轿车尾流场对尾气扩散特性影响的数值仿真

【摘要】空气动力学直径在2.5μm以下的颗粒物是大气悬浮颗粒物中对环境和人体健康危害最严重的一类，已被各国纳入环境污染物清单中加以严格控制。2.5μm以下的颗粒物通常在燃烧和机械碾压等过程中形成，是汽车尾气排放污染物中的主要成分。研究直径在2.5μm以下的颗粒物的扩散和变化特性，已成为能源与环境技术领域中的难点和热点。由于汽车尾气的温度较高，目前难以直接测量尾气中颗粒物的组分和直径。因此，研究汽车流场特性对尾气排放超细颗粒污染物的扩散规律的影响，对环境保护和可持续发展具有重要的意义。本文研究主要分两个部分，第一将汽车尾气简化为单一的惰性气体，即采用示踪气体的方法进行数值仿真分析；第二考虑尾气颗粒物的成核、凝并/凝结、沉降等物理化学变化，采用数值仿真方法研究尾气在不同尾流场中的扩散特性。在第一部分的研究中，选用丙烷（C3H8）作为示踪气体，首先在不考虑侧风影响且行驶速度相同的条件下，研究不同车型对尾气扩散的影响特性，仿真结果表明尾气扩散主要受轿车尾流结构的影响，受尾部上洗气流的影响尾气在XY截面内主要向上扩散；受车身外侧高速气流的影响，扩散区域没有超出车身外轮廓；受尾部漩涡的影响在XZ截面内主要向车身外侧扩散；其次设定侧风风速为10m/s，对侧风条件下不同车型对尾气扩散特性的影响进行数值仿真分析，与无侧风条件下相比，明显变化的是尾气由原来向车身外侧扩散转向车身内侧，并且在水平面内的扩散区域范围最大；最后采用MIRA阶背式模型，研究不同行驶速度对扩散特性的影响，研究表明在一定范围内随着车速的提高扩散区域越大即有利于扩散。与此同时，本文采用阶背式MIRA模型进行风洞流态显示试验以及测压试验，尾气扩散特性以及车身表面压力系数都与仿真结果吻合。在第二部分的研究中，采用气溶胶模型（CTAG模型）考虑尾气颗粒的成核、凝并/凝结、沉降等一些列的物理化学变化研究扩散特性。首先进行不同车型对尾气颗粒物的扩散特性进行分析，得出在一定范围内稀释率越大越不利于成核的发生，湍动能对颗粒物成核起到促进作用的结论；然后研究不同行驶速度对颗粒物的扩散特性进行研究，表明车速的升高对颗粒物的成核以及碳烟颗粒成长都有一定促进作用；最后本文对侧风条件下颗粒物的扩散特性进行研究，结果表明侧风条件不利于尾气颗粒物成核的发生。
【作者】李修城；
【导师】刘海鹏；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】汽车空气动力学；数值仿真；尾流场；尾气扩散；

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