淺析流量計(jì)擾流桿污染對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣測(cè)試結(jié)果的影響

張曉義,李 偉,邱永生,王永忠

(1.成都市機(jī)動(dòng)車排氣污染防治技術(shù)保障中心，成都 610066; 2.西華大學(xué)，成都 610097)

前 言

隨著近年來機(jī)動(dòng)車保有量不斷增加，機(jī)動(dòng)車污染已成為城市空氣污染的重要來源，特別是北京、成都等機(jī)動(dòng)車保有量大的城市。機(jī)動(dòng)車尾氣污染作為城市大氣臭氧和細(xì)顆粒物形成重要的前體物貢獻(xiàn)源，是導(dǎo)致城市地區(qū)污染的一個(gè)主要環(huán)境問題。機(jī)動(dòng)車尾氣是大氣CO污染的主要來源之一，也是揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)和氮氧化物(NOX)的重要來源，導(dǎo)致光化學(xué)煙霧和地面臭氧(O3)的形成。機(jī)動(dòng)車尾氣排放還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境空氣中二氧化硫(SO2)以及顆粒物(PM)的濃度上升[1～3]。相關(guān)研究[4]表明成都市機(jī)動(dòng)車保有量由2010年259萬輛增加到2019年576萬輛，平均每年增長(zhǎng)率達(dá)到9.3%，基于清單法計(jì)算得到的2019年機(jī)動(dòng)車SO2、NOX、CO、PM2.5和VOCs的排放量分別為0.21、4.63、0.27、11.58和1.7萬t。近年來成都市源解析研究表明成都市城區(qū)VOCs來源主要由移動(dòng)源貢獻(xiàn)[5]，汽油車和燃燒源VOCs貢獻(xiàn)占比超過40%，是成都市城區(qū)VOCs的重要來源，并且在污染期間升高明顯[6]。移動(dòng)源同樣是成都市城區(qū)PM2.5的主要來源，年均濃度貢獻(xiàn)達(dá)29%[7]。因此，機(jī)動(dòng)車尾氣的排放監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性尤為重要，特別是尾氣排放流量的監(jiān)測(cè)，直接影響污染排放量的計(jì)算，影響機(jī)動(dòng)車污染的評(píng)估以及管理。

目前，我國對(duì)機(jī)動(dòng)車污染排放監(jiān)測(cè)通常采用簡(jiǎn)易工況法和雙怠速法，標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定：2019年5月1日起，在全國范圍內(nèi)汽油車環(huán)保定期檢驗(yàn)采用規(guī)定的簡(jiǎn)易工況法進(jìn)行，對(duì)無法使用簡(jiǎn)易工況法的車輛可采用雙怠速法進(jìn)行。采用簡(jiǎn)易工況法的檢驗(yàn)要求配備氣體流量分析儀，通常采用卡門渦街流量計(jì)。氣體流量分析儀主要由進(jìn)氣管、抽風(fēng)機(jī)、流量測(cè)量管、擾流桿、超聲波傳感器(或壓力傳感器)、氧化鋯傳感器、溫度壓力傳感器、排氣管等部件組成，利用安裝在測(cè)量管內(nèi)的渦街流量計(jì)，應(yīng)用流體振蕩原理來測(cè)量流量：在流動(dòng)的流體中放置一根其軸與流向垂直的、有對(duì)稱形狀的非流線形狀柱體(如圓柱、三角柱等)時(shí)(即擾流桿)，流體會(huì)出現(xiàn)兩列不對(duì)稱、但有規(guī)律的漩渦列，當(dāng)兩列渦旋間距與間隔之比達(dá)到h/l=0.562時(shí)，渦列穩(wěn)定且產(chǎn)生頻率與流速成正比[9-10]。高山[11]對(duì)于渦街流量計(jì)準(zhǔn)確度影響因素的研究中指出，影響渦街流量計(jì)準(zhǔn)確度的因素主要有干度變化、壓力變化、管道及流量計(jì)震動(dòng)以及流量計(jì)出口側(cè)通向大氣導(dǎo)致前后壓差過大影響準(zhǔn)確度，并且通過修正參數(shù)、改進(jìn)監(jiān)測(cè)過程等方式進(jìn)行解決。但是對(duì)于流量測(cè)試過程中擾流桿表面的附著物狀態(tài)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響國內(nèi)外鮮有研究，本文利用仿真模型研究了改變汽車排氣流量分析儀擾流桿外形尺寸對(duì)流量測(cè)試數(shù)據(jù)造成的影響的情況，并通過擾流桿表面不同附著物狀態(tài)對(duì)排氣流量的實(shí)測(cè)研究，探究擾流桿附著物污染對(duì)流量測(cè)試結(jié)果的影響，為機(jī)動(dòng)車污染防治有效管控提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 仿真模擬

通過仿真軟件建立流量分析儀中的流場(chǎng)模型，并利用實(shí)際汽車排氣流量分析儀在不同擾流桿直徑下的實(shí)測(cè)流量值，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證與調(diào)整。最后利用所建立的仿真模型對(duì)不同擾流桿直徑對(duì)流量測(cè)量造成的影響進(jìn)行分析研究。

