歧管式催化轉(zhuǎn)換器的流場分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

許建民，易際明，陳遠(yuǎn)生

(廈門理工學(xué)院機(jī)械工程系，福建 廈門 361024)

0 引言

采用三元催化轉(zhuǎn)化器是控制車用汽油機(jī)排放的關(guān)鍵技術(shù)．常規(guī)結(jié)構(gòu)的催化轉(zhuǎn)化器主要存在以下缺點:由于發(fā)動機(jī)排氣在常規(guī)催化器的擴(kuò)張管段產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流分離，從而出現(xiàn)催化器載體中心部位的氣流速度高，中心載體以及催化劑老化加速，而周邊載體氣流速度相對較小，周邊載體上的催化劑沒有得到充分利用．這樣就大大縮短了常規(guī)催化器的使用壽命和利用效率[1－4]．因此采用計算機(jī)流體動力學(xué) (CFD)軟件對催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)部流場進(jìn)行研究，進(jìn)而改善催化轉(zhuǎn)化器的轉(zhuǎn)化效率、加快起燃特性、延長其使用壽命顯得非常有必要．由于岐管式催化器內(nèi)部氣流的徑向分布狀態(tài)優(yōu)于常規(guī)型催化器，因此本文對某一種歧管式催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行了流場分析，提出了改進(jìn)方案．

1 流動數(shù)學(xué)模型

1.1 流動控制方程[2]

質(zhì)量、動量恒方程為[5]:?(ρuj)/?xj=0;?(ρujui－ τij)/?xj= － ?p/?xij+si．其中:si為源項，這里表示催化器載體阻力;ρ為液體密度;ui、uj分別為i和j方向的速度分量;p為流體微壓強(qiáng);τij為應(yīng)力張量，對牛頓流有:其中，μ為分子動力粘性系數(shù);δij為Kroneker數(shù);為雷諾應(yīng)力張量;sij是流體變形速率張量，sij=(?ui/?xj+ ?uj/?xi)/2．

1.2 湍流模型[2]

?/?xj(ρμjκ － (μeff/σκ)?κ/?xj)= μtsij?ui/?xj－ ρε － 2(μt?ui/?xi+ ρκ)?ui/?xi/3;?/?xj(ρμjε －(μeff/σε)?ε/?xj)=cε1(ε/κ){μtsij?ui/?xj－ (2/3)(μt?ui/?xi+ ρκ)?ui/?xi}－ cε2ρε2/κ +cε4ρε?ui/?xi．其中:μeff=μ +μt;Cμ=0.09;σk=1.0;σε=1.22;Cε1=1.44;Cε2=1.92;Cε4= －0.33．

2 計算結(jié)果分析

2.1 物理模型

利用UG對催化器進(jìn)行三維建模，然后將其導(dǎo)入Fluent的前處理軟件Gambit進(jìn)行計算區(qū)域網(wǎng)格化和邊界條件的定義，最后利用Fluent進(jìn)行求解．計算流體域采用多面體網(wǎng)格劃分，整個模型分為三部分:進(jìn)氣歧管部分;催化劑載體部分;排氣收縮管部分．催化劑載體部分采用多孔介質(zhì)，用當(dāng)量連續(xù)法進(jìn)行模擬[6－8]，其他部分采用靜態(tài)流體區(qū)域．原催化轉(zhuǎn)化器的網(wǎng)格單元數(shù)為783 165個，改進(jìn)后模型網(wǎng)格單元數(shù)為783 386個．圖1為原歧管式催化轉(zhuǎn)換器的三維模型圖，圖2為改進(jìn)后的歧管式催化轉(zhuǎn)換器的三維模型圖．相對原模型，改進(jìn)之處在于歧管與載體部分的夾角以及歧管與載體前端的相對位置．

圖1 原歧管式催化轉(zhuǎn)換器的三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of the original manifold catalytic converter

圖2 改進(jìn)后歧管式催化轉(zhuǎn)換器的三維模型圖Fig.2 Three-dimensional model of the improved manifold catalytic converter

2.2 邊界條件

1)進(jìn)口:設(shè)各歧管入口為速度邊界條件，入口處的湍動能設(shè)定為0.03 m/s，湍動能尺度設(shè)定為1.5 mm;2)出口:設(shè)定為壓力出口條件，初始表壓強(qiáng)設(shè)置為0;3)壁面:設(shè)定壁面處為速度不滑脫條件．

2.3 流場分析

圖3為原歧管式催化轉(zhuǎn)換器的中心截面的速度分布云圖，圖4為改進(jìn)后歧管式催化轉(zhuǎn)換器的中心截面的速度分布云圖，可以看出，原模型中入口管1和催化器前端的擴(kuò)張管接觸位置出現(xiàn)了氣流高速區(qū)域，并且載體前段區(qū)域產(chǎn)生了較強(qiáng)的渦流，呈螺旋式的運動軌跡，存在著較大的速度梯度，這會產(chǎn)生較大的壓力損失，改進(jìn)后的模型中渦流減弱了，氣體流動的平順性得到了改善，并且速度分布更加均勻．

