梅德純，劉智鑫，涂立志，張宏春

（1.江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

設(shè)計(jì)研究

催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)過程CFD分析

梅德純1，劉智鑫2，涂立志2，張宏春1

（1.江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212028；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)方法分析了催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部瞬態(tài)流場的變化。結(jié)果表明：沿催化轉(zhuǎn)化器載體軸向，由于入口處壁面的影響及尾部發(fā)生邊界層分離，在進(jìn)出口處分別出現(xiàn)兩個(gè)氣流速度低峰；在載體某一截面徑向方向上，氣流速度和溫度都呈現(xiàn)中央高而邊緣低的分布；由于固相熱導(dǎo)率和熱容量大，催化轉(zhuǎn)化器固相上的溫度變化很??；在一個(gè)工作循環(huán)中，隨著曲軸轉(zhuǎn)角變化，由于管壁處形成的漩渦區(qū)，催化轉(zhuǎn)化器中氣流均勻性系數(shù)先降低后升高，而由于流動(dòng)阻力的影響，壓力損失先上升后下降。研究可為催化轉(zhuǎn)化器設(shè)計(jì)及性能分析提供依據(jù)與參考。

催化轉(zhuǎn)化器；流固耦合；流場；熱應(yīng)力

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-03-05

引言

三效催化轉(zhuǎn)化器(Three way convertor, TWC)可以高效地將發(fā)動(dòng)機(jī)排放的CO、HC和NOx等有害物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，是滿足日益嚴(yán)格排放法規(guī)的重要的機(jī)外凈化裝置。凈化器是排氣系統(tǒng)中的高溫元件，其內(nèi)部流動(dòng)的均勻性及高溫尾氣產(chǎn)生的熱應(yīng)力極大地影響著凈化器的轉(zhuǎn)換效率及工作可靠性。

目前對于凈化器的 CFD研究主要集中于其內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流場的數(shù)值模擬，對流場結(jié)構(gòu)、速度分布及壓力損失等進(jìn)行分析，但很少考慮實(shí)時(shí)瞬態(tài)條件下的流動(dòng)特性。凈化器內(nèi)高溫瞬態(tài)流動(dòng)將產(chǎn)生熱變形和熱沖擊，對凈化器使用壽命有較大影響。本文對瞬態(tài)條件下凈化器內(nèi)流動(dòng)過程進(jìn)行CFD模擬，分析其瞬態(tài)特性，為優(yōu)化凈化器性能提供依據(jù)與參考。

1 模型與前處理

1.1 催化轉(zhuǎn)化器模型

諸多大小相同的孔道(如三角形、正方形、圓形及波紋形)構(gòu)成了催化轉(zhuǎn)化器蜂窩陶瓷載體[1]。通過三維模擬各管道內(nèi)流場分布，可以精確得到載體內(nèi)部氣流的運(yùn)動(dòng)情況，但很難流動(dòng)計(jì)算三維網(wǎng)格為400目/inch2的載體管道。從工程角度看，更注重載體的整體性能及對氣流的影響[2]。因此，采用當(dāng)量連續(xù)法，即孔道內(nèi)的氣流在載體內(nèi)看作是連續(xù)分布[3]，研究催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣流的分布情況。凈化器的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 凈化器幾何模型參數(shù)Fig.1 Geometric parameters of the catalytic convertor

依據(jù)圖1的凈化器幾何尺寸，使用Pro/E建立催化轉(zhuǎn)化器三維模型，然后劃分六面體網(wǎng)格，如圖2所示。由于模型簡單規(guī)則，采用建立塊(Block)的方法生成六面體網(wǎng)格，此方法的優(yōu)勢在于可生成高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并且可以通過節(jié)點(diǎn)數(shù)和比率靈活控制邊界層網(wǎng)格數(shù)量。該模型的節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)目分別為 241564和 231040。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)Determinant(2×2×2)在0.7-1之間，該模型的網(wǎng)格質(zhì)量很好，能夠滿足計(jì)算要求。

