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旋转式连续微波再生微粒捕集器再生机理及结构优化研究

作　者: 王曙辉
导　师: 龚金科
学　校: 湖南大学
专　业: 机械工程
关键词: 柴油机微粒捕集器连续再生微波再生数值计算优化设计
分类号: U464.134
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着车辆保有总量的快速增加以及人们对生活环境的认识和观念的进步,车辆减排问题成为人们高度关注的热点和难点。微粒捕集器被认为是解决柴油机微粒排放最有效、最具发展前景的手段之一,但是微粒捕集器过滤体的再生难题成为了制约其大范围实用的关键因素。在目前所提出的主要再生方法中,微波再生技术因其具有加热迅速、均匀、能量利用率高、再生过程易于控制、再生窗口宽等优点被人们看好,但车载电池的负荷难以承受再生所需的微波功率之间的矛盾是制约该技术实用化的瓶颈。为此,本文以国家自然科学基金项目(50876027)“柴油机微粒捕集多孔介质的微波-铈锰基添加剂复合再生机理研究”、国家“863”项目子项(2008AA11A116)“新一代环保高效柴油机研发”和湖南省自然科学基金重点项目(06JJ20018)“车用微粒捕集器复合再生过程气粒两相流动与燃烧数值模拟”为依托,提出了一种新的微粒捕集器技术,即旋转式微波连续再生微粒捕集器技术,并采用数值计算和试验验证相结合的方法对旋转式微波连续再生微粒捕集器再生机理和结构优化进行了研究与分析,其主要工作和创新之处如下:(1)针对目前过滤体微波再生技术存在的问题,将传统微粒捕集器中的气流流动方向由轴流改为径流、过滤体由原来的整体非连续再生改为分区轮流连续再生,发明了一种具有良好实用前景的旋转式连续微波再生微粒捕集器。(2)建立了过滤单元流动特性阻力计算理论模型,模型可基于过滤体的孔隙率和平均孔隙直径直接计算其渗透率、惯性项系数,揭示了气流在多孔介质中流动的压力损失机理,具备对流体在多孔介质中渗流时的压力损失计算、非线性程度评估的功能,模型计算结果与试验吻合良好。得到了过滤单元阻力系数和压力损失表达式,指明了降低过滤体流动损失的方向。(3)考虑过滤体中微粒分布不均匀性、再生过程中气固两相之间的换热以及不同气流组分对过滤单元再生的影响等多方面的因素,建立了适于旋转式连续微波再生微粒捕集器过滤单元再生的三维数学模型,试验结果表明,该模型具有良好的精度,能用于过滤单元的捕集及再生计算。得到了再生时气流含氧量、流速、温度等气流特征等因素对过滤单元再生特性影响的规律。(4)建立了旋转式微粒捕集器过滤单元微粒捕集模型,揭示了过滤材料微观结构如孔隙率、平均孔隙直径,以及宏观结构如流体在过滤单元上的流动距离、渗流速度等因素对捕集效率及微粒物质空间分布等静态微粒捕集机理,研究了微粒含量、及微波功率大小对过滤单元再生特性影响规律。(5)根据过滤单元的再生特性和捕集特性,以及过滤体再生过程和捕集过程之间的关系,以柴油机排气流量、密度等参数为决策变量,以降低捕集过程流动损失为目标函数,以预设最低过滤效率为主要约束条件,以过滤材料的孔隙率、平均孔隙直径,以及过滤单元的外径、外径与内径之比、长度与直径之比、过滤单元数目为变量参数,建立了过滤单元结构最优化数学模型,得出了不同捕集效率要求下,维持过滤单元最低压力损失对应的最优结构。本文的研究为过滤体微波再生技术了提供新的突破方向,在柴油机微粒捕集器的实用化进程上迈出了关键的一步,一些研究结论不仅可作为旋转式连续微波再生微粒捕集器的设计依据和理论指导,也可为其他传统形式的微粒捕集器提供有价值的参考。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-52
  1.1 背景概述  16
  1.2 微粒物质的特征及对环境的影响  16-19
  1.3 柴油机微粒排放控制技术现状  19-26
    1.3.1 微粒排放机前处理技术  19-21
    1.3.2 微粒物质机内净化技术  21-24
    1.3.3 控制柴油机PM 排放的主要后处理技术  24-26
  1.4 柴油机微粒捕集器过滤体研究概况  26-31
    1.4.1 通流式过滤体  26-30
    1.4.2 壁流式过滤体  30
    1.4.3 复合基过滤材料  30-31
  1.5 微粒捕集器再生技术  31-36
    1.5.1 热再生  32-33
    1.5.2 催化再生  33-36
    1.5.3 机械式再生  36
  1.6 课题主要研究内容与意义  36-39
    1.6.1 主要内容  36-37
    1.6.2 课题研究意义  37-39
  第2章旋转式连续微波再生微粒捕集器发明概要  39
  2.1 问题提出  39-42
    2.1.1 过滤体排气阻力、过滤效率与径向尺寸之间的平衡问题  39-41
    2.1.2 现有车载储设备难以满足过滤体再生所需功率的矛盾  41
    2.1.3 不能连续再生的问题  41-42
  2.2 解决问题的思路及方法  42-48
    2.2.1 过滤体结构提出  42-43
    2.2.2 过滤体再生微波能量加载方式  43-44
    2.2.3 旋转式连续再生捕集器结构设计  44-46
    2.2.4 旋转式连续再生微粒捕集器系统设计  46-47
    2.2.5 旋转式微粒捕集器工作控制逻辑  47-48
  2.3 旋转式连续再生微粒捕集器特点  48-49
