柴油机微粒捕集器多孔介质过滤体失效辨析及抗失效机理研究

In this project, based on catastrophe theory and field synergy theory, a cusp catastrophe model of porous media filter of diesel particulate filter under the effect of regeneration thermal stress field is established using cusp catastrophe theory and also failure behavior of porous media filter is analyzed, which is combining numerical simulation optimization and experiments and on the basis of studying the characteristics of ash deposition coupling regeneration thermal stress in porous media filter of diesel particulates filter. To extend the service life of porous media filter, based on the analysis result of multi-filed parameters in the failure process of porous media filter of diesel particulates filter, multi-fields synergy theory was applied to analyze the synergy of velocity gradient, temperature gradient, regeneration thermal stress gradient and concentration gradient, then it's effects on ash deposition of porous media filter of diesel particulates filter is investigated to ensure flow field, temperature field, concentration field and regeneration thermal stress field are consistent with anti-failure performance of porous media filter, thus a method to porous media filter's anti-failure is put forword by synergism of fields(such as flow field, concentration field, temperature field, regeneration thermal stress field ). This research production not only provides an important theoretical guidance on the diesel emission control, but also provides an important reference value on protecting the environment and controlling mobile pollution sources.

本项目基于灾变理论和场协同理论，采用数值仿真优化与实验相结合的方法，在研究多孔介质过滤体内再生热应力场-灰烬沉积耦合特性基础上，采用灾变理论建立再生热应力场作用下微粒捕集器多孔介质过滤体失效尖点突变模型，辨析微粒捕集器多孔介质过滤体失效行为。为延长微粒捕集器多孔介质过滤体使用寿命，基于微粒捕集器多孔介质过滤体失效过程中多场参数特性分析结果，采用场协同理论分析速度场梯度、温度场梯度、再生热应力场梯度、浓度场梯度的协同性对微粒捕集器多孔介质过滤体中灰烬沉积的影响，确保各场(流场、温度场、浓度场、再生应力场)与多孔介质过滤体抗失效的性能提高协同一致，从而提出一种能从各场协同来有效控制微粒捕集器多孔介质过滤体失效方法。项目研究成果不仅对柴油机微粒排放控制具有重要的理论与学术价值，而且对移动污染源治理以及环境保护具有重要的参考价值。

本项目基于过滤壁面内灰烬深床沉积以及滤饼沉积规律和形态，运用球状单元填充床多孔介质物理模型，建立了过滤壁面内灰烬深床沉积和滤饼沉积数学模型，研究了壁面捕集单元尺寸和渗透率随灰烬沉积量和壁面深度的变化规律；考虑沉积灰烬层对热再生过程的影响，耦合过滤体孔道内气相质量、动量和能量守恒以及碳烟颗粒的质量守恒与壁面能量守恒方程建立了微粒捕集器热再生模型，得到了灰烬沉积下的再生热应力场；利用灾变理论建立了用于微粒捕集器多孔介质过滤体失效辨识的失效尖点灾变模型的判别式；设计了一种变孔道截面结构的微粒捕集器，并基于建立的微粒捕集器再生模型，分析了非对称孔道对微粒捕集器再生特性的影响；基于柴油机微粒捕集器瞬态复合再生机理，结合漩涡破碎燃烧模型和场协同数学模型对瞬态复合再生过程的速度矢量和温度梯度进行了场协同分析，得到了协同度最好时刻的再生窗口宽度；建立了过滤体灰烬沉积状态下捕集过程的数学模型，研究了灰烬沉积量、灰烬滤饼沉积分布对壁流式过滤体捕集过程的影响规律。综合考虑灰烬对过滤体捕集效率和流动阻力的影响可知，灰烬以堵塞段形式沉积在过滤体孔道内能够提高微粒捕集器灰烬容纳量。本项目共发表学术论文15篇，获得国家发明专利1项，培养了2名青年教师，2名博士研究生和3名硕士研究生。项目研究成果不仅对柴油机微粒排放控制具有重要的理论意义与应用价值，而且对汽油机微粒排放及其他的移动污染源控制具有重要的指导意义。