导致烟雾和颗粒污染的主要原因是汽车的有害排放，尤其是使用柴油发动机的汽车。如今，大多数配备柴油发动机的车辆都需要安装柴油颗粒滤清器，用于捕获从尾气中排放的碳基微粒。使用 COMSOL Multiphysics® 软件，我们可以分析柴油颗粒滤清器的声学特性。
柴油颗粒滤清器的多物理考虑因素
汽车和卡车的颗粒排放对环境和人类健康都有危害。这些排放对于使用汽油的发动机来说是一个问题，而对于那些使用柴油的发动机来说，是一个更大的问题。柴油发动机汽车和卡车上会配备一种称为柴油颗粒清滤器的装置，用于帮助阻止高水平的颗粒排放。事实上，大多数国家/地区都要求运行柴油发动机时使用柴油颗粒滤清器。自 2007 年起，在美国必须使用这些滤清器。
汽车的排气管。柴油燃料的废气将有害颗粒释放到环境中。
虽然柴油颗粒滤清器的主要目的是与车辆排放中的颗粒发生反应并并过滤掉它们，但由于过滤器在排气系统中的位置，过滤器的声学特性也很重要。柴油颗粒滤清器与车辆的消声器系统放置在一起，甚至被集成到消声器系统中，因此其声学特性也会影响消声器的声学特性。使用 COMSOL Multiphysics，我们可以分析与真实世界的颗粒过滤型系统类似的声学特性。
在 COMSOL Multiphysics® 中对简单的颗粒过滤型系统进行建模
对类似颗粒过滤型系统进行建模，可以深入理解柴油颗粒滤清器的行为。为了轻松且快速地获得这种洞察力，我们可以将颗粒过滤型系统本质上看成一个圆柱形。这意味着我们可以建立一个节省计算资源的、简化的二维轴对称模型，来模拟和理解系统的行为。
当需要更好的理解和设计优化时，同样可以在三维中很好地设置模型（用于对很可能不是圆柱形的实际设备进行建模）。该模型的目的是专注于将声学与参与柴油颗粒滤清器的其他现象（例如流体流动和化学反应）分开。这种单独的分析是合理的，因为声学特性受其他物理现象的影响很弱。
模型几何结构由一个入口、一个出口和一个包含颗粒滤清器的圆柱体组成。滤清器由多孔材料制成，具有较大的充气槽。假设其性质是均匀的，因此其声学行为是各向同性。
使用二维轴对称模型的颗粒过滤型系统示意图。
模拟这种简化的颗粒过滤型系统涉及对多孔材料的多孔弹性行为进行建模。从 COMSOL Multiphysics 5.3 版本开始，模拟这类材料的多孔弹性波 接口包括了 Biot-Allard 模型。该模型考虑了压力波和弹性波在多孔空气填充材料中传播时的黏性和热损失。
Biot-Allard 模型适合模拟饱和流体为空气的系统(例如消声器或柴油颗粒滤清器系统)。如果饱和流体本质上是液体(例如，地球物理模拟中的水或油)，则适合使用多孔弹性波 接口中的 Biot 模型，因为它只考虑黏性损失。COMSOL Multiphysics 内置的多物理场耦合功能，可轻松将多孔域的声学行为与周围振动结构的结构行为耦合。
声学分析的结果
仿真结果表明，在常用工作范围内，颗粒过滤型系统在不同频率下的声学传输损耗（TL）。对比结果显示，仿真模型的传输损耗与真实柴油颗粒滤器清的报告结果具有相似的数量级，尽管模型中的凹槽与实际柴油颗粒滤清器的细长管道不同，空气温度比实际过滤器中的典型温度低，并且模型忽略了流体流动。
颗粒过滤型系统在一定频率范围内的传输损耗。
如下图所示，使用该模型可以获得颗粒滤清器内不同频率的压力分布结果。
颗粒滤清器在 20 Hz(左)和 2000 Hz(右)的压力分布。
文中讨论的示例模型表明，可以通过简化模型来考虑单一类型的物理场。虽然我们只查看系统中的声学特性，但其仿真结果仍然与真实世界的数据一致。
通过仿真的方法，我们可以深入理解特定类型的柴油颗粒滤清器，同时在设置和求解模型上花费的时间很少。
点击上面的按钮或查看 COMSOL® 软件中的案例库，尝试自己动手模拟颗粒过滤式系统的声学教程模型。
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