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湍流通道内柴油机排气微粒运动特性的研究

白振霄  
【摘要】:柴油机排气采样装置、排气再循环系统以及排气后处理装置中均存在微粒的运动。微粒在上述装置中的运动和沉降对微粒的测量、排气再循环系统的正常工作以及微粒的净化捕集具有重要的影响。湍流通道内柴油机排气微粒运动特性的研究对于加深柴油机微粒在排气通道中运动、沉降规律及其影响因素的理解具有重要的意义。 建立了湍流速度场和温度场计算模型,对速度场和温度场模拟结果进行了验证;在此基础上,对近壁处速度梯度和温度梯度的分布特征进行了分析;得到了入口速度和入口温度对近壁处速度梯度和温度梯度的影响规律。 对气固两相流模型进行了分析,确定采用颗粒轨道模型对柴油机排气微粒在湍流通道中的运动进行模拟;对微粒湍流扩散的模拟方法进行了分析,确定采用颗粒—涡相互作用模型模拟微粒的湍流扩散。对微粒相运动数值求解方法进行了分析,确定采用Gear算法对控制微粒运动的微分方程组进行求解。在上述工作基础上,建立了随机轨道模型和球形微粒运动学和动力学方程。对微粒在流场中受到的曳力、Saffman升力、热泳力、重力和浮力进行了计算分析,得到了不同粒径微粒受力的数量级关系;对球形微粒的运动规律进行了计算分析,得到了微粒受力对微粒运动轨迹的影响规律以及粒径和入口速度对微粒与流体间滑移速度的影响规律;对通道中微粒沉降速度的影响因素进行了计算分析,得到了微粒受力对微粒沉降速度的影响规律以及通道入口速度、入口温度、通道宽度及通道长度等对微粒沉降速度的影响规律。 建立了空间坐标系下椭球形微粒的运动学和动力学方程。在此基础上,对椭球形微粒在流场中受到的曳力、升力、热泳力、重力、浮力以及曳力力矩和布朗力矩等进行了计算与分析,得到了微粒形态(长短轴长比)对椭球形微粒受力和力矩的影响规律;对椭球形微粒的运动规律进行了计算与分析,得到了微粒形态对近壁处微粒浓度分布及运动轨迹的影响规律;对椭球形微粒的沉降速度进行了计算与分析,得到了微粒形态对微粒沉降速度的影响规律。 论文的研究成果可以为柴油机排气微粒沉降控制技术、微粒捕集净化技术等研究提供一定的理论依据。


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