  2.4 旋转式连续再生微粒捕集器需要研究的关键问题分析  49-51
    2.4.1 过滤单元气流压力损失规律  49-50
    2.4.2 过滤单元微粒捕集特性  50
    2.4.3 过滤单元的微波再生特性  50
    2.4.4 再生过程与捕集过程之间的关系  50-51
    2.4.5 过滤单元的结构设计及优化  51
  2.5 本章小结  51-52
第3章过滤单元气流流动特征研究  52-66
  3.1 本章前言  52-54
  3.2 几何模型  54-56
  3.3 过滤体非线性流动理论分析  56-59
  3.4 模型验证  59-62
    3.4.1 试验装置及试验方法  59-60
    3.4.2 计算结果和试验结果对比  60-62
  3.5 模型适应范围讨论  62-63
    3.5.1 模型适应范围  62-63
    3.5.2 模型对微粒捕集器设计指导意义  63
  3.6 环柱形过滤体压力损失推导  63-65
  3.7 本章结论  65-66
第4章过滤单元微波再生数学模型  66-91
  4.1 本章前言  66
  4.2 物理模型及基本假设  66-67
  4.3 数学模型  67-75
    4.3.1 气相连续方程  67-68
    4.3.2 动量方程  68-70
    4.3.3 能量方程  70-73
    4.3.4 气体组分守恒方程  73-74
    4.3.5 基本方程组通式  74-75
  4.4 基本方程组参数确定  75-79
    4.4.1 反应速率  75-76
    4.4.2 对流换热系数  76-77
    4.4.3 组分扩散系数  77
    4.4.4 微波能量加载  77-79
    4.4.5 当地孔隙率处理  79
  4.5 边界条件及初始条件  79-80
    4.5.1 边界条件  79-80
    4.5.2 初始条件  80
  4.6 模型求解  80-90
    4.6.1 计算域离散  80-81
    4.6.2 方程组离散  81-85
    4.6.3 压力修正项  85-87
    4.6.4 算法实现步骤  87-88
    4.6.5 渗流中气固体两相处理  88-89
    4.6.6 线性方程组求解方法  89-90
  4.7 本章小结  90-91
第5章气流特征对过滤单元微波再生特性的影响  91-105
  5.1 本章前言  91
  5.2 数学模型试验验证  91-96
    5.2.1 计算对象  91-92
    5.2.2 模型验证参数输入  92-93
    5.2.3 试验设备  93-95
    5.2.4 计算结果与试验结果对比  95-96
  5.3 气流特征对再生特性影响  96-100
    5.3.1 气流含氧量对再生特性影响  96-97
    5.3.2 气流温度对再生特性影响  97-98
    5.3.3 气流速度对再生特性影响  98-100
  5.4 再生过程温度场分析  100-103
  5.5 本章小结  103-105
第6章微粒含量及微波功率对过滤单元再生特性的影响  105-118
  6.1 本章前言  105
  6.2 过滤单元的工作机理  105-111
    6.2.1 微粒捕集模型  105-108
    6.2.2 过滤单元上微粒质量分布规律  108-111
  6.3 微波发生器工作原理  111-112
  6.4 微粒含量对过滤单元再生特性的影响  112-115
    6.4.1 计算初始参数设定  112-113
    6.4.2 计算结果及分析  113-115
  6.5 微波功率对过滤单元再生特性影响  115-117
  6.6 本章小结  117-118
第7章过滤单元结构优化研究  118-138
  7.1 本章前言  118
  7.2 再生过程与过滤过程之间关系  118-122
    7.2.1 过滤单元数量对再生过程的影响  118-120
    7.2.2 过滤单元数量对再生时间的影响  120-122
    7.2.3 过滤单元数量对发动机排气背压影响  122
  7.3 过滤单元结构优化数学模型  122-128
    7.3.1 确定优化目标  122-124
    7.3.2 确定约束条件  124-128
    7.3.3 过滤体结构优化数学模型  128
  7.4 模型求解  128-135
    7.4.1 不确定约束的转换  128-129
    7.4.2 不确定目标函数的转换  129-130
    7.4.3 转换后的确定性优化问题  130-132
    7.4.4 近似不确定性优化问题的建立和求解  132-135
  7.5 计算结果及分析  135-137
  7.6 本章小结  137-138
总结与展望  138-141
  1 全文总结  138-140
  2 有待进一步研究的问题  140-141
参考文献  141-150
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及专利  150-151
附录B 攻读博士学位期间参与的课题  151-152
致谢  152

旋转式连续微波再生微粒捕集器再生机理及结构优化研究

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