張曉義,李 偉,邱永生,王永忠

(1.成都市機(jī)動(dòng)車(chē)排氣污染防治技術(shù)保障中心，成都 610066; 2.西華大學(xué)，成都 610097)

前 言

隨著近年來(lái)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量不斷增加，機(jī)動(dòng)車(chē)污染已成為城市空氣污染的重要來(lái)源，特別是北京、成都等機(jī)動(dòng)車(chē)保有量大的城市。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染作為城市大氣臭氧和細(xì)顆粒物形成重要的前體物貢獻(xiàn)源，是導(dǎo)致城市地區(qū)污染的一個(gè)主要環(huán)境問(wèn)題。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣是大氣CO污染的主要來(lái)源之一，也是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)和氮氧化物(NOX)的重要來(lái)源，導(dǎo)致光化學(xué)煙霧和地面臭氧(O3)的形成。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境空氣中二氧化硫(SO2)以及顆粒物(PM)的濃度上升[1～3]。相關(guān)研究[4]表明成都市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量由2010年259萬(wàn)輛增加到2019年576萬(wàn)輛，平均每年增長(zhǎng)率達(dá)到9.3%，基于清單法計(jì)算得到的2019年機(jī)動(dòng)車(chē)SO2、NOX、CO、PM2.5和VOCs的排放量分別為0.21、4.63、0.27、11.58和1.7萬(wàn)t。近年來(lái)成都市源解析研究表明成都市城區(qū)VOCs來(lái)源主要由移動(dòng)源貢獻(xiàn)[5]，汽油車(chē)和燃燒源VOCs貢獻(xiàn)占比超過(guò)40%，是成都市城區(qū)VOCs的重要來(lái)源，并且在污染期間升高明顯[6]。移動(dòng)源同樣是成都市城區(qū)PM2.5的主要來(lái)源，年均濃度貢獻(xiàn)達(dá)29%[7]。因此，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的排放監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性尤為重要，特別是尾氣排放流量的監(jiān)測(cè)，直接影響污染排放量的計(jì)算，影響機(jī)動(dòng)車(chē)污染的評(píng)估以及管理。

目前，我國(guó)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放監(jiān)測(cè)通常采用簡(jiǎn)易工況法和雙怠速法，標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定：2019年5月1日起，在全國(guó)范圍內(nèi)汽油車(chē)環(huán)保定期檢驗(yàn)采用規(guī)定的簡(jiǎn)易工況法進(jìn)行，對(duì)無(wú)法使用簡(jiǎn)易工況法的車(chē)輛可采用雙怠速法進(jìn)行。采用簡(jiǎn)易工況法的檢驗(yàn)要求配備氣體流量分析儀，通常采用卡門(mén)渦街流量計(jì)。氣體流量分析儀主要由進(jìn)氣管、抽風(fēng)機(jī)、流量測(cè)量管、擾流桿、超聲波傳感器(或壓力傳感器)、氧化鋯傳感器、溫度壓力傳感器、排氣管等部件組成，利用安裝在測(cè)量管內(nèi)的渦街流量計(jì)，應(yīng)用流體振蕩原理來(lái)測(cè)量流量：在流動(dòng)的流體中放置一根其軸與流向垂直的、有對(duì)稱(chēng)形狀的非流線形狀柱體(如圓柱、三角柱等)時(shí)(即擾流桿)，流體會(huì)出現(xiàn)兩列不對(duì)稱(chēng)、但有規(guī)律的漩渦列，當(dāng)兩列渦旋間距與間隔之比達(dá)到h/l=0.562時(shí)，渦列穩(wěn)定且產(chǎn)生頻率與流速成正比[9-10]。高山[11]對(duì)于渦街流量計(jì)準(zhǔn)確度影響因素的研究中指出，影響渦街流量計(jì)準(zhǔn)確度的因素主要有干度變化、壓力變化、管道及流量計(jì)震動(dòng)以及流量計(jì)出口側(cè)通向大氣導(dǎo)致前后壓差過(guò)大影響準(zhǔn)確度，并且通過(guò)修正參數(shù)、改進(jìn)監(jiān)測(cè)過(guò)程等方式進(jìn)行解決。但是對(duì)于流量測(cè)試過(guò)程中擾流桿表面的附著物狀態(tài)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響國(guó)內(nèi)外鮮有研究，本文利用仿真模型研究了改變汽車(chē)排氣流量分析儀擾流桿外形尺寸對(duì)流量測(cè)試數(shù)據(jù)造成的影響的情況，并通過(guò)擾流桿表面不同附著物狀態(tài)對(duì)排氣流量的實(shí)測(cè)研究，探究擾流桿附著物污染對(duì)流量測(cè)試結(jié)果的影響，為機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治有效管控提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 仿真模擬

通過(guò)仿真軟件建立流量分析儀中的流場(chǎng)模型，并利用實(shí)際汽車(chē)排氣流量分析儀在不同擾流桿直徑下的實(shí)測(cè)流量值，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與調(diào)整。最后利用所建立的仿真模型對(duì)不同擾流桿直徑對(duì)流量測(cè)量造成的影響進(jìn)行分析研究。

