使用格子玻尔兹曼方法模拟高流速下壁流式过滤器中的颗粒结构重排与反应

《Fluids》：Simulation of Particle Structure Rearrangement and Reaction in Wall-Flow Filters at High Flow Velocities with Lattice Boltzmann Methods

　　

壁流式过滤器用于排气后处理系统以减少内燃机颗粒物排放。运行过程中，颗粒物在过滤器表面积累，形成一层逐渐增加流动阻力并因此增加压降的层。该层主要由可燃材料组成，但也含有惰性灰分。压降的增加导致过滤器再生的必要性。过滤器再生可能导致颗粒结构碎片在单个过滤器通道内重排，形成特定的灰分沉积模式，从而改变过滤器的压降、负载行为和分离效率。本研究通过使用湍流和反应模型扩展现有的解析颗粒方法，将研究推进到与应用相关的温度和入流速度条件，从而能够考虑温度对颗粒结构碎片的影响。研究人员详细研究了重排过程。结果表明，在高流速下，大多数气体在入流通道末端进入出流通道，导致压力尖峰。研究人员引入了一个碎片局部反应模型，并与实验结果定性吻合。这些模拟还显示，入流通道起始和末端颗粒之间的温差约为15 K，导致靠近入口处氧化更快。所提出的建模方法有助于评估沉积模式的形成及其对过滤器行为、发动机效率、燃油消耗和过滤器长期耐久性的影响。

**论文解读：使用格子玻尔兹曼方法模拟高流速下壁流式过滤器中的颗粒结构重排与反应**

**研究背景与问题**
随着全球对空气污染和温室气体排放限制的日益严格，内燃机排气后处理系统成为必要。壁流式过滤器（wall-flow filters）通过交替密封的入口和出口通道迫使废气通过多孔壁，实现颗粒物（particulate matter, PM）的高效分离（>95–99%）。运行中，PM在过滤器表面积累成层，增加流动阻力和压降，进而需要再生。再生过程中，颗粒层可能碎裂成离散片段（“soot islands”），这些片段可能脱离并迁移，形成特定的灰分沉积模式，影响过滤器的压降、负载能力和分离效率。现有实验虽能提供现象学洞察，但难以直接量化局部力、碎片轨迹、颗粒-壁相互作用及温度依赖的反应速率。数值模拟，特别是格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method, LBM），因其适合复杂几何和颗粒流动，成为补充手段。先前研究（Hafen等系列工作）逐步建立了LBM框架，但高流速（如10 m s^-1）下的稳定性及温度与反应的影响尚未充分解决。本研究旨在扩展解析颗粒方法，引入湍流模型以稳定高雷诺数模拟，并添加温度与反应模型，以模拟真实工况下的碎片重排与插塞形成过程。

**研究内容与结论**
研究人员通过LBM求解不可压缩纳维-斯托克斯方程（Navier–Stokes equations, NSE），采用大涡模拟（large eddy simulation, LES）Smagorinsky模型处理湍流，并引入温度格子求解对流-扩散方程（advection-diffusion equation, ADE）以计算颗粒温度，结合阿伦尼乌斯方程（Arrhenius equation）描述氧化反应速率。研究分为两部分：第一部分在高流速（10 m s^-1）和873 K温度下，分析碎片层破裂、脱附、运输及插塞形成；第二部分在模型滤芯通道实验中，对比模拟与实验的再生过程。结果表明，在高流速下，大部分气体在入流通道末端交叉进入出流通道，导致压力尖峰；插塞形成后有效缩短通道长度，但插塞密度与先前研究及文献值（Kimura等，Sappok等，Dittler等）一致。反应模拟显示，颗粒温度在入口端比末端高约15 K，导致入口端氧化更快，与实验定性吻合。压力损失随时间下降趋势被正确预测，但模拟中下降略早于实验。该建模方法有助于评估沉积模式的形成及其对过滤器行为、发动机效率、燃油消耗和长期耐久性的影响。论文发表在《Fluids》。

**主要关键技术方法**
1. **格子玻尔兹曼方法（LBM）**：用于求解NSE和ADE，处理复杂几何和多孔介质。
2. **大涡模拟（LES）Smagorinsky模型**：通过人工粘度稳定高雷诺数流动，Smagorinsky常数取0.1。
3. **温度格子与热传导耦合**：采用D3Q7或D2Q5离散格式，通过修改局部松弛时间设置不同热导率，求解颗粒温度场。
4. **阿伦尼乌斯反应模型**：基于Desens等对碳黑的实验参数（指前因子1.0×10⁵ s^-1，反应级数1，活化能162 kJ mol^-1），计算局部氧化速率和体积减小。
5. **离散接触模型**：处理颗粒-颗粒和颗粒-壁碰撞，并采用动能阈值标记静止颗粒以减少计算负荷。
模拟使用OpenLB 1.8软件，实验部分采用模型滤芯通道（烧结金属滤芯，过滤面积3 mm×120 mm，通道高度4 mm），烟灰由富燃丙烷燃烧生成（MiniCAST 6204C）。

**研究结果**
- **4.1 高流速下的重排（10 m s^-1）**
- **4.1.1 流动场与瞬态行为**：流线显示入流通道速度达60–100 m s^-1，出流通道速度较低。碎片脱落后，局部速度先升高后因死区形成而下降，压力随碎片聚集产生尖峰。最终，碎片在通道末端形成稳定插塞，压力降恢复至恒定值（约前段1/3处）。
- **4.1.2 插塞状态**：插塞密度在最后1/3通道达到约500 kg m^-3，与文献中灰烬插塞密度（100–500 kg m^-3）一致。轴向速度显示入流通道速度在末端急剧下降至零，压力尖峰出现在最大交叉点；插塞移动了压力尖峰位置，并降低有效通道长度。
- **4.2 反应**：模拟与实验（温度823 K，入口速度60 m s^-1）对比。模拟中碎片温度在入口端比末端高约15 K，导致入口氧化更快（与实验图6中入口先反应一致）。归一化压力损失随时间下降，模拟预测了快速下降但略早于实验（平均绝对误差MAE=0.067，均方根误差RMSE=0.100），可能因模拟中碎片立即开始减小。

**讨论与结论**
讨论部分指出，高流速下压力损失增加，但插塞密度与先前研究一致，且与文献中灰烬插塞值吻合。温度影响导致通道末端再生较慢，归因于末端高速气流通过多孔壁和颗粒层引起的强对流冷却。未来工作需引入实验衍生的碎片尺寸分布以改进瞬态重排和反应模型。
结论部分翻译：在本研究中，先前关于壁流式过滤器再生过程的研究被延续，重点关注真实工况。模拟使用OpenLB 1.8软件，作为Hafen等先前工作的续篇，本研究在不同温度、入流速度和反应影响下进行了类似研究。第一部分发现，高流速下总压降增加，但压力与速度并非线性下降，而是末端急剧变化；插塞形成及其影响与先前类似，有效通道长度缩短，但插塞密度未增加。第二部分扩展了解析颗粒模型，加入温度格子与反应耦合，并与实验比较表明，通道末端再生较慢，因为高流速通过多孔壁和颗粒层时的对流冷却更强。碎片尺寸演化和局部氧化速率的更详细验证尚需未来工作。