一种基于GPF再生碳烟层塌陷过程的CFD仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于GPF再生碳烟层塌陷过程的CFD仿真方法，包括在CFD仿真方法在结束时间步迭代步骤后还包括再生碳烟层塌陷过程判断步骤。本发明专利技术准确模拟塌陷过程造成的碳烟层厚度变化，提高预测精度。提高预测精度。提高预测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于GPF再生碳烟层塌陷过程的CFD仿真方法


[0001]本专利技术流体力学领域，具体涉及一种基于GPF再生碳烟层塌陷过程的CFD仿真方法。

技术介绍

[0002]随着汽车排放法规的日趋严格，对后处理系统的仿真精度提出了更高要求。针对最为高效的颗粒物过滤装置GPF，对其中累积碳烟的燃烧再生过程进行高精度CFD仿真，显得尤为重要。传统的GPF再生仿真方法，如参考文献Di Sarli,V.and A.Di Benedetto(2015)."Modeling and simulation of soot combustion dynamics in a catalytic diesel particulate filter."Chemical Engineering Science 137:69
‑
78.中记载：求解计算域内控制守恒方程与当地碳烟浓度标量方程，碳烟层与过滤壁面多孔介质的流动阻力在动量方程中以负源项形式体现，该流动阻力决定了GPF再生过程中流场分布，进而决定了燃烧过程的对流换热过程，最终影响再生温度与碳烟浓度分布规律。现有技术手段，如参考文献Serrano,J.R.,et al.(2013)."Packed bed of spherical particles approach for pressure drop prediction in wall
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flow DPFs(diesel particulate filters)under soot loading conditions."Energy 58:644
‑
654.，使用球形填充床假设计算多孔流动阻力，即碳烟层与过滤壁面由空间固定位置的球形颗粒填充而成，随着再生的进行，碳烟层微观结构参数如孔隙率、渗透率逐渐增大，表征流动阻力的变化。然而，研究表明GPF再生过程中流动阻力的变化更多受到碳烟层厚度的影响，而不是多孔微观结构，碳烟层燃烧过程中，由于碳烟消耗速率在空间分布不均，底层的碳烟结构过于“疏松”，无法支撑上层碳烟质量，由此产生的“塌陷”现象使得碳烟层厚度在很短的时间内大幅变化，进而改变再生特征，如前所述，现有的碳烟层球形固定床假设无法模拟此种塌陷现象，即无法模拟此种现象带来的碳烟层厚度变化，最终导致再生温度与碳烟消耗规律预测不准确，仿真结果无法指导GPF的设计与选型。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种基于GPF再生碳烟层塌陷过程的CFD仿真方法。
[0004]本专利技术针对传统CFD仿真方法无法模拟GPF再生过程中碳烟层塌陷导致的厚度减小，进而无法准确模拟温度与碳烟浓度分布规律的技术问题，提供一种基于C语言的耦合到基础CFD求解器中的碳烟层塌陷过程仿真方法，准确模拟塌陷过程造成的碳烟层厚度变化，提高预测精度。
[0005]本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于GPF再生碳烟层塌陷过程的CFD仿真方法，所述CFD仿真方法在结束时间步迭代步骤后还包括再生碳烟层塌陷过程判断步骤。
[0007]进一步，所述再生碳烟层塌陷过程判断步骤，包括：
[0008]判断塌陷标志位CF值，若为0，则进入碳烟层网格循环，若为1，则跳出网格循环，进入CFD仿真方法中的开始时间步迭代步骤；
[0009]进入碳烟层网格循环，设中心网格Cell
central
即当前循环网格，网格Cell
neighbor
为与之相邻网格，确定中心网格与相邻网格的相对位置关系，具体为：
[0010]若网格面是与其他计算域的交界面，则不存在碳烟质量交换，否则判断中心网格与相邻网格的相对位置关系，所述相对位置关系包括上下关系及左右关系，只有上下关系可能存在塌陷；
[0011]若中心网格与相邻网格属于上下关系，则继续判断是否满足塌陷条件，所述塌陷条件具体为：
[0012]场景1：上方网格孔隙率ε
neighbor
大于临界值ε
limit1
