邱勇++李興虎++牟鳴飛++李雪浩

摘要：

為降低GPF流動(dòng)阻力，設(shè)計(jì)一種由圓筒狀泡沫金屬相互嵌套和環(huán)形導(dǎo)流式封堵組成的新型CNDCP（Cylinder Nested and Diversion Channel Plug type）GPF，并分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其壓降和流場(chǎng)特性的影響.在CNDCP GPF外徑和濾芯長(zhǎng)度一定的條件下，濾芯圓筒嵌套層數(shù)越多，壓力損失也越小；嵌套層數(shù)較多時(shí)，嵌套層數(shù)的增加對(duì)壓力損失的降低程度不再明顯；導(dǎo)流封堵截面形狀為半圓形或等邊三角形時(shí)產(chǎn)生的壓力損失更小，同時(shí)半圓形截面導(dǎo)流封堵對(duì)濾芯內(nèi)部流場(chǎng)均勻性指數(shù)的提高程度更大.

關(guān)鍵詞：

GPF； 泡沫金屬； 濾芯； 圓筒嵌套層數(shù)； 導(dǎo)流封堵截面形狀； 壓力損失； 流場(chǎng)均勻性指數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TK414.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0 引 言

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)以其出色的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性和瞬態(tài)響應(yīng)能力而備受推崇，然而，由于汽油直接噴入缸內(nèi)，油氣混合時(shí)間短，以及燃油濕壁等因素造成排氣顆粒物較多.GPF是降低顆粒物排放的有效裝置.隨著排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，對(duì)GPF的研究與應(yīng)用成為必然趨勢(shì).[12]GPF不僅需要滿(mǎn)足過(guò)濾效率高、壽命長(zhǎng)等要求，而且流動(dòng)阻力要小.濾芯是決定GPF性能的關(guān)鍵部件，因此濾芯的選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為重要.[3]傳統(tǒng)濾芯材料一般采用堇青石和碳化硅等，這種濾芯過(guò)濾性能較好，但脆性較大，抗沖擊性較差，在制作過(guò)程中只能一體式加工，次品率較高.泡沫金屬是一種新型過(guò)濾材料，不僅具有高孔隙率、高滲透性、高比表面積、耐高溫等良好的過(guò)濾性能，而且具有較好的抗沖擊性能，更易加工，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)過(guò)濾材料的不足.[45]

本文設(shè)計(jì)一種由相互嵌套的泡沫金屬圓筒和環(huán)形導(dǎo)流式封堵組成的新型CNDCP（Cylinder Nested and Diversion Channel Plug type GPF）GPF，旨在減小GPF的流動(dòng)阻力、外形尺寸與整體質(zhì)量，提高GPF過(guò)濾表面積，使結(jié)構(gòu)緊湊.為分析CNDCP GPF濾芯內(nèi)部流場(chǎng)分布和降低壓力損失，利用FLUENT建立CNDCP GPF二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，研究濾芯嵌套層數(shù)和導(dǎo)流封堵截面形狀等參數(shù)對(duì)CNDCP GPF壓力損失和流場(chǎng)分布的影響，為新型CNDCP GPF后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù).

1 CNDCP GPF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的CNDCP GPF濾芯實(shí)例見(jiàn)圖1.

濾芯由4個(gè)泡沫金屬圓筒嵌套而成，各圓筒兩端平齊，圓筒間間隔封堵，封堵區(qū)域采用半圓形截面環(huán)狀導(dǎo)流裝置引導(dǎo)氣流運(yùn)動(dòng)，并保證每一個(gè)環(huán)形孔道只有一側(cè)被封堵.該結(jié)構(gòu)使排氣無(wú)法直接通過(guò)環(huán)形孔道到達(dá)濾芯另外一側(cè)，而必須從孔道壁面泡沫金屬微孔流過(guò).當(dāng)排氣流過(guò)微孔時(shí)，大于微孔直徑的顆粒物通過(guò)篩濾方式被過(guò)濾，小于微孔直徑的顆粒物通過(guò)吸附等方式停留在泡沫金屬微孔內(nèi)部.

