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《湖南大学》 2009年
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壁流式柴油机微粒捕集器捕集及微波再生机理研究

刘云卿  
【摘要】:随着柴油机排放法规的日趋严格,壁流式微粒捕集器已成为降低柴油机微粒排放的必备装置。壁流式微粒捕集器的研究难点为稳瞬态捕集机理、微粒运动和沉积机理,以及再生机理。其中,稳瞬态捕集机理关系着其捕集效率的高低,并制约着其流动阻力的大小;微粒运动和沉积机理决定了微粒在其内沉积分布;再生机理决定着其再利用率的高低和使用寿命的长短。所以,对上述难点进行研究,具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文依托国家“863”项目子项( 2008AA11A116)“新一代环保高效柴油机研发”、国家自然科学基金项目(50876027)“柴油机微粒捕集多孔介质的微波-铈锰基添加剂复合再生机理研究”和湖南省自然科学基金重点项目(06JJ20018)“车用微粒捕集器复合再生过程气粒两相流动与燃烧数值模拟”,采用理论计算和试验验证相结合的方法,对壁流式微粒捕集器的稳态、瞬态捕集机理、微粒运动沉积机理,以及微波再生机理等4方面进行了研究。取得的主要成果如下: 1、基于填充床捕集理论和纤维捕集理论两种传统的捕集理论,推导并获得了两种壁流式微粒捕集器稳态捕集过程的数学模型。将两种模型的计算结果与试验结果、以及已有文献的计算结果进行对比,结果表明,基于填充床捕集理论建立的稳态捕集模型更适合描述壁流式微粒捕集器的稳态捕集过程。对该模型进行了数值求解,获得了排气特征参数和过滤体结构参数对不同粒径微粒稳态捕集过程的影响规律; 2、针对壁流式微粒捕集器深床捕集阶段和滤饼捕集阶段的捕集特点,首次提出了过滤壁面饱和度和微粒在过滤壁表面沉积效率等概念,从理论上推导了包括深床捕集和滤饼捕集两个阶段在内的完整的瞬态捕集数学模型,并通过试验验证了该模型在工程应用中是可行的。对该模型进行数值求解,获得了壁流式微粒捕集器的捕集效率和流动阻力的瞬态变化历程、微粒的沉积特性和过滤体结构参数的瞬态变化历程,以及排气特征参数和过滤体结构参数对瞬态捕集过程的影响规律; 3、建立了壁流式微粒捕集器内排气-微粒两相流动的模型;考察了从不同位置释放的不同粒径微粒的运动轨迹以及部分滑移和布朗运动对微粒运动轨迹的作用,研究了部分滑移、布朗运动、微粒粒径、过滤壁面渗透率和上游速度等因素对孔道内速度场和微粒在孔道内的沉积分布特性的影响;得到了支配微粒运动和沉积三种机理的主要作用范围,即:在任何情况下,流体拖拽力都占有统治地位;布朗运动和微粒惯性的作用效果分别与Pein数和Rep*数有关,当Pein数和Rep*数增大时,微粒惯性的作用效果增强,而布朗运动的作用效果减弱; 4、在考虑了沉积在过滤壁面内部的微粒量、沉积在过滤壁表面的微粒层分布的非均匀性,以及微波反射特性对再生特性影响的基础上,从理论上推导并得到了壁流式微粒捕集器的微波再生数学模型,将计算结果与已有文献的试验结果和本文的试验结果进行了对比,较为吻合。用该模型预测了堇青石和碳化硅两种过滤体的微波能流密度、过滤壁面温度、温度梯度、微粒层分布、过滤壁面孔隙率、渗流速度、再生效率和压力损失的瞬态变化规律,得到了微波源位置、排气特征参数、微粒负载参数、过滤体结构参数对微波再生性能的影响规律。 本文的研究工作不仅能为准确预测壁流式微粒捕集器的捕集性能、流阻性能和再生性能奠定了坚实的理论基础,而且能对优化设计壁流式微粒捕集器的结构参数和精确的控制壁流式微粒捕集器的微波再生过程,提供重要的理论指导。此外,本文的研究工作还对其它类型的微粒捕集器(如:通流式微粒捕集器)和其它类型的再生技术(如:电加热再生、喷油助燃再生)的研究,具有参考价值。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TK421.5

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