渦街流量計(jì)管道：圓管外徑為D1=100mm，內(nèi)徑為D=98mm，長(zhǎng)度L1=1000mm，材料為鋁。

擾流桿：長(zhǎng)度為98mm，直徑d分別選用4mm、4.656mm、4.934mm。

流體：管道內(nèi)的仿真流體為空氣，溫度為室溫(293K)，壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101325Pa)。

管道及擾流桿三維模型見(jiàn)圖1。

圖1 管道及擾流桿三維模型圖Fig.1 3D model drawing of pipe and spoiler

網(wǎng)格劃分：劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為127 368，單元網(wǎng)格數(shù)為677 195。單元網(wǎng)格質(zhì)量(Element Quality)最小值為0.227 93，最大值為1，平均值為0.838 72，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.4526e-002；縱橫比(Aspect Ratio)最小值為1.158，最大值為9.9045，平均值為1.8416，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.45297。雅克比系數(shù)(Jacobian Ratio (MAPDL))為1。正交質(zhì)量系數(shù)(Orthogonal Quality)最小值為0.181，最大值為0.99396，平均值為0.7714，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.11674。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分三維圖見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分三維圖Fig.2 Meshing 3D drawing

1.2 實(shí)測(cè)分析

旋渦的釋放頻率與流過(guò)擾流桿的流體平均速度及擾流桿特征寬度有關(guān)，可用式(1)表示：

(1)

式中：f為旋渦的釋放頻率，單位為Hz；

v為流過(guò)旋渦發(fā)生體的流體平均速度，單位為m/s；

d為旋渦發(fā)生體/擾流桿特征寬度，單位為m；

St為斯特勞哈爾數(shù)，無(wú)量綱，St=0.2(圓柱體擾流桿)。

在排放檢測(cè)時(shí)，汽車(chē)尾氣及空氣的混合氣體通過(guò)擾流桿后產(chǎn)生渦街，渦街經(jīng)等幅高頻超聲波干涉后形成新頻率的渦街。

通過(guò)上述測(cè)量原理分析，擾流桿是流量計(jì)中重要的測(cè)試元件，如擾流桿形狀發(fā)生改變，將會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生不利影響。而機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放檢驗(yàn)環(huán)境較為惡劣，擾流桿表面非常容易形成附著物，如不及時(shí)清理將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響。

根據(jù)汽車(chē)尾氣排放檢驗(yàn)的實(shí)際特點(diǎn)，本文采用了碳素墨水加粉筆灰、細(xì)線、油脂三種材料作為附著物粘黏于型號(hào)為ML-100(標(biāo)定流量為165L/min)的擾流桿表面以改變其特征寬度進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，研究附著物對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真模型研究

2.1.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所選流量計(jì)為ML-100，擾流桿直徑為4.000mm，實(shí)測(cè)流量為171L/s，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)Tab.1 Measured flow data

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，擾流桿附近的流速矢量和速度跡線圖見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 速度矢量圖Fig.3 Velocity vector drawing

圖4 速度跡線圖Fig.4 Velocity trace drawing

按照仿真結(jié)果中的渦街間隔計(jì)算流體流量，計(jì)算結(jié)果為167.2L/s，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得流量的誤差為：

(2)

誤差小于3%，證明仿真分析具有可靠性。

2.1.2 擾流桿變化對(duì)流量測(cè)量影響的仿真研究

2.1.2.1 擾流桿直徑變化對(duì)流量測(cè)量的影響

在上述仿真模型上，改變擾流桿直徑，設(shè)置直徑為4mm、4.656mm和4.934mm，并仿真模擬計(jì)算不同擾流桿直徑下的流量值，經(jīng)仿真計(jì)算出流量值的變化見(jiàn)表2。

表2 不同擾流桿直徑的仿真流量數(shù)據(jù)Tab.2 Simulated flow data for different spoiler diameters

結(jié)果顯示擾流桿直徑在4mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量值為167.2L/s，擾流桿直徑為4.656mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量值為133L/s，當(dāng)擾流桿直徑為4.934mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量值為117.8L/s，由于擾流桿直徑的增加，漩渦之間的寬度在減小即漩渦脫落頻率在下降，由超聲波所測(cè)得的渦街頻率將會(huì)降低，從而導(dǎo)致氣體流量測(cè)量值下降。

2.1.2.2 擾流桿表面附著物高度對(duì)流量測(cè)量的影響

在上述仿真模型上，分別將擾流桿表面附著物的厚度設(shè)置為無(wú)(驗(yàn)證模型)、0.1mm和0.5mm，研究擾流桿表面附著物的厚度變化對(duì)流量測(cè)量的影響，經(jīng)仿真計(jì)算出流量值的變化見(jiàn)表3。

表3 擾流桿表面附著物高度變化的仿真流量數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation flow data of height change of attachment on spoiler surface