采用圖1所示濾芯，設(shè)計(jì)CNDCP GPF整體結(jié)構(gòu)，其剖面見(jiàn)圖2，箭頭所示為排氣流動(dòng)方向，其中，截面4到截面5為濾芯部分，截面2到截面3為擴(kuò)張管部分，截面6到截面7為收縮管部分.排氣從截面1進(jìn)入，最后通過(guò)截面8進(jìn)入排氣管路中.在CNDCP GPF外徑D1和濾芯長(zhǎng)度L4不變的條件下，CNDCP GPF內(nèi)部流場(chǎng)分布和壓力損失主要受濾芯圓筒嵌套層數(shù)（圓筒層間距）和導(dǎo)流裝置截面形狀等影響.

2 數(shù)學(xué)模型

暫不考慮傳熱傳質(zhì)和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣通道內(nèi)壓力波動(dòng)的影響，假設(shè)排氣在CNDCP GPF內(nèi)部流動(dòng)具有軸對(duì)稱(chēng)性，且排氣在進(jìn)入CNDCP GPF入口截面時(shí)流速分布均勻.選用圖2模型的一側(cè)截面生成二維網(wǎng)格，建立二維軸對(duì)稱(chēng)的穩(wěn)態(tài)不可壓縮流動(dòng)模型，對(duì)CNDCP GPF內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行初步定量分析.

2.1 流動(dòng)控制方程

對(duì)于穩(wěn)態(tài)不可壓縮二維流動(dòng)，描述流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程如下，其中：下標(biāo)i和j分別表示x軸和y軸方向.

2.2 湍流模型

排氣進(jìn)入CNDCP GPF時(shí)流速較大，流經(jīng)擴(kuò)張管、濾芯和收縮管時(shí)，由于直徑的突然變化會(huì)產(chǎn)生漩渦運(yùn)動(dòng)，因此排氣在CNDCP GPF內(nèi)部屬于湍流運(yùn)動(dòng)，故采用標(biāo)準(zhǔn)kε模型計(jì)算雷諾應(yīng)力來(lái)封閉上述流動(dòng)控制方程.該模型方程包括湍流動(dòng)能k方程式和湍流動(dòng)能耗散率ε方程式，即

式中：k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；μt為湍流黏度，μt=ρCμk2/ε；Gk為由速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中過(guò)渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C3ε為決定ε方程受浮力影響的項(xiàng)，由于浮力應(yīng)力層垂直于重力速度，故C3ε=0.各項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[6]見(jiàn)表1.

2.3 多孔跳躍模型

多孔跳躍模型本質(zhì)上是單元區(qū)域的多孔介質(zhì)模型的一維簡(jiǎn)化，具有很好的魯棒性和收斂性.多孔跳躍邊界條件用于模擬已知速度和壓降特征的具有有限厚度的多孔介質(zhì)層，氣流通過(guò)多孔介質(zhì)層的壓力變化定義為Darcy定律與附加內(nèi)部損失項(xiàng)的結(jié)合，即

式中：μ為排氣黏性；α為多孔介質(zhì)的滲透率；C2為壓力跳躍因數(shù)；u為垂直于過(guò)濾介質(zhì)表面的速度分量；DM為過(guò)濾介質(zhì)層的厚度.其中，滲透率α和壓力跳躍因數(shù)C2分別定義為

3 數(shù)值模擬及討論

3.1 CNDCP GPF濾芯嵌套層數(shù)對(duì)壓降的影響

建立嵌套層數(shù)分別為3，4，5和6的CNDCP GPF二維網(wǎng)格模型.在邊界條件設(shè)置中，假設(shè)CNDCP GPF入口速度分布均勻，排氣參數(shù)參考一臺(tái)排量為2.0 L，額定轉(zhuǎn)速為5 000 r/min的缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的不同工況以及CNDCP GPF入口排氣管徑，選定入口截面排氣平均流速分別為30，40和50 m/s，排氣溫度設(shè)定為750 K，排氣密度為0.6 kg/m3.[7]出口邊界按充分發(fā)展的流動(dòng)處理，壁面按無(wú)滑移邊界條件處理，過(guò)濾介質(zhì)設(shè)置為多孔跳躍邊界條件.