圖2 凈化器三維網(wǎng)格劃分Fig.2 3D meshing of catalytic convertors

1.2 邊界條件設(shè)定

以188F汽油機(jī)為研究對象，其排量為389ml，標(biāo)定功率為6.2kW（3000r/min）。凈化器內(nèi)部氣體流動(dòng)遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量及能量守恒定律。采用k-ε模型求解湍流方程。考慮排氣壓力波動(dòng)，計(jì)算時(shí)間0.32 s（即8個(gè)循環(huán)），前7個(gè)循環(huán)用于保證計(jì)算收斂，而最后一個(gè)循環(huán)用于結(jié)果輸出[4]。具體模擬參數(shù)設(shè)置見表1，如圖3所示的催化轉(zhuǎn)化器入口處壓力和溫度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，作為模擬計(jì)算的入口邊界條件。

表1 模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameters setting for numeric calculation

圖3 凈化器入口瞬時(shí)速度和溫度Fig.3 Transient velocity and temperature conditions at the convertor inlet

2 催化轉(zhuǎn)化器瞬態(tài)擬分析

2.1 模型有效性驗(yàn)證

圖4 距入口處176mm處速度實(shí)測值與計(jì)算值Fig.4 Themeasured velocity and the calculated one at the point of 176 mm from the inlet

圖4描述了載體后端徑向速度分布的試驗(yàn)值與模擬值的對比情況。在標(biāo)定工況下，在距離進(jìn)化器入口 176mm的截面上，以靜壓法分別測量了距離中心 0mm、15mm、25mm和35mm等測點(diǎn)的速度值。從圖中可以明顯看到，模擬值與試驗(yàn)值變化規(guī)律保持一致，即呈現(xiàn)中間流速高邊緣流速低的態(tài)勢，整體趨勢吻合較好并且相對誤差小于10%。說明催化轉(zhuǎn)化器的三維模型能夠較好地反應(yīng)真實(shí)氣體流動(dòng)情況，建立的催化轉(zhuǎn)化器流動(dòng)數(shù)學(xué)模型是可靠的。模擬值與測量值之間的存在誤差主要與計(jì)算模型以及測量誤差等有關(guān)。

2.2 瞬態(tài)流場分析

圖5描述了180°范圍內(nèi)不同曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流速、溫度和壓力軸向分布情況。其中，0.280s、0.282s、0.284s、0.286s、0.288s和0.290s分別對應(yīng)第8個(gè)循環(huán)下0°CA、36°CA、72°CA、108°CA、144°CA、和 180°CA。選擇 0-180°CA 而非一個(gè)循環(huán)，是由于在180°CA內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)壓力的峰值。由速度分布圖 5(a)可見，在擴(kuò)張管壁面附近出現(xiàn)了漩渦區(qū)，該漩渦的存在增加了催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流場的不均勻性，增加了壓力損失。由壓力分布圖5(b)可見，載體前端存在壓力峰值并且壓力通過載體層層遞減。當(dāng)t=0.280 s時(shí)，載體前端的最高靜壓不明顯，但隨著入口壓力的增加，該處的靜壓急劇增加，高靜壓區(qū)的存在導(dǎo)致了載體前端疲勞損壞，降低載體前端的使用壽命。由溫度分布圖 5(c)可見，溫度分布受流速分布影響，溫度分布情況與流速分布相似，載體中心前溫度較高，原因在于高溫氣流直接沖刷載體前端。隨著時(shí)間的推移，高溫逐步擴(kuò)散到載體中心后方以及收縮管處并且軸向和徑向向外傳送熱流，溫度傾向于均勻。

(a) 速度分布(b)壓力分布(c) 溫度分布

圖5 不同時(shí)刻凈化器內(nèi)部流速、溫度和壓力軸向分布情況Fig.5 Distributions of flow velocity, temperature and pressure at various moments

