捕集器整体背压都降低.由此可见，模型改进后，微粒捕集器背压性能和内部流动性能更佳，实际工作中可使排气更均匀的流向载体的过滤通道内，提高捕集效率，而且流动阻力损失减小可延长DPF使用寿命.

表6 DPF结构改进前后载体前后端面速度均匀性系数及背压值

4 结 论

1）建立DPF模型，设定边界条件，确定其流场分布评价指标，并对速度场、压力场和温度场进行分析，得出其载体前端面速度均匀性系数为0.837 6，整体背压为9.0kPa.

2）DPF背压随着载体长度的增加而增大，但过滤体内的流场均匀性随着载体长度的增加而变好；DPF背压随着扩张角度的变大先上升后下降；相比于60°，75°和90°的扩张角度，45°时载体前端流场均匀度最好；此外，随着转速的增加，DPF内流场流动均匀性变差，载体背压变大.

3）对DPF进行结构优化，载体长度减为200 mm，扩张角度减为45°，对改进后模型进行仿真分析，流场均匀性系数由0.837 6上升到0.923 8，背压由6.9kPa下降到5.6kPa.

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