連接管對濾芯內氣體流動特性的影響研究

牟鳴飛，竇立壯，史 超，胡學超

（1.山東科技大學機械電子工程學院，山東 青島 266590；2.北京交通發展研究院，北京 100073；3.北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京 100191）

1 引言

柴油發動機憑借高熱效率、高可靠性和良好的燃油經濟性被廣泛應用為車輛動力來源。但柴油機的顆粒物（Particulate Matter，PM）排放會對環境和人類健康造成損害，目前僅使用依靠改善缸內燃燒技術降低PM排放的手段不足以達到嚴格的排放法規限制［1-2］。為了滿足越來越高的排放監管標準，柴油車后處理系統研究是汽車工業的研究重點。柴油車后處理系統，包括柴油車顆粒物過濾器（Diesel Particulate Filter，DPF）、柴油車氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）、選擇性催化還原器（Selective Catalyst Reduction，SCR）等，可以減少污染物排放，但也會造成高油耗和高壓降等問題［3］。在有限的空間內設計后處理系統，讓每個裝置發揮作用并降低壓降，是一項重要的工作。

整個系統的大部分壓降是由濾芯導致的，所以相關學者也側重于對濾芯的壓降研究。濾芯壓降一般由四部分組成：氣體流經過濾壁面和顆粒物沉積層產生的壓降、與孔道壁面的流動摩擦、氣體通過孔道入口和出口的收縮∕膨脹等。因此，降低濾芯壓降的研究也從多方面的開展，包括優化孔道結構、開發新的仿真模型和新材料、顆粒物沉積和壁面內的顆粒物流動等［4］。這些研究主要集中在濾芯材料研發和孔道結構優化上，其本質是改善流動均勻性和顆粒物分布。

然而，排氣管和濾芯之間的連接管也是影響氣體流入濾芯的關鍵部件。

直線型連接管由于管體的大擴張角，在氣流通過時容易導致邊界層分離，并在連接管內產生渦團，在連接管中，氣流受濾芯阻擋也會形成渦團，降低了流動均勻性。氣流通過濾芯內狹長孔道內時，孔道內黏性力會使氣體成層流狀態，壓力顯著下降，該區域的雷諾數通常不超過500［5］。最后氣流通過收縮管，進入出口排氣管。

在氣體流動均勻性方面，在傳統的直線連接管DPF中，氣流往往集中在濾芯中心區域，超過88%的流量通過不到53%的濾芯橫截面積，使用單極Sigmoid函數的流線型連接管，可以將流動均勻性提高約30%，并降低壓降約10%［6］。加強型斜側管（Enhanced Diagonal Cone，EDH）也得到了應用，與傳統連接管相比，EDH管可以使連接管壓降降低［6］。

不僅流動均勻性和壓降，再生溫度也受到連接管的影響。流量分布較好的濾芯在再生時的溫度梯度較低［7］。

不可否認，由連接管直接引起的壓降占總壓降的比值很小，但是優化管形結構會對進入濾芯的流動產生顯著影響，進而影響濾芯中的氣體流動均勻性和壓降。

這里提出將非均勻有理B 樣條（Non-Uniform Rational BSpline，NURBS）理論應用到連接管管型結構優化中，以提高流動均勻性、降低壓降。NURBS是連續性曲線曲面的設計方法，其降低流動阻力的積極作用在近幾年廣泛應用于復雜曲面的模擬網格化和制造，比如船舶設計（球鼻艏）和葉輪葉片等［8］。這里內容包括實驗驗證NURBS連接管對流動特性影響，并與仿真結果進行比較，以了解NURBS連接管在濾芯之前的氣體流動變化。

2 實驗分析

實驗設備，如圖1所示。實驗室中的壓縮空氣可以在壓力調節器的控制下（0～7bar）以不同的流量提供穩定的氣流。層流流量計與壓差傳感器和兩個壓力傳感器相連，通過讀取壓差，可以計算得到通過流量。經過一根長直管（長度為1m）后，氣體將進入連接管、濾芯，然后進入大氣。在濾芯的出口處，使用Prandtl管測量的濾芯出口速度。為了避免孔道壁對取樣的干擾，出口表面和數據采集位置之間的距離設為40mm，通過移位器來改變Prandtl管的取樣位置。所有的數據通過數據采集器采集并顯示在筆記本電腦上。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 The Schematic of the Experimental Setup

實驗中使用了兩個濾芯，一個是通孔式濾芯，直徑為90mm，長度為95mm，400 CPSI；另一個是一端封堵的蜂窩壁流式濾芯，直徑為104mm，長度為140mm，400 CPSI。使用的鋼管直徑分別為21mm和27.3mm。通過3D打印制作的6個連接管的參數，如表1所示。

表1 連接管的參數Tab.1 Parameters of the Cones

與直線型傳統連接管不同，NURBS連接管的設計是在Gambit中根據傳統連接管的仿真結果沿流線選點繪制。由于不同的速度可產生不同的流線，選定仿真的初始速度為16.5m∕s，以此為基礎進行NURBS 連接管設計。連接管側面型式，如圖2 所示。可以發現NURBS連接管體積更小。

圖2 連接管的形狀Fig.2 The Shape of the Cones

采樣點在濾芯出口截面垂直方向上每隔10mm設置一次，在水平方向上每隔2或4mm設置一次。壓力調節器通過控制壓縮空氣的壓力來提供不同的氣體流速。在比較連接管對流動均勻性的影響時，流量為常數。不同入口條件下的設置，如表2所示。