為了更加詳細(xì)地探究凈化器內(nèi)的瞬態(tài)流動(dòng)特性，通過觀察催化轉(zhuǎn)化器軸向與徑向速度分布，在催化轉(zhuǎn)化器中心軸線上均勻取點(diǎn)100個(gè)，得到180°CA范圍內(nèi)不同曲軸轉(zhuǎn)角下的速度分布情況，如圖6所示。由圖6(a)可見：進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器的尾氣速度快速下降，在載體前端達(dá)到第一個(gè)低峰；在載體部分時(shí)速度略有增加，從載體部分出來后降至第二個(gè)低峰；隨后逐漸回升直至稍高于入口速度。第一個(gè)低峰的形成是由于尾氣撞到載體前端面處產(chǎn)生速度下降；第二個(gè)低峰的形成是由于在載體的尾跡出現(xiàn)了邊界層分離，由于漩渦區(qū)引起了速度下降。圖 6(b)描述了180°CA范圍內(nèi)不同曲軸轉(zhuǎn)角下，載體前端10mm處催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣流徑向速度分布情況。由此可知，氣流分布極不均勻，呈現(xiàn)出中間流速高，邊緣流速低的趨勢，隨著時(shí)間的推移，此趨勢保持不變(與文獻(xiàn)[5]結(jié)論一致)。另外，近壁流速較高(與文獻(xiàn)[6]結(jié)論一致)，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于：進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器的氣流在通過渦旋區(qū)時(shí)被擠壓，在來流與渦流相互的剪切作用下，部分中心氣流在渦流區(qū)時(shí)產(chǎn)生分離，從而進(jìn)入邊緣通道。

圖7描述了180°CA范圍內(nèi)不同曲軸轉(zhuǎn)角下，催化轉(zhuǎn)化器軸向壓力分布情況。由圖8可知，壓力峰值出現(xiàn)在載體前端，并且隨著來流壓力的增大，其在載體中出現(xiàn)的壓力峰值明也顯增大。此時(shí)存在較大的壓力損失，意味著催化轉(zhuǎn)化器的空氣動(dòng)力學(xué)性能較差，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性。

圖6 不同曲軸轉(zhuǎn)角下凈化器內(nèi)的速度分布Fig.6 Velocity distribution in the catalytic convertor at various crank angles

圖7 不同曲軸轉(zhuǎn)角下凈化器內(nèi)軸向壓力分布Fig.7 Axil distribution of pressure in the catalytic convertor at various crank angles

圖8描述了180°CA范圍內(nèi)不同曲軸轉(zhuǎn)角下，催化轉(zhuǎn)化器軸向和徑向溫度分布情況。從圖 8(a)可知，當(dāng)入口氣流溫度為782.4K(0°CA情況下)時(shí)，傳到固體壁面上僅有740.8K，這是由于氣流通過多孔介質(zhì)時(shí)屬于強(qiáng)迫對流傳熱并且壁面存在粘性阻力所致。從圖8(b)可知，中心溫度高于邊緣溫度，并且呈現(xiàn)拋物線狀(與文獻(xiàn)[7]結(jié)論一致)。除此之外，由圖8 (a)和8(b)可知，氣相溫度變化很明顯，而固相溫度變化很小。

當(dāng)熱流量、材料的厚度及傳熱面積不變時(shí)，導(dǎo)熱溫差與熱導(dǎo)率成反比[8]。事實(shí)上，這是由于固相的熱導(dǎo)率和熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣相。固體域良好的保溫效果加快了尾氣在壁面發(fā)生的催化反應(yīng)，有利于提高尾氣的轉(zhuǎn)化效率。

圖8 凈化器內(nèi)的氣相和固相溫度分布Fig.8 Temperature distributions of gas and solid in the catalytic convertors

