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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

王曙辉

  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。……   
[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
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:湖南大学2010年