車用歧管式催化器內(nèi)部流速及壓力分析.docx

1、車用歧管式催化器內(nèi)部流速及壓力分析丁柏群，李明揚(yáng)（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）摘要：通過數(shù)值模擬和試監(jiān)松證，分析了歧管式催化器內(nèi)部氣流的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和氣流分布秋志，并與常規(guī)的底盤下債化M進(jìn)行了比較.姑果表明：隨入口流量的增大，歧管式催化耳內(nèi)部氣浪流速增大、壓力損失增大、徑向分布均勾姓降低；氣流的徑向分布不同于常規(guī)僵化器集中于軸線的軸對(duì)稱形式，而是在栽體甫端而呈比較分歡的狀態(tài)，其中管板復(fù)合型歧管式催化器呈現(xiàn)務(wù)中心進(jìn)氣狀態(tài)，均勻姓校常規(guī)催化器有較大提高.關(guān)鍵詞：歧管式催化器；數(shù)值模擬；流速；壓力I均勻性中圖分類號(hào)：TK414.5文獻(xiàn)標(biāo)志瑪：B文章編號(hào)：10012222（201

2、1）03-002005歧管式催化器是指安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，由發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管與催化轉(zhuǎn)化器組成，且發(fā)動(dòng)機(jī)歧管各支管交匯處到催化器入口端的連續(xù)連接長(zhǎng)度不大于500mm的催化器總成部件。在最近我國(guó)汽車排放限制標(biāo)準(zhǔn)向國(guó)IV過渡的背景下.常規(guī)的底盤下催化器在滿足冷起動(dòng)工況檢測(cè)方面遇到困難；歧管式催化器由于安裝位置非常接近發(fā)動(dòng)機(jī)，所以能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)之初就充分利用尾氣熱量迅速起燃，產(chǎn)生催化作用，減少冷機(jī)階段排放污染物，從而滿足國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn).同時(shí)結(jié)構(gòu)也更加緊湊。歧管式催化器有若干種具體型式.典型的是通常稱為“管板復(fù)合型”和“沖壓半殼型"的歧管式催化器。歧管式催化器的進(jìn)氣端與緊耦合式催化器及底盤下催化

3、器在結(jié)構(gòu)上有很大不同.因而其內(nèi)部流場(chǎng)尤其是進(jìn)氣端流場(chǎng)也有很大差異，而內(nèi)部氣流狀態(tài)是影響催化器性能和壽命的主要因素之一2。本研究利用臺(tái)架試驗(yàn)和Fluent軟件數(shù)值模擬，分析歧管式催化器在不同入口流量下，內(nèi)部氣流速度、壓力的分布和變化,并與常規(guī)催化器進(jìn)行比較。1氣流狀態(tài)的數(shù)學(xué)描述歧管式催化器的實(shí)際工作過程十分復(fù)雜，包括湍流、傳熱、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)等各種物理化學(xué)現(xiàn)象。本研究對(duì)實(shí)際過程作適當(dāng)簡(jiǎn)化，假定催化器中無化學(xué)反應(yīng)、尾氣處于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、歧管和催化器內(nèi)為不可壓縮的湍流狀態(tài)理想氣體。在此假設(shè)條件下對(duì)歧管式催化器中的流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，須考慮連續(xù)性方程、動(dòng)員守恒方程、能量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)湍流模型等控制方程。連

4、續(xù)性方程：字+捋2=0,i=l,2.3。（1）8t3jc,動(dòng)量守恒方程：零+£2=皿+部3尸,2,3。（2）能量方程:備P<jv2+E）+*（號(hào)廿+E）虬=p（/x+q）+f0虬+入碧）°（3）湍動(dòng)能稅輸運(yùn)方程：+=二（"+冬）養(yǎng)+atdXidjc,a,dXjG'+Gbp&Ym+Sk。（4）湍動(dòng)能耗散率£輸運(yùn)方程：a（£e）.£<£<0=_£_（“+竺）五+St3xiG,jg+CeGQ-Czwf+S,°（5）式（1）至式（5）中:p為密度；t為時(shí)間；u為速度矢量;/為矢最