圖3 原歧管式催化轉(zhuǎn)換器的中心截面的速度分布云圖Fig.3 The speed contours of the center of the crosssection for the original manifold catalytic converter

圖4 改進(jìn)后歧管式催化轉(zhuǎn)換器中心截面的速度分布云圖Fig.4 The speed contours of the center section for the improved manifold-type catalytic converter

2.4 流動均勻性分析

流速分布是否均勻一般采用流動均勻性指數(shù)[8－9]來進(jìn)行評價．流動均勻性指數(shù)在0到1之間變動，1代表氣體是理想的均勻流動，0表示氣體是單管道流動．表1為各歧管載體前端流動均勻性指數(shù)對比．可見，改進(jìn)后的模型載體前端氣流流動均勻性指數(shù)都有提高，說明催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的速度分布趨向均勻，這是由于改進(jìn)后歧管與載體前端的相對位置分布更加均勻．圖5a為1缸排氣時原模型的載體前端速度分布圖，圖5b為改進(jìn)模型的載體前端速度分布圖，可以看出改進(jìn)后模型有較大部分氣流流速相近．改進(jìn)后的歧管式催化轉(zhuǎn)化器載體內(nèi)氣流分布均勻性有了極大的提高，這代表著提高了對載體催化劑的利用率，大大降低了因均勻性不理想而產(chǎn)生的溫度梯度，這將會延長催化轉(zhuǎn)換器的使用壽命．

表1 各歧管載體前端流動均勻性指數(shù)對比Tab.1 The contrast of flow uniformity index for each manifold carrier front-end

圖5 1缸排氣時兩種結(jié)構(gòu)的載體前端面速度分布云圖Fig.5 The velocity contours of the front end face of the carrier with two structures when the first cylinder exhaust

2.5 壓力分布

表2為原模型和改進(jìn)后模型各歧管壓力損失對比．可以看出，催化轉(zhuǎn)化器對整個排氣系統(tǒng)的壓力損失不是非常大，只有400 Pa左右．改進(jìn)后模型的壓力損失均小于改進(jìn)前的模型，改進(jìn)后催化轉(zhuǎn)化器對發(fā)動機(jī)動力性的影響較?。?/p>

表2 原模型和改進(jìn)后模型各歧管壓力損失對比Tab.2 The contrast of manifold pressure loss between original model and improved model

圖6和圖7分別為1缸排氣時原模型的壓力分布云圖和改進(jìn)后模型的壓力分布云圖，可見改進(jìn)后壓力損失比原模型要小一些．

圖6 1缸排氣時原模型的壓力分布云圖Fig.6 The pressure contours of the original model when the first cylinder exhaust

圖7 1缸排氣時改進(jìn)后模型的壓力分布云圖Fig.7 The pressure contours of improved model when the first cylinder exhaust

3 結(jié)論

對某歧管式催化轉(zhuǎn)化器的原模型和改進(jìn)模型分別進(jìn)行了流場分析和壓力損失分析．改進(jìn)后催化轉(zhuǎn)化器的流場分布更加均勻，提高了歧管式催化轉(zhuǎn)化器載體前端截面的氣流分布均勻性指數(shù)和催化劑使用率，與此同時，改進(jìn)方案還減少了歧管式催化轉(zhuǎn)化器運行時的壓力損失，在一定程度上提升了發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和歧管式催化轉(zhuǎn)化器的使用壽命．

[1]梁呈．汽油車催化轉(zhuǎn)化器流場研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 [D]．長沙:湖南大學(xué)，2003:12-18．

[2]帥石金，王建昕，莊人雋．CFD在車用催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用 [J]．汽車工程，2000，22(2):129-133．

[3]帥石金，王建昕，莊人雋．斜擴(kuò)張管催化器流場三維數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 [J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2001，7(3):298-301．

[4]劉軍．汽車排氣催化轉(zhuǎn)化裝置氣流特性分析 [J]．車用發(fā)動機(jī)，2001，134(4):25-28．

[5]方瑞華，蘇清祖．車用催化器載體蜂窩孔內(nèi)氣流分析 [J]．汽車工程，2001，23(2):124-126．

[6]陳明華，司傳勝．基于CFD的車用催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 [J]．中國制造業(yè)信息化，2006，23(17):71-77．

[7]趙繼業(yè)，陳覺先，朱國朝，等．利用CFD分析催化轉(zhuǎn)化器不同設(shè)計因素的影響 [J]．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2001，30(3):23-28．

[8]陳曉玲，張武高，黃震．催化器載體前端造型對其流動特性的影響[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，41(4):537-540．