基于流固热多场耦合的柴油机DPF结构优化设计

PM emitted particulates from vehicles seriously pollute the environment and would also be detrimental to human health. Even though the particle trap DPF can effectively trap PM, it could lead to increased exhaust back pressure and engine performance deterioration, if the DPF structure is not designed properly. With regards to DPF design research, it is recognized as a key challenge to achieve high efficiency particle trapping and simultaneously low exhaust back pressure. Based on hydrodynamics, chemical reaction kinetics, thermodynamics, heat transfer theory and optimal design strategy, this study adopted fluid-solid heat coupled numerical simulation, combined with decomposition multi-objective evolutionary algorithm (MOEA/D) to optimize the key structure of DPF. The methodology is improved and verified through DPIV (Optics) and Engine Tests for the sake of solutions optimization. This work would go further to reveal the influence of engine operating conditions, DPF structure and regeneration strategy on particle trapping and its mechanism of action. By optimizing the design of the DPF, it is possible to efficiently collect PM with low exhaust back pressure and small thermal stress, thus providing a solid theoretical basis and application guarantee for China's diesel vehicle exhaust emissions to meet increasingly strict emission regulations.

汽车排放颗粒物PM严重污染环境和危害人类身体健康。颗粒捕集器DPF可有效捕集PM，但DPF结构设计不合理，也会增大排气背压，发动机性能恶化。同时达到高效率颗粒捕集与低排气背压是DPF设计研究的重点与难点。本研究基于流体力学、化学反应动力学、热力学、传热学和优化设计理论，提出采用流固热耦合的数值模拟，结合分解多目标进化算法（MOEA/D）优化DPF关键结构，通过DPIV(光学)及发动机试验改进并验证优化方案。本研究将深入揭示发动机工况、DPF结构及再生策略对颗粒捕集的影响规律及作用机理。通过对DPF优化设计，实现高效收集PM、低排气背压及低热应力，为我国柴油车尾气排放满足日益严格的排放法规要求提供坚实的理论基础和应用保障。

内燃机排放的颗粒物是对环境和人体危害最大的车辆排放物。颗粒捕集器DPF可有效捕集PM，被广泛应用。尽管国内外学者对DPF结构优化相关问题进行了广泛研究，由于设计过程十分复杂，极易引起发动机性能恶化等问题，目前高效率颗粒捕集与低排气背压仍然是DPF设计研究的重点与难点。本申请基于流固热多场耦合的柴油机DPF开展结构优化设计研究。(1)基于可视化快速压缩机试验平台开展了废气-PM两相流在发动机排气系统内的流动特性研究。结果表明，将湍流热射流作为分布式点火源，提高了燃烧速度，缩短了火焰传播距离，改善了燃烧特性。(2)基于主动再生实际物理过程建立多维耦合模型，开展了流固耦合作用下不同DPF结构对PM分布的影响研究。结果表明，所建立的DPF再生过程模型，准确获得了再生过程中不同位置的温度、压降随时间的变化以及孔道内离散相颗粒的运动轨迹与压降在空间上的分布。(3)基于新开发的DPF孔隙尺度数值计算模型，开展了基于热固耦合作用下不同结构DPF再生特性研究。结果表明，获得了不同初始运行参数及过滤器微观结构对碳烟捕集及再生燃烧过程中的气体单相流动、气固两相流动、传质、传热等传输特性的影响规律。(4)基于Pareto前沿的采样算法，开展了流固热多场耦合的DPF结构优化设计。结果表明，MCC准则有助于提高PF的分布多样性，对柴油机性能优化具有较强的适应性。(5)开展了优化后DPF在发动机上的试验研究，重点分析了颗粒物理化性质的影响。结果表明，探明了DMM-柴油混合燃料对商业柴油机的燃烧、排放性能和对颗粒物理化性质（包括颗粒物形态、结构参数、石墨化程度、表面含氧官能团）的影响，并且考虑外部工作条件（如不同转速，不同负荷）对DMM混合燃料的影响。本项目深入揭示发动机工况，为DPF结构优化及再生策略对颗粒捕集的影响规律及作用机理方面提供新的理论和技术，具有明确的工程指导意义和重要的学术价值和理论意义。