柴油機顆粒物捕集器內(nèi)部流場的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2406柴油機顆粒物捕集器內(nèi)部流場的仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析案例 116771.1DPF三維模型的建立與導(dǎo)入 1276301.2有限元件模型的建立 2113251.3邊界條件和求解設(shè)置 3177071.4仿真結(jié)果分析 6110671.4.1不同孔隙率對內(nèi)部流場的影響 6274381.4.2不同擴張角/收縮角的影響 1217551.4.3不同長徑比的影響 15本設(shè)計采用ANSYS中的FLUENT對顆粒捕集器DPF進行仿真分析，首先運用UG對其進行三維建模，將建好模型導(dǎo)入DesignModeler后，用MESH對三維模型劃分網(wǎng)格，再用Setup設(shè)置載體的孔隙率、粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，然后用CFD-Post對DPF內(nèi)部流場進行壓降分析和速度分布的分析，最后分別以顆粒捕集器的擴張/收縮角、載體長徑比和孔隙率為變量進行結(jié)構(gòu)分析，并根據(jù)結(jié)果對DPF殼體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。1.1DPF三維模型的建立與導(dǎo)入DPF的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)初步選取長徑比為0.85、排氣進出口的擴張角/收縮角為45°，具體尺寸見表2.1、2.2，由此可在UG中建立DPF的三維模型。圖1.1DPF三維模型在UG中將模型以Parasolid形式導(dǎo)出之后，打開ANSYSWorkbench，在工具箱中選擇Fluent，選擇在DM中導(dǎo)入Geometry。圖1.2導(dǎo)入后的三維模型1.2有限元件模型的建立顆粒捕集器裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔道尺寸較小，孔道數(shù)多增加了劃分網(wǎng)格的難度，為了提高計算的速度和精確度，在建模時必須進行簡化。DPF的載體為多孔的蜂窩陶瓷載體，壁厚較薄，孔道的縱橫比較大，流體在其中的運動近似于層流運動，在工程計算中常用多孔介質(zhì)模型模擬流體滲透問題，因此計算時載荷簡化為多孔介質(zhì)模型[35]。根據(jù)DPF的三維模型，在ANSYSMESH中對其進行命名選擇：模型的進氣口設(shè)置為inlet，出口設(shè)置為outlet，將DPF載體部分設(shè)置為porous。然后在左側(cè)導(dǎo)航Mesh中選擇Insert—Method插入離散方法進行網(wǎng)格劃分，點擊GenerateMesh，最終得到有限元模型，如下圖1.3所示：圖1.3有限元模型1.3邊界條件和求解設(shè)置物理模型的選擇這里只考慮流體運動，不涉及化學(xué)反應(yīng)和能量，因此對DPF模型做出以下三點假設(shè)[35]：①此時的載體內(nèi)部的氣體沒有考慮到溫度和能量，因此氣體狀態(tài)參數(shù)不變；②載體內(nèi)部氣體流速較低，可視為層流運動；③DPF內(nèi)部的流體壓力比較低，氣體可視為不可壓縮氣體。根據(jù)這三點假設(shè)，求解物理模型選擇K-e方程模型，如下圖1.4所示：圖1.4K-e方程對于多孔介質(zhì)而言，重要的參數(shù)是孔隙率，它體現(xiàn)在截面上流通面積占總面積的比例?？紫堵实脑O(shè)置方法為：在Fluent中的單元區(qū)域條件中可以看到我們之前命名的porous，打開之后選擇多孔區(qū)域，下拉可以看到孔隙率的設(shè)置，值得注意的是，孔隙率更改的時候，隨著更改的還要有粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，三者計算公式如下：（3-1）（3-2）式中，α為粘性阻力系數(shù)（1/m2），ε為孔隙率本次取0.3，Dp為微孔平均直徑，一般取15-20μm,這里取18μm，C2為慣性阻力系數(shù)（1/m）。通過計算，最終設(shè)置如下圖1.5所示：圖1.5孔隙率設(shè)置邊界條件本設(shè)計采用速度入口壓力出口。根據(jù)所選柴油機濰柴WP11.500E501具體參數(shù)進行計算，選擇工況為額定轉(zhuǎn)速1900rpm，則入口處的速度計算如下：（3-3）式中V為入口處的速度（m/s），n為額定轉(zhuǎn)速（r/min），D為入口內(nèi)徑（m），計算得出V為70.43m/s。出口與大氣聯(lián)通，所以出口壓力取大氣壓值101325pa。在Fluent中的邊界條件中可以看到我們之前命名的inlet，打開之后在速度大?。