过滤单元形状对其微波再生特性的影响

摘 要：针对一种新型的柴油机微粒捕集器单元块旋转式的过滤体微波加热再生模型，采用数值模拟方法，对再生过程中过滤体壁面温度沿径向分布和过滤体单元的形状结构参数对微波加热再生过程的影响规律进行数值模拟研究.结果表明：过滤体壁面温度从外弧面向内弧面逐渐升高，且整个过滤体的峰值温度出现在内弧面；较小的过滤体圆心角将会缩短再生时间；较小的过滤体单元长度以及较小的过滤体单元厚度都可使再生时间缩短.

关键词：微粒捕集器； 过滤单元； 再生时间； 再生效率； 数值模拟

中图分类号：TK421 文献标识码：A

柴油机以其良好的动力性、经济性和可靠性而广泛地应用于各种机械装置.然而，柴油机与同等功率的汽油机相比，微粒与NOx是其排放中的两种最主要的污染物，尤其其微粒的排放甚至达到汽油机的30～80倍＼[1＼].随着柴油车排放标准的日趋严格，仅靠机内净化技术已不能满足日益严格的排放法规，必须同时采用机内净化技术和后处理技术.微粒捕集（DPF）是解决柴油机微粒排放污染最有效和最具有前景的后处理技术之一.在DPF技术研究中，过滤体材料的研究已经有了多年的发展，相对于捕集材料而言，捕集器再生技术的研究稍微滞后＼[2-4＼]，而且一直以来，有关过滤体的再生技术也是众多学者的重要研究课题之一＼[5-6＼].

影响过滤体再生的因素比较多：微粒的沉积量，过滤体体内气流速率和压降以及过滤体结构都可能对再生过程有着不同程度的影响＼[7-10＼].目前，微粒沉积量和气流特征对再生影响的研究较多，但对过滤体结构对再生过程影响的研究较少.因此，本文通过数值模拟方法对龚金科＼[11＼]等提出的新型的微波加热再生方式的工作过程以及其过滤体单元结构参数对再生过程的影响进行研究.该模型把传统的圆柱形过滤体分割为几个相互独立的单元结构，并使气流从径向流入，而从轴向流出.目前微波发生器的功率一般是由车载电池和电动机所提供的，但现有的车载储能设备的储能容量和车载电池一般都较小，因此微波发生器的功率就受到车载电源的限制.由于该模型只有一个再生腔，当其中一个单元达到预定的背压时，就将其送入再生腔进行再生，每次所需要的微波能量就要比传统的大为减少，是一般车载电池所能承受的.当其中一个再生时，剩下的单元继续承担发动机尾气的过滤任务，当该单元再生完成之后，由连接着的步进电机带动微粒捕集器旋转，将相邻的下一个过滤单元送入再生腔中进行再生，这样，依此类推，从而实现微粒捕集器的连续再生.通过此研究以期为旋转式连续微波加热再生微粒捕集器再生过程的优化提供理论依据.

1 物理模型

微波加热不同于其他外部热源加热方式，它是根据分布在某空间的物质对微波能量的吸收而进行的体积加热.同时，微波具有选择性加热，一般情况下，碳烟对微波的吸收能力要远高于过滤体介质本身＼[12＼].过滤体模型的结构简图如图1所示.

单元再生的描述：结构单元再生时，含有碳烟微粒的多孔介质置于再生腔中，具有一定温度和速度的气流从过滤体单元的外弧面沿径向方向导入，同时微波也从径向方向嵌入，气流一方面带来燃烧时所需要的氧气，另一方面，它与微粒以及过滤体骨架之间进行传热和对流换热，并将燃烧产生的热量沿径向方向传播.在微波进入再生腔后，捕集到的微粒吸收微波所带来的能量，升温，燃烧，一直到燃尽，再生结束.

（a）整体结构模型

（b）独立单元模型

D过滤体外径；d过滤体内径；L过滤体长度；

过滤体圆心角；A过滤体厚度；A1过滤体内计算

截面径向厚度；f模型的中间截面

过滤体的热再生实际上是一个在多孔介质中具有气体流动及微粒燃烧的多维传热传质现象.因此对模型再生过程作如下假设：

1）再生时，虽然燃烧放热使温度很快升高，但过滤体的几何尺寸、形状结构等微观参数不随温升而发生改变.

2）燃烧时，各气体的基本性质保持不变，同时满足理想状态方程.

3）在模拟再生过程中，碳烟微粒由纯碳组成，根据碳的燃烧理论，存在：C+O2=CO2，2C+O2=2CO，C+CO2=2CO三个反应.

4）微粒在沿径向方向按一定的规律分布，即在相同半径的弧面上，微粒是均匀分布的.

5）过滤体单元结构与其四周壁面之间满足绝热的边界条件.

2 数学描述

2.1 气相连续方程

根据质量守恒定律，流场中任意形状的一个控制体中流体质量对时间的变化率与流经该控制体表面的净流量在数值上完全相等.取其中一个微元六面体流块作为控制体，则在流动过程中，流体质量增加量与反应后各产物的总质量相等：

ρt+·ρ·=∑sWs.（1）

式中：ρ为气流密度，为气流速度，Ws为微粒在反应中的燃烧速率.

2.2 气相动量守恒方程

根据动量守恒方程可知，微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用于该微元流体上的各种力之和.

D（ρ·ui）Dt=-PXi+Xj[u（uiXj+ujXi）]+

Si+∑SWSui. （2）

式中：i表示方向，P表示单元上所受的压力，Si为单元体流动时所受的体积力.

2.3 气相能量守恒方程

对于气相来说，根据热力学第一定律和雷诺输运定理以及连续性方程可知，气相能量守恒方程为：

t（ρcpsT）+xj（ρVjcPT）=xj（λaTxj）+

wSQs+acHc（Tc-T）+afHf（Tf-T）.（3）

式中：λ为导热系数，cp是比热，Qs为反应热值，c，a，f分别表示微粒物质、气流、过滤体.

2.4 组分守恒方程

t（ρs·Ys）+xj（ρs·Ys·uj）=

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