5、力0,為i，j方向的應(yīng)力張最分瞰為速度；E為內(nèi)能；丁為溫度；q為單位質(zhì)最流體內(nèi)熱源單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量;G«為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能*的產(chǎn)生項(xiàng);Gb為浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng);Ym為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)*£方程中的收稿日期：201012-06,修回日期：2（H125t5作者簡(jiǎn)介：丁柏群（】963），男.教授，碩匕，主要研究方向?yàn)槠嚺欧庞泻ξ廴疚飪艋?、交通?duì)環(huán)境影響及減Mhding_bq.(6)其他參數(shù)分別為C“=1.44,C"=1.92,C*=0.09,久=1.0,“=1.3。壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)之間的耦合關(guān)系采用Simplec算法。2邊界條件2.1網(wǎng)格劃分把利

6、用Catia完成的歧管式催化器3D數(shù)模以STP格式分別導(dǎo)入Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)邊界條件進(jìn)行初始設(shè)置，4個(gè)進(jìn)氣口為流量入口，出口為壓力出口，其余為壁面邊界條件。劃分結(jié)果見圖1.適的孔隙率、多孔介質(zhì)流阻系數(shù)來近似模擬催化器載體對(duì)氣流的影響。氣流在多孔介質(zhì)區(qū)的流動(dòng)為層流流動(dòng)，則根據(jù)Darcy定律，氣流流經(jīng)催化器載體時(shí)產(chǎn)生的壓降可表示為p=oP2l式中：外為黏性阻力系數(shù)；嶼為慣性阻力系數(shù)。不同載體有不同的”11和知2。流體屬性由于排出氣體的各種物理屬性與空氣類似，所以設(shè)置流體的材料屬性為空，物理性質(zhì)設(shè)置見表2。«管板笈合型歧世式借化器名稱比熱容/J(kg*K)T熱導(dǎo)率/JmK）

7、->黏性/Pas空，11560.07184.55X10-*哀2流動(dòng)介質(zhì)的物理屬性3結(jié)果及分析3.1仿真結(jié)果b沖辰半殼敏歧管式催化賽計(jì)算方法為標(biāo)準(zhǔn)的求解N-S方程組迭代求解方式：給定初場(chǎng)，然后聯(lián)立求解每個(gè)網(wǎng)格單元上的N-S方程組，反復(fù)迭代，直到計(jì)算達(dá)到收斂。在排氣歧管單個(gè)進(jìn)氣口流域分別為0.01kg/s和0.02kg/s的情況下，分別對(duì)模型進(jìn)行50次迭代計(jì)算。圖2示出殘差曲線。由圖2可看出，殘差曲圖1催化器網(wǎng)格劃分線收斂。1x10*2.2邊界條件進(jìn)口設(shè)4個(gè)進(jìn)口流域相同，單個(gè)進(jìn)口分別為0.01kg/s,0.02kg/s和湍動(dòng)條件，排氣系統(tǒng)進(jìn)口溫度由臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)定。出口設(shè)定為壓力出口條件，初始表

8、壓強(qiáng)設(shè)置為0,總溫為1065K。壁面設(shè)內(nèi)壁為不滑脫速度條件，催化器壁面為絕熱條件，其他壁面為對(duì)流換熱條件，壁面條件按10Crl5材質(zhì)物理屬性（見表1）設(shè)置，壁厚為2mm。IXI0-*Ix0Ix10-'5101520253035404550迭代次數(shù)/次連續(xù)性曲線6曲級(jí)K曲線t向速度曲線X向速度曲線/向速度曲線能量曲線lxKFIx!0-JIxIO,比熱容/密度/熱導(dǎo)率/導(dǎo)熱系致，'J(kgK)-«kgmJJ(mK)-*W(m1K)'46077502620表1壁面材料的物理屬性多孔介質(zhì)區(qū)催化器載體是多孔結(jié)構(gòu)，因此，可將這些部位的計(jì)算域視為多孔介質(zhì)區(qū)，通過選擇合aAU