泡沫金屬具有良好的滲透性，其滲透率α允許在較大范圍內(nèi)變化，一般為10-12～10-10 m2，孔隙率ε變化范圍為70%～80%.泡沫金屬加工性能良好，可根據(jù)需要加工為0.5～10.0 mm任意厚度，甚至更大厚度.[8]本文主要研究CNDCP GPF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)整體壓力損失的影響，因此選取固定的濾芯材料特性參數(shù).參考常用的氣體過(guò)濾材料的泡沫金屬相關(guān)參數(shù)，本文的數(shù)值模擬計(jì)算中多孔介質(zhì)材料參數(shù)設(shè)置為：孔隙率ε=0.75，厚度為2 mm，滲透率α=1×10-11 m2，對(duì)應(yīng)的壓力損失系數(shù)為

140 000 m-1.

假定當(dāng)排氣由圖2中端面1流向端面8時(shí)氣流方向?yàn)檎?，由端?流向端面1時(shí)氣流方向?yàn)榉聪?不同嵌套層數(shù)CNDCP GPF在不同排氣流速和氣流方向時(shí)的整體壓力損失模擬計(jì)算值見(jiàn)圖3.排氣流速對(duì)CNDCP GPF整體壓力損失影響較大，排氣流速越大，壓力損失也越大.排氣流速分別為30，40和50 m/s的條件下，氣流方向?yàn)檎驎r(shí)CNDCP GPF整體壓力損失均低于氣流方向?yàn)榉聪驎r(shí)的壓力損失.隨著嵌套層數(shù)的增加，CNDCP GPF整體壓力損失呈下降趨勢(shì)，且隨著嵌套層數(shù)的增加，CNDCP GPF整體壓力損失下降的幅度逐漸減小.這是因?yàn)樵贑NDCP GPF外徑和濾芯長(zhǎng)度一定的情況下，隨著濾芯嵌套層數(shù)的增加，層間距逐漸減小，雖然排氣穿過(guò)過(guò)濾介質(zhì)引起的壓力損失有所降低，但由于過(guò)濾孔道窄小，排氣通過(guò)過(guò)濾孔道時(shí)引起的沿程壓力損失增大[9]，所以CNDCP GPF整體壓力損失降低并不顯著.

排氣由圖2所示端面1流向端面8時(shí)，CNDCP GPF整體壓力損失較小，增加濾芯嵌套層數(shù)有利于降低整體壓力損失.然而，隨著CNDCP GPF濾芯嵌套層數(shù)的增加，濾芯產(chǎn)品的制作成本與制作難度也會(huì)增加，同時(shí)會(huì)使濾芯過(guò)濾圓筒層間距過(guò)小，導(dǎo)致排氣過(guò)濾孔道窄小，隨著顆粒物的堆積容易產(chǎn)生阻塞，降低過(guò)濾效率.因此，本文后續(xù)研究采用圖2所示的4層嵌套濾芯結(jié)構(gòu)，排氣流動(dòng)方向?yàn)槎嗣?流向端面8.

3.2 CNDCP GPF濾芯導(dǎo)流裝置的優(yōu)化及影響

排氣流入和流出CNDCP GPF濾芯區(qū)域時(shí)會(huì)產(chǎn)生速度的劇烈變化，從而引起較大的壓力損失.合理設(shè)計(jì)濾芯出入口結(jié)構(gòu)以引導(dǎo)氣流運(yùn)動(dòng)，對(duì)降低CNDCP GPF整體壓力損失至關(guān)重要.CNDCP GPF濾芯出入口局部壓力損失主要來(lái)自于環(huán)形封堵區(qū)域，因此考慮在封堵區(qū)域加裝導(dǎo)流裝置優(yōu)化流場(chǎng).本文分別設(shè)計(jì)截面形狀為半圓形和等腰三角形的濾芯導(dǎo)流裝置，其中等腰三角形導(dǎo)流裝置頂角β分別為60°，90°和120°，導(dǎo)流裝置截面形狀見(jiàn)圖4.

