碳烟截面

碳烟截面法基于包含相同体积碳烟颗粒的截面的描述,支持基于体积的颗粒尺寸离散化以及碳烟数密度和质量守恒。

在截面模型中传输指定数量的截面。对于每个截面,求解碳烟质量分数传输方程,该方程如下:

1. EQUATION_DISPLAY
ρ ¯ Y i , s o o t t + ∇⋅ [ ρ ¯ v j Y i , s o o t ρ ¯ μ t S c s o o t Y i , s o o t ] = ρ s o o t Ω ˜ i , s o o t
(3715)
其中 S c s o o t 为碳烟施密特数,并且:
2. EQUATION_DISPLAY
Y i , s o o t = m i , s o o t m c e l l
(3716)
其中, i 为截面索引, m i , s o o t 为给定电池单元的截面 i 中的碳烟质量, m c e l l 为电池单元的气体质量。 ρ s o o t 为碳烟颗粒的密度,用于确定 Eqn. (3750) 中的碳烟质量密度 M s o o t
碳烟源项 Ω ˜ i , s o o t 由如下方程给出:
3. EQUATION_DISPLAY
Ω ˜ i , s o o t = [ Ω ˜ i , n u c + Ω ˜ i , c o n d + Ω ˜ i , s g + Ω ˜ i , o x + Ω ˜ i , c o a g ]
(3717)