2.3 流動(dòng)均勻性

催化轉(zhuǎn)化器的壓降與載體前端氣流均勻性系數(shù)是兩個(gè)重要的性能指標(biāo)。僅僅依靠觀察圖5的速度云圖不能定量表達(dá)速度的均勻性特征，需要引入速度均勻性系數(shù)如下[9]：

式中：x為均勻性系數(shù)，其變化范圍是[0，1] (0表示只有一個(gè)計(jì)算點(diǎn)有值，其余的值均為0； 1表示理想的均勻流)，n為取值點(diǎn)的個(gè)數(shù)；vi、vmean分別為第i個(gè)取值點(diǎn)的流速和所有取值點(diǎn)流速的平均值。

計(jì)算一個(gè)循環(huán)(0-720°CA)中每度曲軸轉(zhuǎn)角下所對應(yīng)的均勻性系數(shù)以及壓降，如圖9所示。由圖9可見隨著壓力峰值逐步逼近，均勻性系數(shù)呈下降趨勢，在172°CA時(shí)出現(xiàn)最低，隨后呈上升趨勢。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于：擴(kuò)張管處形成的渦流的強(qiáng)烈程度取決于進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)尾氣的流速，流速越高均勻性越差，而流速趨勢與入口壓力波的趨勢相符。相反，壓降隨著曲軸轉(zhuǎn)角增加，呈現(xiàn)先上升后下降的勢態(tài)。原因在于：入口壓力越大在載體內(nèi)所產(chǎn)生的流動(dòng)阻力就越大，能量損失就越多，根據(jù)伯努利方程可知，壓降也就越大。綜上所述，在一個(gè)循環(huán)下壓力降與均勻系數(shù)均隨時(shí)間變化而變化，呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)?？梢酝茢啵诟咚俅筘?fù)荷下，此狀態(tài)更加明顯，均勻性系數(shù)的差距也會愈發(fā)明顯。

圖9 一個(gè)循環(huán)下壓力降與均勻系數(shù)Fig.9 Pressure drop in the catalytic convertor and its uniformity coefficient in a cycle

3 結(jié)論

運(yùn)用 CFD仿真模擬分析了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化器內(nèi)部氣流的瞬態(tài)流動(dòng)過程，得出以下結(jié)論：

（1）在三效催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)，由于載體前端入口處壁面影響及尾端發(fā)生邊界層分離，在載體入口及出口處均出現(xiàn)軸向速度突降，載體內(nèi)部氣流軸向速度較為穩(wěn)定；載體內(nèi)部徑向氣流速度分布呈現(xiàn)中間高、邊緣低的趨勢，但在近壁處，由于部分中心氣流分離形成渦旋后擠壓進(jìn)入邊緣通道而使流速增高。

（2）受流速分布影響，高溫中心位于載體前端，徑向溫度呈現(xiàn)處中間高、邊緣低的趨勢，軸向溫度逐漸降低；由于固相熱導(dǎo)率和熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣相，所以氣相溫度沿軸向或徑向變化明顯，而固相溫度變化較小。

（3）在一個(gè)瞬態(tài)周期內(nèi)，隨著入口流速增加，催化轉(zhuǎn)化器擴(kuò)張管壁面形成的渦流增強(qiáng)，流動(dòng)阻力增大，氣流均勻性變差，當(dāng)排氣壓力出現(xiàn)峰值時(shí)(172°CA時(shí))，氣流均勻性系數(shù)最低。

[1] 孫鍵,趙瑋霖,張葉成,等. 汽車尾氣催化轉(zhuǎn)化器載體及涂層的結(jié)構(gòu)形貌[J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2008,22(8)：11-13.(Sun Jian,Zhao Wei-lin,Zhang Ye-cheng,et al. Structural images of catalytic support and coatingfor automobile exhaust gas purifying system[J]. Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science),2008,22(8)：11-13.)

