張春潤，井 磊，唐粵清，王宏濤，錢仁軍

(1.軍事交通學(xué)院 裝備保障系，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

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非道路用柴油機(jī)DPF電加熱再生特性CFD研究

張春潤1，井 磊2，唐粵清2，王宏濤2，錢仁軍2

(1.軍事交通學(xué)院 裝備保障系，天津300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津300161)

通過STAR-CCM+軟件建立非道路用柴油機(jī)DPF電加熱再生裝置的仿真模型，對(duì)裝置的流場(chǎng)特征和再生特性進(jìn)行仿真分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：運(yùn)用大功率加熱管可以加熱柴油機(jī)尾氣，較好地實(shí)現(xiàn)DPF再生；提高再生效果的關(guān)鍵在于控制加熱室內(nèi)尾氣的流動(dòng)速度，并提高尾氣流場(chǎng)的均勻性。

非道路用柴油機(jī)；柴油機(jī)微粒捕集器(DPF)；電加熱再生；計(jì)算流體力學(xué)(CFD)

非道路用柴油機(jī)指非道路移動(dòng)機(jī)械所使用的柴油機(jī)。相較于道路用柴油機(jī)，其更易受到?jīng)_擊和震動(dòng)，使用環(huán)境較為惡劣[1]。當(dāng)前，我國非道路用柴油機(jī)的設(shè)計(jì)理念落后，生產(chǎn)技術(shù)薄弱，具有較高的污染物排放值。隨著GB 20891—2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第三、四階段)》等標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施，對(duì)非道路用柴油機(jī)的排放控制越來越嚴(yán)格，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造已刻不容緩。

本文根據(jù)非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)的特點(diǎn)，使用柴油機(jī)微粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)對(duì)其進(jìn)行排放后處理，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的電加熱再生系統(tǒng)，并通過計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)軟件對(duì)其效果進(jìn)行仿真優(yōu)化研究。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

DPF是公認(rèn)的控制顆粒物(particulate matter，PM)排放最有效的技術(shù)[2]，但由于其易堵塞，導(dǎo)致柴油機(jī)排氣背壓增加，降低柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性而限制了DPF的應(yīng)用[3]。為此，需要將PM去除，使DPF恢復(fù)到初始狀態(tài)。在空氣中，PM在500～650 ℃才能完全氧化燃燒[4]，而柴油機(jī)的排氣溫度普遍較低，因此，各種DPF再生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可分為主動(dòng)再生和被動(dòng)再生兩大類[5]，本文采取的電加熱再生屬于主動(dòng)再生方式。在道路車輛上，受限于狹小的布置空間和有限的蓄電池容量，所使用的電加熱系統(tǒng)往往加熱功率低，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[6]。而非道路用柴油機(jī)往往具有使用地點(diǎn)相對(duì)固定、有足夠大的布置空間等特點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)了一套電加熱再生裝置，將其接入三相380 V工業(yè)用電進(jìn)行加熱再生。

電加熱再生裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由柴油機(jī)尾氣入口、尾氣加熱室、螺旋加熱管、微粒捕集器(DPF)、排氣口等組成。DPF過濾體由碳化硅(SiC)陶瓷材料制成，其物理特性見表1[7]。

(a)主視圖 (b)剖視圖1.柴油機(jī)尾氣入口；2.尾氣加熱室；3.螺旋加熱管；4.微粒捕集器(DPF)；5.排氣口圖1 DPF電加熱再生裝置結(jié)構(gòu)

物理特性參數(shù)密度/(g·cm-3)3.2抗撓強(qiáng)度/MPa590抗壓強(qiáng)度/MPa690耐熱溫度/℃2220比熱/(J·kg-1·℃-1)1.05導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·℃-1)63熱膨脹系數(shù)/(106·℃-1)4.0

其工作原理：螺旋加熱管接入380 V交流電后開始升溫。柴油機(jī)尾氣進(jìn)入加熱室后，由螺旋加熱管對(duì)其進(jìn)行快速加熱。為減緩進(jìn)氣速度，提高加熱效率，采用側(cè)面徑向進(jìn)氣的方式。加熱后的尾氣流經(jīng)微粒捕集器提升其溫度，從而實(shí)現(xiàn)再生。為驗(yàn)證該裝置對(duì)DPF的增溫效果，判斷其再生特性，采用STAR-CCM+軟件對(duì)其進(jìn)行仿真優(yōu)化研究。

