柴油机微粒捕集器连续脉动再生性能影响与场协同分析研究

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在众多的微粒捕集器再生方法中,被动再生技术中的废气大负荷碳烟再生是一种不需要额外附加设施的再生方式。国内外对废气大负荷运行工况下的碳烟连续再生的相关研究特别是仿真研究还存在诸多未突破的技术难点。考虑到发动机实际的排气压力变化的特点(非线性、呈周期性),将周期性脉动进气压力模式下的碳烟再生方式定义为碳烟连续脉动再生,并开展微粒捕集器碳烟连续再生过程的流动、传热、燃烧和反应机理的研究,其研究结果对提高微粒捕集器系统的再生性能和强化内部传热具有重要的理论意义和实用价值。论文以国家自然科学基金面上项目[51676066]“Pd/石墨烯催化型旋转式微粒捕集器过滤体分区微波加热再生与热-电-化-力学耦合协同优化研究”为依托,采用模型开发、数值模拟和实验验证相结合的方法,研究和分析了不同条件下的柴油机微粒捕集器连续脉动再生性能,确定了影响微粒捕集器连续脉动再生的因素。论文主要的研究创新点如下:(1)探究了碳烟再生压力趋势及微粒捕集器内部压降的变化情况,建立了非线性再生压力波动连续脉动再生模型,通过净微粒捕集器压力校准、碳烟沉积过程压力修正和再生过程模型验证,改变孔道密度、孔道壁厚和渗透率等参数,研究了变流量工况条件下的微粒捕集器的碳烟沉积响应时间和压降情况。变流量工况条件下仿真结果表明影响微粒捕集器整体压降变化的关键参数是孔道密度,孔道壁厚和渗透率为非关键参数。(2)探究了进气压力形式对连续脉动再生性能产生的影响,研究了正、余弦进气压力条件下的碳烟再生微粒捕集器系统内部流场、传热性能和再生效率。与余弦进气压力的结果相比,正弦进气压力条件下的系统温度、雷诺数和压降分别低了46.12 K、435.23和4353.5 Pa。正弦进气压力形式下的壁面传热分布趋势一致性较好。正弦进气压力更有利于碳烟发生连续脉动再生。(3)对比了有效校准速率模型(Effective Definition Calibration Rate,EDC)、禁止速率模型(Forbid Rate,FR)和有效速率模型(Effective Definition Rate,ED)并分析了碳烟再生性能、动态特性、压力和燃烧反应的热效应数据。3种模型均能实现碳烟连续脉动再生,再生效率在88%以上。EDC模型具有较高的湍动能(比FR模型大48.75 J,比ED模型大49.01 J)和较低的雷诺数。EDC模型的温度高于ED和FR模型,入口、过滤体和出口处的最大温差分别为265.4 K、24.7 K和8.4K。EDC模型的再生效率与实验结果吻合较好,是模拟碳烟烟尘连续再生的首选仿真模型。(4)探究了氧浓度、再生温度对微粒捕集器连续脉动再生特性的影响,设定了再生温度823 K,873 K和923 K及氧浓度7.2%,8.2%和9.4%共9种仿真条件。结果表明碳烟在9种情况条件下的再生性能存在明显差异,最大温度差是286 K。连续脉动再生过程中,氧浓度对再生反应的影响程度要远大于再生温度。(5)研究了基于场协同理论的微波辅助连续脉动再生性能情况。综合考察不同流速、各种排气温度对再生温度场的影响。使用温度均匀系数、场协同系数进行数据分析与对比。出口处的再生平均温度随排气温度的升高而升高。当排气温度为680 K时,微波辅助连续脉动再生最高温度是1021.8 K。
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