渦街流量計(jì)管道：圓管外徑為D1=100mm，內(nèi)徑為D=98mm，長(zhǎng)度L1=1000mm，材料為鋁。

擾流桿：長(zhǎng)度為98mm，直徑d分別選用4mm、4.656mm、4.934mm。

流體：管道內(nèi)的仿真流體為空氣，溫度為室溫(293K)，壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101325Pa)。

管道及擾流桿三維模型見圖1。

圖1 管道及擾流桿三維模型圖Fig.1 3D model drawing of pipe and spoiler

網(wǎng)格劃分：劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)為127 368，單元網(wǎng)格數(shù)為677 195。單元網(wǎng)格質(zhì)量(Element Quality)最小值為0.227 93，最大值為1，平均值為0.838 72，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.4526e-002；縱橫比(Aspect Ratio)最小值為1.158，最大值為9.9045，平均值為1.8416，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.45297。雅克比系數(shù)(Jacobian Ratio (MAPDL))為1。正交質(zhì)量系數(shù)(Orthogonal Quality)最小值為0.181，最大值為0.99396，平均值為0.7714，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.11674。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分三維圖見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分三維圖Fig.2 Meshing 3D drawing

1.2 實(shí)測(cè)分析

旋渦的釋放頻率與流過擾流桿的流體平均速度及擾流桿特征寬度有關(guān)，可用式(1)表示：

(1)

式中：f為旋渦的釋放頻率，單位為Hz；

v為流過旋渦發(fā)生體的流體平均速度，單位為m/s；

d為旋渦發(fā)生體/擾流桿特征寬度，單位為m；

St為斯特勞哈爾數(shù)，無量綱，St=0.2(圓柱體擾流桿)。

在排放檢測(cè)時(shí)，汽車尾氣及空氣的混合氣體通過擾流桿后產(chǎn)生渦街，渦街經(jīng)等幅高頻超聲波干涉后形成新頻率的渦街。

通過上述測(cè)量原理分析，擾流桿是流量計(jì)中重要的測(cè)試元件，如擾流桿形狀發(fā)生改變，將會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生不利影響。而機(jī)動(dòng)車尾氣排放檢驗(yàn)環(huán)境較為惡劣，擾流桿表面非常容易形成附著物，如不及時(shí)清理將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來影響。

根據(jù)汽車尾氣排放檢驗(yàn)的實(shí)際特點(diǎn)，本文采用了碳素墨水加粉筆灰、細(xì)線、油脂三種材料作為附著物粘黏于型號(hào)為ML-100(標(biāo)定流量為165L/min)的擾流桿表面以改變其特征寬度進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，研究附著物對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真模型研究

2.1.1 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所選流量計(jì)為ML-100，擾流桿直徑為4.000mm，實(shí)測(cè)流量為171L/s，見表1。

表1 實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)Tab.1 Measured flow data

經(jīng)過仿真計(jì)算，擾流桿附近的流速矢量和速度跡線圖見圖3、圖4。

圖3 速度矢量圖Fig.3 Velocity vector drawing

圖4 速度跡線圖Fig.4 Velocity trace drawing

按照仿真結(jié)果中的渦街間隔計(jì)算流體流量，計(jì)算結(jié)果為167.2L/s，與實(shí)驗(yàn)測(cè)得流量的誤差為：

(2)

誤差小于3%，證明仿真分析具有可靠性。

2.1.2 擾流桿變化對(duì)流量測(cè)量影響的仿真研究

2.1.2.1 擾流桿直徑變化對(duì)流量測(cè)量的影響

在上述仿真模型上，改變擾流桿直徑，設(shè)置直徑為4mm、4.656mm和4.934mm，并仿真模擬計(jì)算不同擾流桿直徑下的流量值，經(jīng)仿真計(jì)算出流量值的變化見表2。

表2 不同擾流桿直徑的仿真流量數(shù)據(jù)Tab.2 Simulated flow data for different spoiler diameters

結(jié)果顯示擾流桿直徑在4mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量值為167.2L/s，擾流桿直徑為4.656mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量值為133L/s，當(dāng)擾流桿直徑為4.934mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量值為117.8L/s，由于擾流桿直徑的增加，漩渦之間的寬度在減小即漩渦脫落頻率在下降，由超聲波所測(cè)得的渦街頻率將會(huì)降低，從而導(dǎo)致氣體流量測(cè)量值下降。

2.1.2.2 擾流桿表面附著物高度對(duì)流量測(cè)量的影響

在上述仿真模型上，分別將擾流桿表面附著物的厚度設(shè)置為無(驗(yàn)證模型)、0.1mm和0.5mm，研究擾流桿表面附著物的厚度變化對(duì)流量測(cè)量的影響，經(jīng)仿真計(jì)算出流量值的變化見表3。

表3 擾流桿表面附著物高度變化的仿真流量數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation flow data of height change of attachment on spoiler surface