2 計(jì)算模型

2.1 STAR-CCM+簡介

STAR-CCM+是CD-adapco公司研發(fā)的新一代CFD求解器，它采用了先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)。STAR-CCM+搭載獨(dú)創(chuàng)的網(wǎng)格生成技術(shù)，可以完成復(fù)雜模型導(dǎo)入、表面準(zhǔn)備、網(wǎng)格重構(gòu)、自動(dòng)生成體網(wǎng)格等功能。STAR-CCM+生成的多面體網(wǎng)格，在相同的計(jì)算要求下，可以實(shí)現(xiàn)約3倍以上的計(jì)算性能提高。多面體網(wǎng)格具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn):①相鄰單元多，梯度計(jì)算和流動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確；②對(duì)模型變形的寬容度比四面體大；③在回流流動(dòng)的計(jì)算上，比Hexa網(wǎng)格的精度都要高。和其他CFD軟件相似，該仿真具有以下基本步驟：建立模型→網(wǎng)格劃分→設(shè)置邊界條件→仿真運(yùn)算→分析結(jié)果[8]。

2.2 數(shù)學(xué)模型

該仿真的實(shí)質(zhì)是流體的流動(dòng)與換熱問題。使用笛卡爾直角坐標(biāo)系計(jì)算，流體的運(yùn)動(dòng)及換熱的控制方程[9]。

連續(xù)方程：

(1)

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；ui為流體速度沿i方向的分量。

動(dòng)量方程：

(2)

式中：p為靜壓力；τij是由于分子黏性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面上的黏性應(yīng)力；ρgi為在i方向的重力分量；Fi為由阻力和能源引起的其他能源項(xiàng)。

能量方程：

(3)

式中：h為熵；k為分子傳導(dǎo)率；kt為由于湍流傳遞引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的體積源。

2.3 流體計(jì)算模型

依據(jù)再生裝置的幾何構(gòu)型，建立裝置的三維模型，在其內(nèi)部生成流體區(qū)域。利用STAR-CCM+劃分多面體網(wǎng)格。為提高仿真精度，在網(wǎng)格劃分的設(shè)置里對(duì)模型近壁面處生成一定厚度的較高質(zhì)量的邊界層網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格數(shù)量為37萬個(gè)。網(wǎng)格生成結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真模型網(wǎng)格

2.4 初始條件與邊界條件

壁流式微粒捕集器可看作多孔介質(zhì)，在CFD仿真過程中需要設(shè)置有關(guān)參數(shù)。為簡化計(jì)算，僅將再生裝置內(nèi)部流場(chǎng)特性納入考慮。對(duì)電加熱再生裝置的仿真邊界條件進(jìn)行簡化[10]：

(1)不考慮柴油機(jī)排氣速度和排氣溫度的波動(dòng)，在計(jì)算過程中排氣速率和溫度為恒定；

(2)不考慮柴油機(jī)排氣成分對(duì)仿真結(jié)果的影響；

(3)不考慮DPF上的積碳氧化產(chǎn)生的熱量對(duì)仿真結(jié)果的影響；

(4)忽略再生裝置外殼的熱影響。

邊界條件設(shè)定：整個(gè)再生過程都在柴油機(jī)怠速工況下進(jìn)行，根據(jù)溫度傳感器和流速計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)，設(shè)定柴油機(jī)的排氣溫度為120 ℃，流速為13．3 m/s。再生裝置排氣口條件為壓力出口，固體為碳鋼材料，螺旋發(fā)熱管的發(fā)熱功率為10 kW。

入口湍流強(qiáng)度l和湍流長度L的求解公式為

l=0.16Re-1/8

(4)

L=0.07d

(5)

其中，雷諾數(shù)Re為

(6)

式中：d為排氣管入口直徑；ρ為空氣密度，在T=300 K時(shí)，ρ=1.185 kg/m3；μ為空氣動(dòng)力黏性系數(shù)，常溫時(shí)μ=17.9×10-6Pa·s[10]。

計(jì)算可得，l=0.043 2，即湍流強(qiáng)度為4.32%，L=2.8×10-3m，Re=35 218．99。由計(jì)算可知，柴油機(jī)的尾氣是大雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)，因此需要用到湍流的控制方程。本文選用了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε控制方程[11]。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是半經(jīng)驗(yàn)公式。

湍流動(dòng)能k方程：

(7)

湍流耗散率ε方程：

(8)

式中:μl為層流黏性系數(shù)；μt為湍流粘性系數(shù)；Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；G1ε、G2ε、G3ε、σk和σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；Cμ為湍流常數(shù)。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 流場(chǎng)分析

如圖3所示為電加熱再生裝置內(nèi)部的速度流線圖?？梢钥闯?，柴油機(jī)尾氣流入加熱室后，流體的主體沖擊到加熱室壁，分散成兩部分，折回加熱室進(jìn)行加熱?？梢悦黠@看到：在進(jìn)氣口的一側(cè)，氣流比較稀疏，流動(dòng)的速度比較慢；在進(jìn)氣口對(duì)側(cè)，受到氣體流動(dòng)慣性的影響，氣流量比較大，速度比較快。加熱室內(nèi)的氣流分布不夠均勻，流經(jīng)DPF的氣流也有同樣的特點(diǎn)。

