Dieselpakokaasun hiukkaspäästöjen muodostumisprosessin simulointi

Abstract

Tämän diplomityön tarkoituksena oli kehittää ANSYS FLUENT -virtauslaskentaohjelmistoa varten malli, jolla voidaan simuloida dieselpakokaasun hiukkaspäästöjen muodostumisprosessia. Mitattujen hiukkaskokojakaumien ennustaminen mallilla vaatii nukleaationopeuden ja kondensoituvien kaasujen pitoisuuksien sovittamisen, mutta eri parametrien vaikutuksia muodostuneeseen jakaumaan voidaan tutkia jo sovitetun tilanteen ratkaisun perusteella. Mallin toimintaa tutkittiin vertaamalla simuloituja linja-auton ja henkilöauton hiukkaspäästöjä mitattujen kanssa. Linja-autosimulaatioissa havaittiin, että syntynyt hiukkasjakauma on hyvin herkkä pakokaasun rikkihappo- ja hiilivetypitoisuuksille, ja että suurin osa nukleaatiosta ja kondensaatiosta on tapahtunut 0.1-0.2 s aikana pakoputkesta poistumisen jälkeen. Vielä kauempanakin kaasufaasiin on jäänyt vielä suuri osa kondensoituvia kaasuja, mutta näiden nopea laimeneminen hidastaa kyseisten prosessien jatkumista eteenpäin. Henkilöautosimulaatiossa havaittiin, että eri mallien toiminta ja tulokset poikkeavat hieman toisistaan, mutta kaikkien tulokset ovat kuitenkin lähellä mitattuja tuloksia. Laivapäästöjen simulointiin nukleaationopeuden laskentaa olisi jatkokehitettävä laivapolttoaineiden suurien rikkipitoisuuksien vuoksi. Laboratorioskaalaisessa laimentimessa, joka voisi tuottaa samanlaisen hiukkasjakauman kuin vastaavassa todellisessa ulkoilmalaimenemisessa syntyisi, tapahtuva hiukkasten muodostumisprosessi ei matalan turbulenttisuuden vuoksi voi olla täysin samanlainen kuin ulkoilmatilanteessa. Tällöin kaasujen kulkemat jäähtymis-laimenemisreitit laimentimessa eivät vastaa ulkoilmatilanteen reittejä. Simulaatioiden perusteella laimentimen optimaaliset käyttöparametrit löytämällä voidaan kuitenkin tuottaa samanlainen hiukkasjakauma yksinkertaisellakin laimentimella. Turbulenttisella laimentimella hiukkasia muodostuu enemmän, mutta voimistunut seinämädepositio tulee haasteeksi.

The purpose of this Master's Thesis was to develop a model for ANSYS FLUENT CFD-software, which can be used to simulate the formation process of diesel exhaust particle emissions. To predict measured particle size distributions by the model, fitting of the nucleation rate and the concentrations of condensing gases is needed, but the effects of different parameters to the formed distribution can be examined by using the solution of an already fitted case. The functioning of the model was examined by comparing the simulated particle emissions of a bus and a passenger car with the measured ones. It was observed in the bus simulations, that the formed distribution is very sensitive to the concentrations of sulfuric acid and hydrocarbons in exhaust, and that the major part of nucleation and condensation is occurred within a time of 0.1-0.2 s after exhaust is released from the exhaust pipe. Even further, a high amount of condensing gases has still remained in the gas phase, but rapid dilution of these gases decelerates the continuing of these processes. It was observed in the passenger car simulation, that the functioning and the results of different models differ slightly, but the results are, however, near the measured ones. To simulate marine diesel emissions, the calculation of the nucleation rate should be developed further because of the high fuel sulfuric content of marine fuels. In a laboratory-scale diluter, which could produce a particle distribution corresponding to that formed in a real-world outdoor dilution case, the formation process of particles cannot be completely the same as in an outdoor case. In the laboratory case, cooling-diluting paths of gases in a diluter are different than in an outdoor case. According to the simulations, a similar particle distribution can, however, be produced even with a simple diluter if the optimal parameters for operating the diluter are found. More particles are formed in a turbulent diluter, but increased wall deposition will become a challenge.