基于FLUENT的新型GPF结构设计与参数优化

摘要：

为降低GPF流动阻力，设计一种由圆筒状泡沫金属相互嵌套和环形导流式封堵组成的新型CNDCP（Cylinder Nested and Diversion Channel Plug type）GPF，并分析结构参数对其压降和流场特性的影响.在CNDCP GPF外径和滤芯长度一定的条件下，滤芯圆筒嵌套层数越多，压力损失也越小；嵌套层数较多时，嵌套层数的增加对压力损失的降低程度不再明显；导流封堵截面形状为半圆形或等边三角形时产生的压力损失更小，同时半圆形截面导流封堵对滤芯内部流场均匀性指数的提高程度更大.

关键词：

GPF； 泡沫金属； 滤芯； 圆筒嵌套层数； 导流封堵截面形状； 压力损失； 流场均匀性指数

中图分类号： TK414.5

文献标志码： B

0 引 言

汽油机缸内直喷技术以其出色的动力经济性和瞬态响应能力而备受推崇，然而，由于汽油直接喷入缸内，油气混合时间短，以及燃油湿壁等因素造成排气颗粒物较多.GPF是降低颗粒物排放的有效装置.随着排放法规的日趋严格，对GPF的研究与应用成为必然趋势.[12]GPF不仅需要满足过滤效率高、寿命长等要求，而且流动阻力要小.滤芯是决定GPF性能的关键部件，因此滤芯的选材及结构设计极为重要.[3]传统滤芯材料一般采用堇青石和碳化硅等，这种滤芯过滤性能较好，但脆性较大，抗冲击性较差，在制作过程中只能一体式加工，次品率较高.泡沫金属是一种新型过滤材料，不仅具有高孔隙率、高渗透性、高比表面积、耐高温等良好的过滤性能，而且具有较好的抗冲击性能，更易加工，可弥补传统过滤材料的不足.[45]

本文设计一种由相互嵌套的泡沫金属圆筒和环形导流式封堵组成的新型CNDCP（Cylinder Nested and Diversion Channel Plug type GPF）GPF，旨在减小GPF的流动阻力、外形尺寸与整体质量，提高GPF过滤表面积，使结构紧凑.为分析CNDCP GPF滤芯内部流场分布和降低压力损失，利用FLUENT建立CNDCP GPF二维稳态流动模型进行模拟计算，研究滤芯嵌套层数和导流封堵截面形状等参数对CNDCP GPF压力损失和流场分布的影响，为新型CNDCP GPF后续结构设计优化提供依据.

1 CNDCP GPF结构设计

设计的CNDCP GPF滤芯实例见图1.

滤芯由4个泡沫金属圆筒嵌套而成，各圆筒两端平齐，圆筒间间隔封堵，封堵区域采用半圆形截面环状导流装置引导气流运动，并保证每一个环形孔道只有一侧被封堵.该结构使排气无法直接通过环形孔道到达滤芯另外一侧，而必须从孔道壁面泡沫金属微孔流过.当排气流过微孔时，大于微孔直径的颗粒物通过筛滤方式被过滤，小于微孔直径的颗粒物通过吸附等方式停留在泡沫金属微孔内部.

采用图1所示滤芯，设计CNDCP GPF整体结构，其剖面见图2，箭头所示为排气流动方向，其中，截面4到截面5为滤芯部分，截面2到截面3为扩张管部分，截面6到截面7为收缩管部分.排气从截面1进入，最后通过截面8进入排气管路中.在CNDCP GPF外径D1和滤芯长度L4不变的条件下，CNDCP GPF内部流场分布和压力损失主要受滤芯圆筒嵌套层数（圆筒层间距）和导流装置截面形状等影响.

2 数学模型

暂不考虑传热传质和发动机排气通道内压力波动的影响，假设排气在CNDCP GPF内部流动具有轴对称性，且排气在进入CNDCP GPF入口截面时流速分布均匀.选用图2模型的一侧截面生成二维网格，建立二维轴对称的稳态不可压缩流动模型，对CNDCP GPF内部流动特性进行初步定量分析.

2.1 流动控制方程

对于稳态不可压缩二维流动，描述流体运动的质量守恒方程和动量守恒方程如下，其中：下标i和j分别表示x轴和y轴方向.

2.2 湍流模型

排气进入CNDCP GPF时流速较大，流经扩张管、滤芯和收缩管时，由于直径的突然变化会产生漩涡运动，因此排气在CNDCP GPF内部属于湍流运动，故采用标准kε模型计算雷诺应力来封闭上述流动控制方程.该模型方程包括湍流动能k方程式和湍流动能耗散率ε方程式，即

式中：k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；μt为湍流黏度，μt=ρCμk2/ε；Gk为由速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；YM为可压缩湍流中过渡扩散产生的波动；C3ε为决定ε方程受浮力影响的项，由于浮力应力层垂直于重力速度，故C3ε=0.各项经验参数[6]见表1.