表2 實驗入口條件Tab.2 Experimental Entrance Conditions

壓降的比較，如表3所示。

表3 壓降的比較Tab.3 Comparison of Pressure Drop

在不同入口條件下，NURBS連接管的壓降均低于傳統連接管，最大降幅可達18%。壓降比是NURBS連接管的壓降除以傳統連接管的壓降值，該比值在不同的入口速度下降低趨勢不同，其中一個原因是NURBS曲線是在恒定入口速度下仿真設計的，可以發現在接近該入口速度（16.5m∕s）時，NURBS連接管具有最大壓降降幅。

3 仿真分析

主要研究常溫條件下濾芯內部的氣體流動特性，不涉及化學反應和熱效應，因此，質量和動量守恒方程足以描述這個問題。模型可以分為兩部分，濾芯內部分和濾芯外部分，相關文獻已經就兩部分模型進行了說明［9］。由于所研究的DPF為軸對稱結構，使用Gambit生成二維軸對稱網格，使用計算流體動力學軟件Fluent 18.0求解。對進口邊界設定為均勻進入，出口邊界設為充分發展，壁面絕熱、速度無滑移，計算采用simple算法和k-ε湍流模型；對濾芯計算區域使用當量連續法進行模擬。模型及求解的可靠性已經多方驗證［10］。

4 結果和討論

實驗獲取得到傳統連接管Cone 3和NURBS連接管Cone 4的濾芯出口的速度分布，如圖3所示（以Case 8和Case 11為例）。在出口的中心部分，NURBS連接管的最大速度都小于傳統連接管。在邊界位置附近的速度分布有較為明顯的差別。其他入口條件下也有相似的速度分布。實驗結果表明，NURBS連接管可以使流動更加均勻，特別是可以避免更多的流動只從濾芯中心部分通過。

圖3 連接管3和4的速度比較Fig.3 Velocity Comparison of Cone 3 and 4

因此可以得到一個初步結論：NURBS連接管可以改善氣體的流動均勻性。為了更好了解連接管對氣體流動的影響，需要結合實驗結果進行仿真分析，研究氣流在進入濾芯之前的變化情況，進而總結Cone 3和Cone 4存在差異的原因。

仿真得到的濾芯內距離入口10mm處橫截面上的速度分布，如圖4（a）所示。Cone 4靠近中心的速度值更小，靠近邊界的值更高，這使得NURBS連接管具有更好的流動均勻性。沿徑向位置，Cone 3的速度在三種工況下都在r∕R=0.2附近突變，但Cone 4沒有相同的變化，這是因為NURBS連接管是逐漸擴張的結構型式，壁面黏性力使氣流有更好的分布。

圖4 濾芯內外的速度變化Fig.4 The Changes of Velocity Along the Monolith

此外，速度值在r∕R=0.6 和0.8 之間有波動，特別是Cone 3。這是由邊界附近的渦團引起的。然而，在Case 10中有不同的變化，這意味著初始速度也可以影響湍流的形成。NURBS擴張使排氣管和濾芯之間平滑連接，并減少了湍流區，從而允許更多的氣流通過邊界位置，因此，NURBS連接管在靠近邊界位置有更高的速度。

從濾芯入口到濾芯后40mm的速度變化，如圖4（b）所示。濾芯入口和濾芯入口后10mm之間的巨大差異顯示了連接管中的流動變化。在入口表面上，由于濾芯的封堵，所以在r∕R=（0.3～0.7）之間存在大量徑向流。濾芯出口和濾芯內距入口10mm的速度分布完全相同，說明濾芯內部的流動是穩定的。此外，湍流區引起在r∕R=（0.6～0.8）之間附近的速度波動，與傳統的連接管Cone 3相比，NURBS連接管Cone 4沒有明顯的渦團區。連接管中的湍流情況，如圖5所示。

圖5 速度分布云圖（Case 13 and Case 16）Fig.5 Contour of Velocity Magnitude（Case 13 and Case 16）

在濾芯出口后40mm處與實驗結果并不完全相同，實驗結果中在靠近邊界的速度有一個峰值。這是由Prandtl管引起的誤差造成，由于Prandtl 管的直徑約為1.3mm，孔道直徑為1.1mm，當Prandtl管移動到邊界位置時，氣體流動會受到Prandtl管和移位架的干擾。

5 總結

通過實驗和仿真手段研究了連接管對氣體流動的影響。將NURBS理論應用到連接管的結構設計上，以此制作了不同尺寸的連接管進行對比實驗。

研究發現NURBS連接管的流線型擴張型式讓管內氣流受到壁面黏性力影響，使更多氣流沿管壁方向流向濾芯四周，由此可以改善濾芯中的流動均勻性，同時NURBS連接管可降低壓降最高幅度達18%。在不同速度條件下的NURBS連接管壓降的降低幅度并不相同，原因是NURBS連接管是在恒定的速度入口條件下制備的，不能夠完全匹配其他速度入口條件。如果要達到最好的效果，需要根據實際的初始條件進行設計。

此外，通過仿真分析了濾芯前的氣體流動狀況，NURBS連接管可以避免邊界層分離，產生較少的渦團區，降低了整體壓降。綜上所述，NURBS可以應用于DPF連接管的結構設計優化，并且NURBS可以節省更多的安裝空間。研究成果也可以應用到其他尾氣后處理系統上。