基于三维热格子Boltzmann方法的壁流式CDPF传热研究

作     者：吴春睿 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张铁臣;刘晓日

授予年度：2022年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：催化型颗粒捕集器 格子Boltzmann方法 孔隙尺度 多孔介质 流动传热 

摘      要：柴油机颗粒捕集器利用多孔介质壁面将颗粒物过滤,是行业公认的降低机动车污染物最有效装置之一。但随着装置的长期工作,颗粒物会在过滤体内大量积累,影响机动车性能。为使颗粒物能够在正常排气温度下氧化燃烧,在过滤体表面涂覆催化剂,形成具有被动再生能力的催化型颗粒捕集器。为进一步明确催化型颗粒捕集器在孔隙尺度下流动传热机理,本文使用格子Boltzmann方法对三维重建的催化型颗粒捕集器多孔介质壁面进行流动传热及氧化再生模拟研究。首先,为构建研究所需多孔介质结构三维模型,对催化型颗粒捕集器过滤壁面切割制样,并使用Micro-CT扫描仪进行扫描,再三维重建过滤壁面多孔介质结构模型。编写格子Boltzmann程序并加载结构模型,为确保编程的准确性与正确性,进行了网格无关性验证和程序验证。在本文模拟研究中,均选用格子Boltzmann方法中的D3Q19离散速度模型。模拟研究内容主要包括:(1)不同孔隙率、渗透率、孔隙分布和进气速度对催化型颗粒捕集器内白载体多孔介质结构流动传热的影响;(2)不同颗粒层参数、孔隙率、平均速度对催化型颗粒捕集器内加载颗粒层的多孔介质结构流动传热的影响;(3)不同颗粒层参数、孔隙率、平均速度对催化型颗粒捕集器内加载颗粒层的多孔介质结构在氧化再生时传热的影响。最后,模拟结果表明:(1)白载体多孔介质结构中,在同样进气速度下,结构孔隙率越大,多孔介质入口端平均速度越大;在多孔介质入口端,会因速度摩擦产生温升,温升会进气速度的增加而增大;在多孔介质内部流动时,多孔介质内部孔隙分布越均匀,平均速度变化越小。(2)加载颗粒层的多孔介质结构中,颗粒层对多孔介质上方速度场有削弱作用,随着颗粒层孔隙率降低,削弱作用增强;削弱作用会使多孔介质入口端温升减小,当颗粒层孔隙率降低,速度摩擦加剧,温升增大;在不同结构加载了同一颗粒层时,多孔介质入口端平均速度仍由结构的孔隙率决定,孔隙率越大,多孔介质入口端平均速度越大;多孔介质入口端平均速度越大,速度摩擦产生的温升越大。(3)加载颗粒层的多孔介质结构氧化再生时,在多孔介质入口端产生温度峰值,随着颗粒层孔隙率降低,氧化再生时温度峰值上升;在不同结构加载了同一颗粒层时,多孔介质的平均速度最小值越小,高温越易堆积在多孔介质入口端,温度峰值就越高。