2.3 多孔跳跃模型

多孔跳跃模型本质上是单元区域的多孔介质模型的一维简化，具有很好的鲁棒性和收敛性.多孔跳跃边界条件用于模拟已知速度和压降特征的具有有限厚度的多孔介质层，气流通过多孔介质层的压力变化定义为Darcy定律与附加内部损失项的结合，即

式中：μ为排气黏性；α为多孔介质的渗透率；C2为压力跳跃因数；u为垂直于过滤介质表面的速度分量；DM为过滤介质层的厚度.其中，渗透率α和压力跳跃因数C2分别定义为

3 数值模拟及讨论

3.1 CNDCP GPF滤芯嵌套层数对压降的影响

建立嵌套层数分别为3，4，5和6的CNDCP GPF二维网格模型.在边界条件设置中，假设CNDCP GPF入口速度分布均匀，排气参数参考一台排量为2.0 L，额定转速为5 000 r/min的缸内直喷汽油机，考虑发动机在实际运转时的不同工况以及CNDCP GPF入口排气管径，选定入口截面排气平均流速分别为30，40和50 m/s，排气温度设定为750 K，排气密度为0.6 kg/m3.[7]出口边界按充分发展的流動处理，壁面按无滑移边界条件处理，过滤介质设置为多孔跳跃边界条件.

泡沫金属具有良好的渗透性，其渗透率α允许在较大范围内变化，一般为10-12～10-10 m2，孔隙率ε变化范围为70%～80%.泡沫金属加工性能良好，可根据需要加工为0.5～10.0 mm任意厚度，甚至更大厚度.[8]本文主要研究CNDCP GPF结构设计参数对整体压力损失的影响，因此选取固定的滤芯材料特性参数.参考常用的气体过滤材料的泡沫金属相关参数，本文的数值模拟计算中多孔介质材料参数设置为：孔隙率ε=0.75，厚度为2 mm，渗透率α=1×10-11 m2，对应的压力损失系数为

140 000 m-1.

假定当排气由图2中端面1流向端面8时气流方向为正向，由端面8流向端面1时气流方向为反向.不同嵌套层数CNDCP GPF在不同排气流速和气流方向时的整体压力损失模拟计算值见图3.排气流速对CNDCP GPF整体压力损失影響较大，排气流速越大，压力损失也越大.排气流速分别为30，40和50 m/s的条件下，气流方向为正向时CNDCP GPF整体压力损失均低于气流方向为反向时的压力损失.随着嵌套层数的增加，CNDCP GPF整体压力损失呈下降趋势，且随着嵌套层数的增加，CNDCP GPF整体压力损失下降的幅度逐渐减小.这是因为在CNDCP GPF外径和滤芯长度一定的情况下，随着滤芯嵌套层数的增加，层间距逐渐减小，虽然排气穿过过滤介质引起的压力损失有所降低，但由于过滤孔道窄小，排气通过过滤孔道时引起的沿程压力损失增大[9]，所以CNDCP GPF整体压力损失降低并不显著.

排气由图2所示端面1流向端面8时，CNDCP GPF整体压力损失较小，增加滤芯嵌套层数有利于降低整体压力损失.然而，随着CNDCP GPF滤芯嵌套层数的增加，滤芯产品的制作成本与制作难度也会增加，同时会使滤芯过滤圆筒层间距过小，导致排气过滤孔道窄小，随着颗粒物的堆积容易产生阻塞，降低过滤效率.因此，本文后续研究采用图2所示的4层嵌套滤芯结构，排气流动方向为端面1流向端面8.

3.2 CNDCP GPF滤芯导流装置的优化及影响

排气流入和流出CNDCP GPF滤芯区域时会产生速度的剧烈变化，从而引起较大的压力损失.合理设计滤芯出入口结构以引导气流运动，对降低CNDCP GPF整体压力损失至关重要.CNDCP GPF滤芯出入口局部压力损失主要来自于环形封堵区域，因此考虑在封堵区域加装导流装置优化流场.本文分别设计截面形状为半圆形和等腰三角形的滤芯导流装置，其中等腰三角形导流装置顶角β分别为60°，90°和120°，导流装置截面形状见图4.

a）无导流装置

b）半圆形截面导流装置

c）三角形截面导流装置

假设CNDCP GPF滤芯内部流体为轴对称，为研究导流装置对滤芯部分流场的影响，采用图4所示的CNDCP GPF滤芯一侧截面建立装有不同导流装置的滤芯二维模型.该模型包含3个排气入口孔道，假定从中心线向外依次为第一孔道、第二孔道和第三孔道.