[2] 帥石金,王建昕,莊人雋.車用催化轉(zhuǎn)化器流場的數(shù)值模擬[J].小型內(nèi)燃機(jī),2000,29(5)：23-26.(Shuai Shi-jin,Wang Jian-xin,ZhuangRen-jun. Numerical simula-tion of automotive catalytic converters[J].Small Internal Combus-tion Engine,2000,29(5)：23-26.)

[3] 梅德純,高為群,劉志鑫. 催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)單孔道化學(xué)反應(yīng)的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2013,42(6)：29-32.(Mei De-chun,Gao Wei-qun,Liu Zhi-xin. The research of chemical reactions of single span way in catalytic converter[J].Small Internal Combustion Engine And Motorcycle,2013,42(6)：29-32.)

[4] 范曉梅,許勇, 楊群立, 等. 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力波性能仿真分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2010, 27(2)： 282-285.(Fan Xiao-mei,XuYong,Yang Qun-li,et al.Simulationand analysiso fangine exhaust pressure wave[J],Computer Simulation,2010, 27(2)：282-285.)

[5] ShuaiShi-jin,Wang Jian-xin. Unsteady temperature fields of mono-liths in catalytic converters[J]. Chemical Engineering Journal, 2004(100)：95-107.

[6] Chakravarthy V K, Conklin J C, Daw C S, et al. Multi-dimensional simulations of cold-start transients in a catalytic converter under steady inflow conditions[J]. Applied Catalysis A：General：2003 (241)：289-306.

[7] GaoXi,Zhu Ya-ping,LuoZheng-hong. CFD modeling of gas flow in porous medium and catalytic coupling reaction from carbon monoxide to diethyl oxalate in fixed-bed reactors[J]. Chemical Enginee-ring Science,2011(66)：6028-6038.

[8] 錢多德,姚煒.汽油機(jī)排氣歧管內(nèi)流場 CFD 模擬[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2010,119(5)：30-32.(QianDuo-de,Yao Wei.The CFD simulationof interior flowfor gasoline engine exhaust manifold[J].Internal Combustion Engine&Powerplant,2010,119(5)：30-32.)

[9] 鄧幫林,劉敬平,楊靖,等.基于雙向流固耦合的汽油機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2011,29(6)：549-554.(Deng Bang-lin,Liu Jing-ping,Yang Jing,et al.Thermal stress analy-sis of gasoline engine exhaust manifold based on two-way FSI [J].Transactions of CSICE,2011,29(6)：549-554.)

Analysis of the Transient Flow Processinthe Catalyst Convertor Based on CFD

Mei Dechun1, Liu Zhixin2, Tu Lizhi2, Zhang Hongchun1
( 1. Jiangsu Jiaotong College, Zhenjiang 212028; 2. School of Auto & Traffic Engineering,Jiangsu University, Zhenjiang 212013 )

The transient flow distribution ina catalytic convertor is comprehensively analyzed with employing computational fluid dynamics.The simulationresults show that the axial flow velocity in the carrierof the catalytic converteris relatively stable, howevertwo low velocity peaks come out near the entrance and outlet of the carrier respectively, which are due to the wall effects at the front entrance and the boundary layer separation at the outlet. At one given section in the carrier, in radial the velocity and temperature tend to decline from the center to the edge of wall. The temperature of the solid phase changes little due to its’ high thermal conductivity and capacity. In a working cycle, the pressure drop increases first and then decreases with the increase of crank angle due to vortex zones formed at the wall while the coefficient of uniformity is just opposite owing to flow resistance. The results above can providea favorable basis and reference for the designof catalyst converter as well as its’s performance analysis.

Catalytic converter; Fluid structure interaction simulation; Flow distribution; Thermal stress

U464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-03-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.002

梅德純（1976-），男，江蘇儀征人，研究生，高級講師，主要研究方向：汽車排放控制與主動(dòng)安全技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51506101）；江蘇交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（2016T13）。