Heat and Mass Transfer in multi-scale porous structure : Application to Diesel Particulate Filter Modelling
Transferts de Chaleur et de Masse dans des Structures Poreuses Multi-échelles : Application à l'étude des Filtres à Particules Diesel
Résumé
Ceramic filters appear to be the most promising solution to deal with the future emission standard requirements for diesel-powered vehicles. Indeed, this kind of Diesel Particulate Filters is known to provide high collection efficiency for carbon particles. The analysis and modelling of the physical phenomenon involved in their functioning is required to improve their performances and durability. First, the gas flow, the particle transport and collection within the filter are studied. Given its particular multi-scale structure, an “effective porous media” analysis is used in order to model the mass transfers in the whole filter. The model is based on 1D equations, obtained for a representative unit cell of the filter, preserving the flow inertial behaviour. In a second part, the thermal behaviour of the apparatus is studied. Heat transfers within the apparatus are described using a macro-scale one-temperature model obtained from a volume averaging scale-change analysis. A combustion source term is used to describe the oxidation reaction involved in the filter cleaning.
Les filtres céramiques sont des dispositifs prometteurs pour diminuer les émissions de particules carbonées par les moteurs Diesel et respecter les futures normes environnementales. L'analyse et la modélisation des phénomènes physiques intervenant dans leur fonctionnement est indispensable pour améliorer leurs performances et leur durabilité. Dans une première partie, l'écoulement du gaz, le transport et la capture des particules au sein d'un filtre présentant une structure poreuse multi-échelle sont étudiés. Une approche de type « milieu poreux effectif» est adoptée pour simuler l'étape de filtration à l'échelle du filtre. Le modèle s'appuie sur des équations 1D, développées pour un élément unitaire de filtre, préservant le caractère inertiel de l'écoulement. Dans une deuxième partie, le comportement thermique du filtre est étudié. Les transferts de chaleur convectif et diffusif sont pris en compte dans un modèle macroscopique à une température obtenu par la méthode de prise de moyenne volumique. Un terme source de combustion permet de considérer la réaction d'oxydation des particules collectées, intervenant dans l'étape de régénération du filtre.
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