圖3 電加熱再生裝置內(nèi)部的速度流線

3.2 溫度分析

如圖4所示為電加熱再生裝置內(nèi)部溫度分布圖。由圖4(a)和(b)可知，柴油機(jī)尾氣進(jìn)入加熱室后，首先被加熱管加熱。尾氣流經(jīng)兩個(gè)加熱管后，溫度可達(dá)到300～400 ℃。在加熱室尾端，尾氣可達(dá)到800～900 ℃的高溫。隨后，廢氣流入顆粒捕集器的孔道內(nèi)，使DPF的溫度升高，約有3/5的區(qū)域能達(dá)到500 ℃以上，局部最高溫度能達(dá)到800 ℃以上。圖4(c)為DPF前端視圖。由此圖可以看出，端面溫度分布較不均勻，最高溫度為867 ℃，低處溫度約為300 ℃，溫差比較大。

(b)z=0平面溫度分布云圖

(c)DPF前端面溫度分布圖4 電加熱再生裝置內(nèi)部溫度分布

由圖4可以看出：在流量較大、流速較快的區(qū)域，尾氣得不到充分的加熱，因此溫度比較低，升溫效果不好；在流量較小、流速較慢的區(qū)域，尾氣受到的加熱比較充分，因而溫度比較高，升溫效果較好。因此，再生裝置優(yōu)化的關(guān)鍵在于降低柴油機(jī)尾氣在裝置中的流速，使尾氣流動(dòng)更加平緩、均衡。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行：一是將進(jìn)氣方式改為沿切向方向進(jìn)氣，使尾氣進(jìn)入加熱室后，沿加熱室壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，從而流動(dòng)更加均勻合理；二是延長加熱室的長度，避免高速的尾氣直接吹到加熱管上，而是在加熱室的前端減速后，再與加熱管接觸，從而提升加熱效果。改進(jìn)后的再生裝置如圖5所示。

(a)主視圖 (b)剖視圖1.柴油機(jī)尾氣入口；2.尾氣加熱室；3.螺旋加熱管；4.微粒捕集器(DPF)；5.排氣口圖5 改進(jìn)后的DPF電加熱再生裝置結(jié)構(gòu)

4.2 優(yōu)化后的仿真結(jié)果

保持初始條件和邊界條件不變，對(duì)改進(jìn)后的電加熱再生裝置進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 改進(jìn)后電加熱再生裝置內(nèi)部的速度流線

(a)y=0平面溫度分布云圖

(c)DPF前端面溫度分布圖7 改進(jìn)后電加熱再生裝置內(nèi)部溫度分布

由仿真結(jié)果圖可以看出，尾氣沿切向進(jìn)入加熱室后，沿加熱室壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng),流場(chǎng)分布更加合理。由圖7(c)可以看出，DPF有5/6的區(qū)域能滿足500～650 ℃的PM完全氧化燃燒的溫度要求，且800 ℃以上高溫的區(qū)域比優(yōu)化前擴(kuò)大了8～10倍，加熱效果更加明顯，更易于實(shí)現(xiàn)DPF再生。

5 結(jié) 論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種采用工業(yè)用電加熱DPF再生的裝置，并使用STAR-CCM+進(jìn)行仿真優(yōu)化研究。

由優(yōu)化結(jié)果看，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)比較理想的DPF再生。

(2)由仿真結(jié)果可以看出，實(shí)現(xiàn)理想再生的關(guān)鍵在于降低柴油機(jī)尾氣在裝置中的流速，使尾氣流動(dòng)更加平緩、均衡。

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(編輯：張峰)

DPF Electrical Heating Regeneration of Non-road Diesel Engine Based on CFD

ZHANG Chunrun1, JING Lei2, TANG Yueqing2, WANG Hongtao2, QIAN Renjun2

(1.Equipment Support Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The paper establishes simulation model of diesel partculate filter(DPF) electrical heating regeneration device of non-road diesel engine with STAR-CCM+ software, and analyzes and designs the device with the characteristics of flow field and reheat temperature. The result shows that using high-power heating pipe can heat diesel exhaust and achieve the DPF regeneration, and the key to improve the regeneration effect is to control exhaust flow rate in heating chamber and to improve the uniformity of the exhaust flow field.

non-road diesel engine; diesel particulate filter(DPF); electrical heating regeneration; computational fluid dynamics(CFD)

2016-04-26；

2016-05-24．

國家高技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA065303)．

張春潤(1957—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.010

TK421．5

A

1674-2192(2016)11- 0039- 05

● 車輛工程 Vehicle Engineering