在边界条件设置中，假设滤芯入口排气速度分布均匀，参考第3.1节所述缸内直喷汽油机在额定转速下的排气参数和CNDCP GPF滤芯入口直径，设定滤芯入口排气流速v=4.4 m/s，其余排气参数同第3.1节入口边界条件.出口边界按充分发展的流动处理，壁面按无滑移边界条件处理，过滤介质设置为多孔跳跃边界条件.考虑到导流装置的作用为改变流体流动方向，故在模型中将导流装置按固体边界处理.

3.2.1 压力损失分析

CNDCP GPF滤芯导流装置截面形状对排气进入和离开滤芯时产生的压力损失有重要影响.安装不同截面形状导流装置后CNDCP GPF滤芯入口径向压力分布见图5.由此可知，导流装置能明显降低CNDCP GPF滤芯部分压力损失.在本文研究的不同截面形状导流装置中，当截面形状为等边三角形，即顶角为60°的等腰三角形时，导流装置对滤芯部分压力损失的降低最大，达到约4.4%.三角形截面导流装置中，随着三角形顶角角度的增大，导流装置对CNDCP GPF滤芯部分压力损失的降低程度逐渐减小.半圆形截面导流装置对CNDCP GPF滤芯压力损失的降低也较为明显，且相较于60°三角形截面导流装置，滤芯入口压力分布更加均匀.

3.2.2 速度场分析

CNDCP GPF滤芯导流装置的作用主要是改变滤芯环形过滤孔道入口排气流速和方向，使排气平缓地进入过滤孔道，从而实现舒缓速度场的目的.本文考察安装不同截面形状导流装置的CNDCP GPF滤芯各孔道入口截面速度分布，见图6.由此可以看出，安装导流装置后CNDCP GPF滤芯各孔道入口中心区域附近排气流速有不同程度降低.图6a）和6b）中，等腰三角形截面导流装置对第一、二孔道入口速度的降低程度大于半圆形截面结构，且等腰三角形顶角角度越小，降低程度越大.图6c）中，CNDCP GPF滤芯第三孔道远离中心线的一侧为壁面流动，该孔道入口流速只受另一侧导流装置影响，安装导流装置可减小壁面流动一侧的气流速度，但另一侧流速略有增大.无导流装置时，CNDCP GPF滤芯第一、二孔道，即滤芯内侧孔道入口排气流速较大，但滤芯内侧孔道过滤表面积较小，从而增加内侧孔道过滤壁面的过滤压力.安装导流装置能够降低CNDCP GPF滤芯内侧孔道入口排气流速，使更多的排气进入过滤表面积较大的最外侧孔道，有利于排气的净化.

为进一步考察导流装置截面形状对CNDCP GPF滤芯过滤孔道内部速度场分布的影响，选取环形过滤孔道内部距孔道入口20 mm处截面进行研究，其径向流速分布见图7.

导流装置降低CNDCP GPF滤芯孔道内部最大排气流速，其中半圆形截面导流装置对各孔道内部最大流速降低最明显，导流装置截面形状为等腰三角形时，顶角越小，降低程度越大.

最大流速的降低使孔道内部流速分布更加均匀，有利于提高流场均匀性.为定量分析CNDCP GPF滤芯内部流场均匀程度，引入流场均匀性指数这一评价指标.流场均匀性指数一般采用WELTENS等[10]建立的评价载体流速分布特性的准则表示，即

式中：γv为均匀性指数，取值范围为0～1，γv越大说明流动越均匀，1表示理想均匀流动，0表示气流仅通过单个孔道；n为测算点数.

CNDCP GPF滤芯安装导流装置前后孔道内部流场均匀性指数见表2.

安装导流装置后，CNDCP GPF滤芯内部流场均匀性得到显著改善.半圆形截面导流装置对各孔道内部流场均匀性指数提高最明显，第一、二、三孔道分别提高约6.5%，6.2%和2.9%.在等腰三角形截面导流装置中，顶角角度越小，对流场均匀性指数提高程度越大.

4 结 论

通过建立CNDCP GPF二维稳态流动模型，并参考汽油机实际运转工况排气参数进行仿真计算，得到主要结论如下.

（1）滤芯嵌套层数越多，CNDCP GPF压力损失越小；随着嵌套层数的增加，嵌套层数对压力损失的减小程度逐漸减弱.

（2）顶角为60°的等腰三角形截面导流装置对滤芯压力损失的降低程度最大，半圆形次之；等腰三角形顶角角度越大，对滤芯压力损失的降低程度越小.

（3）导流装置可降低滤芯内侧孔道入口流速，截面形状为等腰三角形时降低程度最明显，且顶角角度越小，降低程度越大.

（4）半圆形截面导流装置对孔道内部流场均匀性指数提高最大；等腰三角形顶角越小，对流场均匀性指数的提高程度越大.

参考文献：

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（编辑 武晓英）

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