9、iftttO,01lx10205101520253035404550送代次數(shù)/次如續(xù)性曲線8曲線K曲線M向速度曲線X向速度曲線勒向諼度曲線能量曲線1x0*1x101IxIO"b入口流量0.02k*、圖2殘差曲線圖3示出催化器出口排螢監(jiān)測(cè)。由圖3可看出，兩種情況下排出氣體的流'最分別穩(wěn)定在0.04kg/s和0.08kg/s,與4個(gè)進(jìn)氣口的輸入量之和相等。圖5示出靜壓強(qiáng)分布，當(dāng)入口流量為0.01kg/s時(shí)壓力損失為5150Pa,入口流域?yàn)?.02kg/s時(shí)壓力損失為14000Pa.靜壓損失增加了1.72倍。5.1533«§、*口«4.58r+n3理4

10、333.4WB-,;、«*口汨-5.04r>022.8%巧32.32e+O31.76e*O3l.l9e*O36.26c+026.1HIH入r【流iiO.Olkg/nl.24e*O4圖3出口流fit圖4示出通過Fluent仿真的管板復(fù)合型歧管式催化器內(nèi)部氣流速度軸向分布。隨著進(jìn)氣流量的增大，歧管和催化器內(nèi)氣流流速加快，同一位置氣流的軸向速度在入口流量:為0.02kg/s時(shí)約為入口流fiO.01kg/s時(shí)的2倍。1.40r-M)4LO7.09.l4e4O37.53e*O34.32r02.7X31.1&403.5.0WKb入口流量0.02kg/*圖5壓強(qiáng)分布11.03e*02

11、9.25e4018.24017.2W)1621215.20r4014.I9zOI3.l8e40112.1731l.l5e40l1.41r-KX)a入nifihto.01kg/sI4.38c4O12.28e«0l1.9040)!.2Xe*O2l.O7e*O28.56r*0l6.47c4<)1b人口流址0.02knA圖6示出兩種歧管式催化器和常規(guī)催化器載體前端面7流分布。圖7示出3種型式催化器的速度均勻性指數(shù)?？梢娖绻苁酱呋鲀?nèi)部氣流徑向分布的均勻性較好，普遍高于常規(guī)型式催化器，管板夏合型歧管式催化器的均勻性指數(shù)最高；入口流量增大使催化器內(nèi)部氣流徑向分布的均勻性均有所降低,但歧管式

12、催化器所受影響較大，其中沖壓半殼型均勻性指數(shù)降低較多；流量變化時(shí)，與常加催化器兒乎不變的流速軸對(duì)稱分布形態(tài)相比歧管式催化器橫截面上流速的區(qū)域分布特征也有一定變化。.管板復(fù)合陽歧管式催化部.Anjftfio.oik«/s圖4氣流速度矢量h管板復(fù)合楸歧管式催化器.入口流量0.02kg/、8.00«mOI7.20+016.40+015.60e+0l11.6(78.00*000.00r+00f常規(guī)催化器.入口流量0.02kgM圖6催化器入口端面氣流速度分布4.50r+013.90t40|3.30*012.70e+0jZ1(W)Il.50e*0l9.00p+00J.OOe+OO0.0

13、0+00c神壓事殼瑕歧管式催化器.人口流Mo.oik，fijtjxfsf進(jìn)氣流EB管板夏介式E壓半殼式函常規(guī)催化器6.93r+015.87e+014.80e*013.73e+011.60015.33e+«)0.00+008.00-4)12.67e*01圖7催化器入口端面氣流徑向分布均勻性指數(shù)3.2試驗(yàn)表3列出管板復(fù)合型歧管式催化器發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果。由表3可見，測(cè)得的入門速度和出口流量與計(jì)算結(jié)果基本吻合，可以認(rèn)為仿真計(jì)算合理.結(jié)果有效，可以以之模擬實(shí)際過程，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有參考價(jià)值。d沖壓半充型歧管式催化器.AimttO.OZkg/-14.00*03.6Oe+O13.52