結(jié)果顯示當(dāng)擾流桿表面無(wú)附著物時(shí)，仿真流量計(jì)流量為167.2L/s，擾流桿表面附著物厚度到0.1mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量降低到129.2L/s，流量較無(wú)附著物時(shí)降低22.7%，當(dāng)擾流桿表面附著物厚度達(dá)到0.5mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量降低到98.8L/s，較無(wú)附著物時(shí)降低40.9%。通過(guò)仿真分析可以看出隨著擾流桿表面附著物厚度的增大，同樣造成漩渦脫落頻率不斷下降，從而導(dǎo)致氣體流量測(cè)量值下降，擾流桿附著物厚度越大對(duì)測(cè)量流量的影響越大。

2.2 擾流桿表面附著物對(duì)稀釋排氣流量檢測(cè)數(shù)據(jù)影響的分析

2.2.1 模擬積碳對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

使用碳素墨水均勻涂抹于標(biāo)定流量為165L/g的汽車(chē)排氣流量分析儀擾流桿表面，并吸附少量的粉筆灰，其結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果表明在模擬積碳的情況下，三次試驗(yàn)流量均有所降低，平均值降低11.7L/min，較清潔狀態(tài)下降低6.98%。

表4 涂抹碳素墨水加粉筆灰的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Alignment results of applying carbon ink and chalk ash

2.2.2 細(xì)線纏繞擾流桿后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

使用細(xì)線分別均勻纏繞于標(biāo)定流量為165L/g的汽車(chē)排氣流量分析儀擾流桿表面的上部、中部和下部，纏繞形狀如圖5～圖7，其數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果顯示，3種不同位置纏繞擾流桿后，在擾流桿中部纏繞細(xì)線，平均值降低19.5mL/min，較清潔狀態(tài)下降低11.8%，在上部和下部纏繞細(xì)線對(duì)流量測(cè)試并未造成太大的影響。

圖5 纏繞細(xì)線后的擾流桿(中部)Fig.5 Spoiler winding with a thin thread (center)

圖6 纏繞細(xì)線后的擾流桿(上部)Fig.6 Spoiler winding with a thin thread (Top)

圖7 纏繞細(xì)線后的擾流桿(下部)Fig.7 Spoiler winding with a thin thread (bottom)

表5 上、中、下部纏繞細(xì)線的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.5 Comparison results of the spoiler winding with a thin thread on top, middle and bottom

使用細(xì)線在擾流桿中部再次纏繞，繼續(xù)增加擾流桿的斷面寬度，纏繞形狀如圖8，其數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表6。結(jié)果顯示，纏繞雙層細(xì)線后測(cè)試流量平均值降低30.8L/min，較清潔狀態(tài)下降低18.6%，中部纏繞細(xì)線的寬度對(duì)流量的測(cè)試同樣有影響。

圖8 纏繞雙層細(xì)線后的擾流桿Fig.8 Spoiler lever after winding double thin thread

表6 單雙層纏繞細(xì)線的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.6 Comparison results between winding single and doublelayer thin thread

2.2.3 涂抹油脂后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

使用0.067 2g潤(rùn)滑脂均勻涂抹于名義流量為158L/g的汽車(chē)排氣流量分析儀擾流桿表面，其結(jié)果見(jiàn)表7。結(jié)果表明潤(rùn)滑脂涂抹后，流量測(cè)試數(shù)據(jù)明顯降低，平均降低26.4L/min，誤差達(dá)到16.94%。

表7 涂抹潤(rùn)滑脂的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.7 Comparison results data of application of grease

通過(guò)上述四組擾流桿表面粘黏附著物、改變擾流桿特征寬度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)：擾流桿表面粘附物越多、特征寬度越大，氣體流量結(jié)果數(shù)據(jù)越小，對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性影響越大，這與仿真模擬測(cè)試結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

仿真模擬研究表明：表面擾流桿附著物的污染會(huì)導(dǎo)致漩渦脫落頻率下降，使氣體流量測(cè)量值下降，從而直接影響機(jī)動(dòng)車(chē)排氣污染物的真實(shí)測(cè)量值。在實(shí)際測(cè)試中碳素墨水加粉筆灰、細(xì)線、油脂三種材料作為附著物粘黏于擾流桿時(shí)均導(dǎo)致測(cè)試氣體流量降低，并且擾流桿表面粘附物越多、特征寬度越大，對(duì)氣體流量測(cè)試結(jié)果影響越大。

在實(shí)際機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)工作中，擾流桿附著物的污染是很常見(jiàn)的情況，但是很少有檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)注意到擾流桿污染的問(wèn)題，即擾流桿污染將直接影響機(jī)動(dòng)車(chē)排氣污染物的真實(shí)測(cè)量值，尤其當(dāng)車(chē)輛真實(shí)排放值大于且接近限值時(shí)會(huì)出現(xiàn)不合格車(chē)輛通過(guò)合格檢驗(yàn)。因此，對(duì)氣體流量分析儀中擾流桿定期有效清潔對(duì)于保證機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性十分重要。