a）無(wú)導(dǎo)流裝置

b）半圓形截面導(dǎo)流裝置

c）三角形截面導(dǎo)流裝置

假設(shè)CNDCP GPF濾芯內(nèi)部流體為軸對(duì)稱(chēng)，為研究導(dǎo)流裝置對(duì)濾芯部分流場(chǎng)的影響，采用圖4所示的CNDCP GPF濾芯一側(cè)截面建立裝有不同導(dǎo)流裝置的濾芯二維模型.該模型包含3個(gè)排氣入口孔道，假定從中心線(xiàn)向外依次為第一孔道、第二孔道和第三孔道.

在邊界條件設(shè)置中，假設(shè)濾芯入口排氣速度分布均勻，參考第3.1節(jié)所述缸內(nèi)直噴汽油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的排氣參數(shù)和CNDCP GPF濾芯入口直徑，設(shè)定濾芯入口排氣流速v=4.4 m/s，其余排氣參數(shù)同第3.1節(jié)入口邊界條件.出口邊界按充分發(fā)展的流動(dòng)處理，壁面按無(wú)滑移邊界條件處理，過(guò)濾介質(zhì)設(shè)置為多孔跳躍邊界條件.考慮到導(dǎo)流裝置的作用為改變流體流動(dòng)方向，故在模型中將導(dǎo)流裝置按固體邊界處理.

3.2.1 壓力損失分析

CNDCP GPF濾芯導(dǎo)流裝置截面形狀對(duì)排氣進(jìn)入和離開(kāi)濾芯時(shí)產(chǎn)生的壓力損失有重要影響.安裝不同截面形狀導(dǎo)流裝置后CNDCP GPF濾芯入口徑向壓力分布見(jiàn)圖5.由此可知，導(dǎo)流裝置能明顯降低CNDCP GPF濾芯部分壓力損失.在本文研究的不同截面形狀導(dǎo)流裝置中，當(dāng)截面形狀為等邊三角形，即頂角為60°的等腰三角形時(shí)，導(dǎo)流裝置對(duì)濾芯部分壓力損失的降低最大，達(dá)到約4.4%.三角形截面導(dǎo)流裝置中，隨著三角形頂角角度的增大，導(dǎo)流裝置對(duì)CNDCP GPF濾芯部分壓力損失的降低程度逐漸減小.半圓形截面導(dǎo)流裝置對(duì)CNDCP GPF濾芯壓力損失的降低也較為明顯，且相較于60°三角形截面導(dǎo)流裝置，濾芯入口壓力分布更加均勻.

3.2.2 速度場(chǎng)分析

CNDCP GPF濾芯導(dǎo)流裝置的作用主要是改變?yōu)V芯環(huán)形過(guò)濾孔道入口排氣流速和方向，使排氣平緩地進(jìn)入過(guò)濾孔道，從而實(shí)現(xiàn)舒緩速度場(chǎng)的目的.本文考察安裝不同截面形狀導(dǎo)流裝置的CNDCP GPF濾芯各孔道入口截面速度分布，見(jiàn)圖6.由此可以看出，安裝導(dǎo)流裝置后CNDCP GPF濾芯各孔道入口中心區(qū)域附近排氣流速有不同程度降低.圖6a）和6b）中，等腰三角形截面導(dǎo)流裝置對(duì)第一、二孔道入口速度的降低程度大于半圓形截面結(jié)構(gòu)，且等腰三角形頂角角度越小，降低程度越大.圖6c）中，CNDCP GPF濾芯第三孔道遠(yuǎn)離中心線(xiàn)的一側(cè)為壁面流動(dòng)，該孔道入口流速只受另一側(cè)導(dǎo)流裝置影響，安裝導(dǎo)流裝置可減小壁面流動(dòng)一側(cè)的氣流速度，但另一側(cè)流速略有增大.無(wú)導(dǎo)流裝置時(shí)，CNDCP GPF濾芯第一、二孔道，即濾芯內(nèi)側(cè)孔道入口排氣流速較大，但濾芯內(nèi)側(cè)孔道過(guò)濾表面積較小，從而增加內(nèi)側(cè)孔道過(guò)濾壁面的過(guò)濾壓力.安裝導(dǎo)流裝置能夠降低CNDCP GPF濾芯內(nèi)側(cè)孔道入口排氣流速，使更多的排氣進(jìn)入過(guò)濾表面積較大的最外側(cè)孔道，有利于排氣的凈化.