14、.8Oc+OI2.40e+0l2.0040!l.60e+01IJOmOII8.00e4<X)4.00e*000.00e+00發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/rmin一缸號(hào)溫度/K入n流量/K.8,入口流速/ms1出口流量/gs,30001U9799.8153.439.12240：969.39.7853.23tC967.89.7853.24虹977.99.7953.260001缸1072.719.76106.379.042缸1054.319.75106.33缸105119.75106.34缸1071.219.76106.3*3發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果3.3分析«常規(guī)催化器，入口流做O.Olkg/s結(jié)合本研

15、究和已有研究結(jié)果LE可以看出，歧管式催化器內(nèi)部氣流徑向分布的均勻性較常規(guī)型式催化器（例如底盤下催化器或緊耦合式催化器等）有明顯改善，其中尤其以管板復(fù)合型歧管式催化器效果較好。原因可能是管板復(fù)合型歧管式催化器改變了常規(guī)催化器單一進(jìn)氣口集中進(jìn)氣的結(jié)構(gòu)和方式，將若干歧管的排氣直接送入載體前迎風(fēng)端面，氣流被分散；同時(shí)在進(jìn)氣端蓋內(nèi)各歧管氣流產(chǎn)生擴(kuò)散，相互影響，流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜化,從而將常規(guī)催化器氣流在軸線附近集中進(jìn)入前端的方式改變?yōu)槎嘀行姆稚⑦M(jìn)入前端的方式，因而降低了氣流徑向分布的不均勻性。這種氣流分布狀態(tài)在實(shí)際工作過程中有利于催化劑多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生反應(yīng)，減少起燃時(shí)間，也可改善常規(guī)催化器載體中心區(qū)域經(jīng)常過負(fù)荷運(yùn)

16、行、老化加快的情形。而半殼型歧管式催化器由于在進(jìn)氣錐端前面膨大的壺腹部氣流有較充分的混合和預(yù)擴(kuò)散，也能夠在一定程度上提高進(jìn)入載體前端面7流的徑向分布均勻性，但進(jìn)氣流速增大時(shí)，與常規(guī)催化器的差別變小。4結(jié)論a)隨入口流量的變化，所研究的歧管式催化器內(nèi)部氣流流速和壓力也呈現(xiàn)不同的分布特征：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，入口流及越大，軸向流速越大、壓力損失越大，當(dāng)人口流量由0.01kg/s增大到0.02kg/s時(shí),流速增大1倍,壓力損失增大1.72倍，氣流徑向分布的均勻性降低；b)歧管式催化器內(nèi)部氣流的徑向分布狀態(tài)優(yōu)于常規(guī)型式催化器，尤其是管板復(fù)合型歧管式催化器，其均勻性指數(shù)較常規(guī)催化器有較大提高，而旦在起動(dòng)初期易

17、于形成多點(diǎn)起燃局面，從而加快起燃過程。參考文獻(xiàn)：C1中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，無偏成孚力達(dá)催化凈化器有限責(zé)任公司，天津索克汽車試臉有限公司，等.GB/T259832010歧曾式催化樣化器S.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.2 許建民.袁志群.任恒山.等.車用催化轉(zhuǎn)換吾氣流特性分析J.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)服，2009,11(6)：105-108.3 谷芳，劉伯潭.潘書杰.排氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)J.汽車工程，2007,29(II),950-957.4 劉伯潭，溫書杰.汽車排氣系統(tǒng)總成的計(jì)算流體力學(xué)模擬J.天津汽車，2008,(7)：34-36,41.5 劉軍.汽車排氣催化樗化裝置氣流特性分

18、析J.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2001(4):25-28.6 許建民.戴，爵清.太志群,等.入流速度對(duì)車用催化料換器流動(dòng)特姓的影響J.常州工學(xué)院學(xué)報(bào).2009.22(5)：49-52.InternalFlowVelocityandPressureAnalysisofVehicleManifoldCatalystConverterDINGBai-qun,LIMing-yang(TrafficSchool.NortheastForestryUniversity.Harbin150040»China)Abstract：Throughthenumericalsimulationandexperiment,theflowvelocityfield,pressurefieldandgasflowdistributioninthemanifoldcatalyticconverterwere