其中, n u c 为成核, c o n d 为冷凝, s g 为表面增长, o x 为氧化, c o a g 表示凝结源项。

为了计算每个截面 i 中的碳烟质量,该模型描述从气相到固态互作用的所有形成和氧化阶段。

截面 1 的最小体积 v 1 , min 和最大体积 v 1 , max 由如下等式给出:
4. EQUATION_DISPLAY
v 1 , min = 3 v P A H 2
(3718)
和:
5. EQUATION_DISPLAY
v 1 , max = v M I N + v C 2
(3719)
其中, v P A H 为多环碳氢化合物 (PAH) 体积, v C 2 为两个碳原子的体积。
最大体积 v i , max 、平均体积 v i , m 和最小体积 v i , min (截面 i )由以下等式给出:
6. EQUATION_DISPLAY
v i , min = v i 1 , max f o r i > 1
(3720)
7. EQUATION_DISPLAY
v i , m = v i , min + v i , max 2
(3721)
8. EQUATION_DISPLAY
v i , m a x = ( v M I N + v C 2 ) ( v M A X v M I N + v C 2 ) i 1 i max 1
(3722)
其中, v M I N v M A X 分别为所有截面中的绝对最小体积和绝对最大体积, i max 为最后一个截面的项数。
9. EQUATION_DISPLAY
Δ v i = v i , max v i , min
(3723)
假设每个截面内具有恒定体积分布,从而给出碳烟体积分布 q i ( v ) (在截面 i 内):
10. EQUATION_DISPLAY
q i ( v ) = ρ Y i ρ s o o t Δ v i
(3724)
尺寸重新划分 f ( i , s o o t ) (截面 i )和总体积分数 Q i 由以下等式给出:
11. EQUATION_DISPLAY
f ( i , s o o t ) = ρ Y i ρ s o o t v i , m
(3725)
12. EQUATION_DISPLAY
Q i = v i , min v i , max q i ( v ) d v
(3726)
成核
假设两个 PAH 分子碰撞形成碳烟颗粒,并且第一个碳烟颗粒的体积可以表示为:
18. EQUATION_DISPLAY
Ω ˜ 1 , n u c = v P A H β P A H , P A H N P A H 2
(3732)
其中, β P A H , P A H 为 PAH 分子的碰撞频率, N P A H 为 PAH 分子数量。成核源项仅应用于第一个截面。可以使用三个可用的成核选项中的任意一个。
冷凝
PAH 分子冷凝所导致的截面 i 中的体积变化可以表示为:
19. EQUATION_DISPLAY
Δ Q i , c o n d = v P A H N P A H v i , min v i , max β P A H , P A H n i ( v ) d v
(3733)
20. EQUATION_DISPLAY
n i ( v ) = q i ( v ) v
(3734)
计算冷凝源需要 PAH 浓度。它通过求解以下二次方程来计算:
21. EQUATION_DISPLAY
R P A H = 2 β P A H , P A H N P A H 2 + Σ i i max N P A H v i , min v i , max β P A H , P A H n ( v ) d v
(3735)
截面 i 的净冷凝率由相邻截面的颗粒冷凝平衡产生。
22. EQUATION_DISPLAY
Δ Q i , c o n d = Δ q i . c o n d Δ q i . c o n d
(3736)
Δ q i . c o n d 为烟气颗粒离开截面的速率,而 Δ q i . c o n d 为碳烟颗粒进入截面 i 的速率。
23. EQUATION_DISPLAY
Δ q i . c o n d = 1 ( v i + 1 , max v i + 1 , min ) ln ( v i , max / v i , min ) ( v i , max v i , min ) ln ( v i + 1 , max / v i + 1 , min ) 1 Δ Q i , c o n d
(3737)
24. EQUATION_DISPLAY
Δ q i . c o n d = 1 ( v i , max v i , min ) ln ( v i + 1 , max / v i + 1 , min ) ( v i + 1 , max v i + 1 , min ) ln ( v i , max / v i , min ) Δ Q i , c o n d
(3738)
每个截面的冷凝源项可以写为:
25. EQUATION_DISPLAY
Ω 1 , c o n d = Δ q i , c o n d
(3739)
26. EQUATION_DISPLAY
Ω i , c o n d = Δ q i 1 , c o n d Δ q i , c o n d , i = 2 , 3 , ... , i max 1
(3740)
27. EQUATION_DISPLAY
Ω i M A X , c o n d = Δ q i M A X 1 , c o n d
(3741)
表面增长和氧化
碳烟表面增长取决于碳烟表面反应机制:HACA(脱氢加碳)或 HACA-RC(脱氢加碳闭环)机制。截面 i 中的碳烟体积变化可以表示为:
28. EQUATION_DISPLAY
Δ Q i , s g = α v C 2 k s g v i , min v i , max ( v v C 2 ) θ 3 n i ( v ) d v
(3742)
29. EQUATION_DISPLAY
Δ Q i , o x = α v C 2 k o x v i , min v i , max ( v v C 2 ) θ 3 n i ( v ) d v
(3743)
k s g k o x 为表面增长和氧化率,具体取决于 HACA 或 HACA-RC 动能。常数 θ 是随碳烟颗粒直径变化的表面分形维度。为小于 20nm 的颗粒设置较低的分形维度值,为大于 60nm 的颗粒设置较高的值,且在这些值之间,分形维度会线性演变。
根据类似于 Eqn. (3737)Eqn. (3738) 等式,每个截面的净面增长和氧化由以下等式给出:
30. EQUATION_DISPLAY
Ω 1 , s g = Δ q i , s g
(3744)
31. EQUATION_DISPLAY
Ω i , s g = Δ q i 1 , s g Δ q i , s g , i = 2 , 3 , ... , i max 1
(3745)
32. EQUATION_DISPLAY
Ω i M A X , s g = Δ q i M A X 1 , s g
(3746)
33. EQUATION_DISPLAY
Ω i , o x = Δ q i 1 , o x Δ q i , o x , i = 2 , 3 , ... , i max 1
(3747)
34. EQUATION_DISPLAY
Ω i M A X , o x = Δ q i M A X 1 , o x
(3748)
凝结
每个截面的凝固源公式由以下等式给出:
35. EQUATION_DISPLAY
Ω i , c o a g = Σ v i , min < v k + v j < v i , max ( v k + v j ) N k N j β t r , c o a g ( v k , v j ) + Σ v k + v i < v i , max v k N k N j β t r , c o a g ( v k , v i ) v i N i Σ v i + v j < v i , max N j β t r , c o a g ( v i , v j ) 2 v i N i N i β t r , c o a g ( v i , v j )
(3749)
N i 为颗粒尺寸 i 的数密度, β t r , c o a g 为凝结的碰撞频率,它是颗粒尺寸、温度和压力的函数。
Soot Mass Density(碳烟质量密度)
36. EQUATION_DISPLAY
M s o o t = ρ s o o t f v
(3750)
碳烟体积分数
37. EQUATION_DISPLAY
f v = Σ i = 1 i max ρ Y i , s o o t ρ s o o t
(3751)
Soot Mean Diameter(碳烟平均直径)
38. EQUATION_DISPLAY
d p = ( 6 f v N t o t π ) 1 / 3
(3752)
Soot Number Density(碳烟数密度)
39. EQUATION_DISPLAY
N t o t = Σ i = 1 i max ρ Y i ρ s o o t ( Δ v i ) log ( v i , max v i , min )
(3753)
颗粒尺寸分布函数
截面 i (其中 i = 1 t o i max )的颗粒尺寸分布函数,由以下等式给出:
40. EQUATION_DISPLAY
d N d log ( d p ) ( i ) = N i 1 3 log 10 ( 6 v i , max π ) 1 3 log 10 ( 6 v i , min π )
(3754)