結(jié)果顯示當(dāng)擾流桿表面無附著物時(shí)，仿真流量計(jì)流量為167.2L/s，擾流桿表面附著物厚度到0.1mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量降低到129.2L/s，流量較無附著物時(shí)降低22.7%，當(dāng)擾流桿表面附著物厚度達(dá)到0.5mm時(shí)，仿真流量計(jì)流量降低到98.8L/s，較無附著物時(shí)降低40.9%。通過仿真分析可以看出隨著擾流桿表面附著物厚度的增大，同樣造成漩渦脫落頻率不斷下降，從而導(dǎo)致氣體流量測(cè)量值下降，擾流桿附著物厚度越大對(duì)測(cè)量流量的影響越大。

2.2 擾流桿表面附著物對(duì)稀釋排氣流量檢測(cè)數(shù)據(jù)影響的分析

2.2.1 模擬積碳對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

使用碳素墨水均勻涂抹于標(biāo)定流量為165L/g的汽車排氣流量分析儀擾流桿表面，并吸附少量的粉筆灰，其結(jié)果見表4。結(jié)果表明在模擬積碳的情況下，三次試驗(yàn)流量均有所降低，平均值降低11.7L/min，較清潔狀態(tài)下降低6.98%。

表4 涂抹碳素墨水加粉筆灰的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.4 Alignment results of applying carbon ink and chalk ash

2.2.2 細(xì)線纏繞擾流桿后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

使用細(xì)線分別均勻纏繞于標(biāo)定流量為165L/g的汽車排氣流量分析儀擾流桿表面的上部、中部和下部，纏繞形狀如圖5～圖7，其數(shù)據(jù)結(jié)果見表5。結(jié)果顯示，3種不同位置纏繞擾流桿后，在擾流桿中部纏繞細(xì)線，平均值降低19.5mL/min，較清潔狀態(tài)下降低11.8%，在上部和下部纏繞細(xì)線對(duì)流量測(cè)試并未造成太大的影響。

圖5 纏繞細(xì)線后的擾流桿(中部)Fig.5 Spoiler winding with a thin thread (center)

圖6 纏繞細(xì)線后的擾流桿(上部)Fig.6 Spoiler winding with a thin thread (Top)

圖7 纏繞細(xì)線后的擾流桿(下部)Fig.7 Spoiler winding with a thin thread (bottom)

表5 上、中、下部纏繞細(xì)線的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.5 Comparison results of the spoiler winding with a thin thread on top, middle and bottom

使用細(xì)線在擾流桿中部再次纏繞，繼續(xù)增加擾流桿的斷面寬度，纏繞形狀如圖8，其數(shù)據(jù)結(jié)果見表6。結(jié)果顯示，纏繞雙層細(xì)線后測(cè)試流量平均值降低30.8L/min，較清潔狀態(tài)下降低18.6%，中部纏繞細(xì)線的寬度對(duì)流量的測(cè)試同樣有影響。

圖8 纏繞雙層細(xì)線后的擾流桿Fig.8 Spoiler lever after winding double thin thread

表6 單雙層纏繞細(xì)線的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.6 Comparison results between winding single and doublelayer thin thread

2.2.3 涂抹油脂后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響

使用0.067 2g潤滑脂均勻涂抹于名義流量為158L/g的汽車排氣流量分析儀擾流桿表面，其結(jié)果見表7。結(jié)果表明潤滑脂涂抹后，流量測(cè)試數(shù)據(jù)明顯降低，平均降低26.4L/min，誤差達(dá)到16.94%。

表7 涂抹潤滑脂的比對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.7 Comparison results data of application of grease

通過上述四組擾流桿表面粘黏附著物、改變擾流桿特征寬度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見：擾流桿表面粘附物越多、特征寬度越大，氣體流量結(jié)果數(shù)據(jù)越小，對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確性影響越大，這與仿真模擬測(cè)試結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

仿真模擬研究表明：表面擾流桿附著物的污染會(huì)導(dǎo)致漩渦脫落頻率下降，使氣體流量測(cè)量值下降，從而直接影響機(jī)動(dòng)車排氣污染物的真實(shí)測(cè)量值。在實(shí)際測(cè)試中碳素墨水加粉筆灰、細(xì)線、油脂三種材料作為附著物粘黏于擾流桿時(shí)均導(dǎo)致測(cè)試氣體流量降低，并且擾流桿表面粘附物越多、特征寬度越大，對(duì)氣體流量測(cè)試結(jié)果影響越大。

在實(shí)際機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)工作中，擾流桿附著物的污染是很常見的情況，但是很少有檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)注意到擾流桿污染的問題，即擾流桿污染將直接影響機(jī)動(dòng)車排氣污染物的真實(shí)測(cè)量值，尤其當(dāng)車輛真實(shí)排放值大于且接近限值時(shí)會(huì)出現(xiàn)不合格車輛通過合格檢驗(yàn)。因此，對(duì)氣體流量分析儀中擾流桿定期有效清潔對(duì)于保證機(jī)動(dòng)車尾氣監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性十分重要。