，表示碳烟结构过于疏松，无法支撑自身结构，同时中心网格孔隙率ε
central
大于临界值ε
limit2
，表示中心网格有足够的空间接纳塌陷碳烟质量；
[0013]场景2：上方网格孔隙率ε
neighbor
小于临界值ε
limit3
，表示上方网格具有足够大的塌陷趋势，同时中心网格孔隙率ε
central
大于临界值ε
limit4
，表示中心网格碳烟结构强度不足以支撑塌陷趋势；
[0014]场景1与场景2为或关系；
[0015]若满足塌陷，对于场景1加此限制条件，将导致程序无法跳出，陷入死循环，塌陷发生后，对于场景1，更新中心网格碳烟质量m
central_update
＝m
central_old
+m
neighbor_old
，更新相邻网格碳烟质量m
neighbor_update
＝0，对于场景2，更新中心碳烟质量m
central_update
＝0，更新相邻网格碳烟质量m
neighbor_update
＝m
neighbor_old
+m
central_old
，塌陷发生后，将塌陷标志位CF置1。
[0016]进一步，判断条件中的四个临界值孔隙率ε
limit1
、ε
limit2
、ε
limit3
、ε
limit4
分别取值0.95、0.5、0.7、0.92。
[0017]进一步，所述判断中心网格与相邻网格的相对位置关系，具体为：
[0018]计算中心网格的中心点及面中心点的单位向量；
[0019]计算连接网格中心与网格面中心的单位向量与垂直向下单位向量(0，
‑
1)点积，根据点积结果判断中心网格与相邻网格位置关系，若点积结果大于第一阈值，认为相邻网格在中心网格下方，若点积结果小于第二阈值，认为相邻网格在中心网格上方。
[0020]进一步，所述第一阈值及第二阈值分别为0.5及
‑
0.5。
[0021]进一步，采用C语言将上述方法耦合到CFD求解器中。
[0022]进一步，上方网格的孔隙率需满足小于1的条件，否则陷入死循环。
[0023]进一步，网格循环过程中，检测到至少一次塌陷发生，即将塌陷标志位置1，完成网格循环后，若该标志位置位置1，则认为仍有塌陷可能，继续进入网格循环，直到该标志位为0，认为碳烟层达到“致密”状态，结束本轮网格循环，进入下一个时间步迭代。
[0024]一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的CFD仿真方法。
[0025]一种计算机设备，包括存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GPF再生碳烟层塌陷过程的CFD仿真方法，其特征在于，所述CFD仿真方法在结束时间步迭代步骤后还包括再生碳烟层塌陷过程判断步骤。2.根据权利要求1所述的CFD仿真方法，其特征在于，所述再生碳烟层塌陷过程判断步骤，包括：判断塌陷标志位CF值，若为0，则进入碳烟层网格循环，若为1，则跳出网格循环，进入CFD仿真方法中的开始时间步迭代步骤；进入碳烟层网格循环，设中心网格Cell
central
即当前循环网格，网格Cell
neighbor
为与之相邻网格，确定中心网格与相邻网格的相对位置关系，具体为：若网格面是与其他计算域的交界面，则不存在碳烟质量交换，否则判断中心网格与相邻网格的相对位置关系，所述相对位置关系包括上下关系及左右关系，只有上下关系可能存在塌陷；若中心网格与相邻网格属于上下关系，则继续判断是否满足塌陷条件，所述塌陷条件具体为：场景1：上方网格孔隙率ε
neighbor
大于临界值ε
limit1
，表示碳烟结构过于疏松，无法支撑自身结构，同时中心网格孔隙率ε
central
大于临界值ε
limit2
，表示中心网格有足够的空间接纳塌陷碳烟质量；场景2：上方网格孔隙率ε
neighbor
小于临界值ε
limit3
，表示上方网格具有足够大的塌陷趋势，同时中心网格孔隙率ε
central
大于临界值ε
limit4
，表示中心网格碳烟结构强度不足以支撑塌陷趋势；场景1与场景2为或关系；若满足塌陷，对于场景1加此限制条件，将导致程序无法跳出，陷入死循环，塌陷发生后，对于场景1，更新中心网格碳烟质量m
central_update
＝m
central_old
+m
neighbor_old
，更新相邻网格碳烟质量m
neighbor_update
＝0，对于场景2，更新中心碳烟质量m
c...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟强，马晓茜，刘冠麟，龚金科，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：