為進(jìn)一步考察導(dǎo)流裝置截面形狀對(duì)CNDCP GPF濾芯過(guò)濾孔道內(nèi)部速度場(chǎng)分布的影響，選取環(huán)形過(guò)濾孔道內(nèi)部距孔道入口20 mm處截面進(jìn)行研究，其徑向流速分布見(jiàn)圖7.

導(dǎo)流裝置降低CNDCP GPF濾芯孔道內(nèi)部最大排氣流速，其中半圓形截面導(dǎo)流裝置對(duì)各孔道內(nèi)部最大流速降低最明顯，導(dǎo)流裝置截面形狀為等腰三角形時(shí)，頂角越小，降低程度越大.

最大流速的降低使孔道內(nèi)部流速分布更加均勻，有利于提高流場(chǎng)均勻性.為定量分析CNDCP GPF濾芯內(nèi)部流場(chǎng)均勻程度，引入流場(chǎng)均勻性指數(shù)這一評(píng)價(jià)指標(biāo).流場(chǎng)均勻性指數(shù)一般采用WELTENS等[10]建立的評(píng)價(jià)載體流速分布特性的準(zhǔn)則表示，即

式中：γv為均勻性指數(shù)，取值范圍為0～1，γv越大說(shuō)明流動(dòng)越均勻，1表示理想均勻流動(dòng)，0表示氣流僅通過(guò)單個(gè)孔道；n為測(cè)算點(diǎn)數(shù).

CNDCP GPF濾芯安裝導(dǎo)流裝置前后孔道內(nèi)部流場(chǎng)均勻性指數(shù)見(jiàn)表2.

安裝導(dǎo)流裝置后，CNDCP GPF濾芯內(nèi)部流場(chǎng)均勻性得到顯著改善.半圓形截面導(dǎo)流裝置對(duì)各孔道內(nèi)部流場(chǎng)均勻性指數(shù)提高最明顯，第一、二、三孔道分別提高約6.5%，6.2%和2.9%.在等腰三角形截面導(dǎo)流裝置中，頂角角度越小，對(duì)流場(chǎng)均勻性指數(shù)提高程度越大.

4 結(jié) 論

通過(guò)建立CNDCP GPF二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模型，并參考汽油機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況排氣參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到主要結(jié)論如下.

（1）濾芯嵌套層數(shù)越多，CNDCP GPF壓力損失越小；隨著嵌套層數(shù)的增加，嵌套層數(shù)對(duì)壓力損失的減小程度逐漸減弱.

（2）頂角為60°的等腰三角形截面導(dǎo)流裝置對(duì)濾芯壓力損失的降低程度最大，半圓形次之；等腰三角形頂角角度越大，對(duì)濾芯壓力損失的降低程度越小.

（3）導(dǎo)流裝置可降低濾芯內(nèi)側(cè)孔道入口流速，截面形狀為等腰三角形時(shí)降低程度最明顯，且頂角角度越小，降低程度越大.

（4）半圓形截面導(dǎo)流裝置對(duì)孔道內(nèi)部流場(chǎng)均勻性指數(shù)提高最大；等腰三角形頂角越小，對(duì)流場(chǎng)均勻性指數(shù)的提高程度越大.

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（編輯 武曉英）