╩/s）一欄填上求出來的速度70.43，如下圖1.6所示：圖1.6入口速度設(shè)置在Fluent邊界條件中打開outlet，設(shè)置出口壓力，如下圖1.7所示：圖1.7出口壓力設(shè)置計算初始化之后，在運行計算處設(shè)置迭代次數(shù)就可以開始計算，這里設(shè)置迭代次數(shù)為500次，如圖3-8所示：圖1.8迭代次數(shù)設(shè)置計算結(jié)束之后會得到殘差曲線：圖1.9殘差曲線1.4仿真結(jié)果分析1.4.1不同孔隙率對內(nèi)部流場的影響保持顆粒捕集器的長徑比0.85、擴張角/收縮角45°不變，分別更改壁流式蜂窩陶瓷過濾體孔隙率為30%、40%、50%、60%、70%，通過比較不同孔隙率對顆粒捕集器內(nèi)部流場壓力、速度的影響，來確定壁流式蜂窩陶瓷的最佳孔隙率。壓力云圖的比較圖1.10孔隙率30%-壓力云圖圖1.11孔隙率40%-壓力云圖圖1.12孔隙率50%-壓力云圖圖1.13孔隙率60%-壓力云圖圖1.14孔隙率70%壓力云圖由圖1.10至1.11可明顯看出，廢氣自DPF進氣口至出氣口云圖顏色從紅色一次轉(zhuǎn)變?yōu)槌壬?、黃色、綠色和藍色，壓力逐漸降低，經(jīng)探查孔隙率與壓降的對應(yīng)變化值如下表3-1：表3-1孔隙率與壓降變化孔隙率壓降（pa）30%6688777540%3099427550%1228367560%463369570%1688455可以看出隨著孔隙率的增大，流體壓降逐漸降低，在孔隙率由30%往上增大時對流體壓強降低的作用越來越低，壓降越小汽車的排氣阻力也就減小，對汽車的動力性而言排氣阻力自然越小越好，但是孔隙率增大到某一值時會降低顆粒捕集器對顆粒的捕集作用，催化時間變短，壁厚變薄，縮短過濾體的使用壽命，所以取孔隙率時應(yīng)綜合考慮，平衡得失。速度云圖的比較圖1.15孔隙率30%-速度云圖圖1.16孔隙率40%-速度云圖圖1.17孔隙率50%-速度云圖圖1.18孔隙率60%-速度云圖圖1.19孔隙率70%-速度云圖由圖3-15至圖3-19所示的速度云圖可知，顆粒捕集器的出入口流體速度總是大于中間過濾體的流速，且出口流速總是稍大于進口流速，這是由于截面突然變小導(dǎo)致的，過濾體內(nèi)部流體流速應(yīng)盡量均勻，從速度云圖來看孔隙率50%表現(xiàn)的很好，綜合進出口的壓降，本設(shè)計決定采用孔隙率50%。1.4.2不同擴張角/收縮角的影響保持載體的長徑比0.85和選定的50%孔隙率不變，更改擴張角/收縮角為30°、45°、60°，分析不同擴張角/收縮角對DPF內(nèi)部流場壓力特性和速度特性的影響。壓力云圖的比較圖1.2030°擴張角/收縮角角壓力云圖圖3-2145°擴張角/收縮角壓力云圖圖1.2260°擴張角/收縮角壓力云圖由圖3-20至3-22所示可以看出來，DPF的壓力仍然是沿著氣流方向遞減，其中高壓區(qū)集中在擴張管附近，這是截面突然變大的緣故，前文已經(jīng)提到：DPF前后的壓降應(yīng)盡量小，以減小排氣阻力，經(jīng)探針探查，不同擴張角/收縮角與其對應(yīng)的壓降如下表3-2所示：表3-2不同擴張角/收縮角的壓降擴張角/收縮角（°）壓降（pa）301193757545122836756012394175從表3-2中可以看出，擴張角由30°至90°時壓降在遞增，我們當然希望壓降越小越好，壓降越小排氣阻力就越小，因此在這方面30°最佳，但最終選擇我們還要考慮DPF的速度特性。速度云圖比較圖1.2630°、45°、60°擴張角/收縮角入口處速度云圖圖1.2330°擴張角/收縮角速度云圖圖1.2445°擴張角/收縮角速度云圖圖1.2560°擴張角/收縮角速度云圖從圖3-23至圖3-25我們可以看出來出入口處的流體速度依然是最大的地方，且出口處的速度大于入口處的速度，30°、60°擴張角/收縮角速度云圖中明顯出現(xiàn)了氣壁分離的現(xiàn)象，與前文一樣，我們希望通過過濾體流體的速度越均勻越好，綜上，本設(shè)計決定選用45°擴張角/收縮角。1.4.3不同長徑比的影響DPF在保持擴張角/收縮角在選定的30°、孔隙率50%不變的情況下，更改DPF的載體長徑比分別為0.75、0.85、0.95、1.0，對其進行內(nèi)部流場仿真分析，通過其壓力云圖和速度云圖選出最佳長徑比，使內(nèi)部流場速度分布均勻，壓力損失盡可能小。壓力云圖比較圖1.27長徑比0.75壓力云圖圖1.28長徑比0.85壓力云圖圖1.29長徑比0.95壓力云圖圖1.30長徑比1.0壓力云圖各長徑比對應(yīng)的壓降值如下表3-3所示：表3-3長徑比對應(yīng)的壓降值長徑比壓降（pa）0.75108812750.85122836750.95137650751.014580275由圖1.27至圖1.30和表3-3可知：隨著長徑比的增加，入口處的壓強逐步增加、PDF的壓降也隨之增加，所以，與之對應(yīng)的排氣阻力也就越來越大。速度云圖的比較圖1.31長徑比0.75速度云圖圖1.32長徑比0.85速度云圖圖1.33長徑比0.95速度云圖圖1.34長徑比1.0速度云圖由圖3-31至圖3-34可以看出來，長徑比0.85速度云圖在擴張管處的速度最均勻。綜合壓降，本設(shè)計決定采用DPF載體的長徑比為0.85。最終確定的顆粒捕集器的殼體和過濾體的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如表3-4和3-5所示：表3-4殼體