譚禮斌，袁越錦，趙 哲

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

觸媒，也稱(chēng)為三元催化凈化器，常安置于整車(chē)消聲器內(nèi)，用以催化發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的一氧化碳、 碳?xì)浠衔镆约暗趸衔镅趸€原成二氧化碳、 水以及氮?dú)獾葻o(wú)害產(chǎn)物，可以大幅減少尾氣中的污染[1]。觸媒具有凈化有害氣體的功能，是整車(chē)排氣后處理中比較重要的裝置，其工作運(yùn)行的好壞直接影響產(chǎn)品的排放性能[2-3]。觸媒的結(jié)構(gòu)尺寸選型及焊接工藝對(duì)整車(chē)排放性能有直接的影響，且觸媒受到高溫廢氣高速?zèng)_擊容易產(chǎn)生燒蝕現(xiàn)象，影響其正常使用壽命。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能分析已逐漸成為工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[4]。高樹(shù)靈等[5]采用溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)間接耦合的計(jì)算方法研究了三元催化器焊接過(guò)程溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力分布情況；韓建軍等[6]采用Fluent對(duì)某新型三元催化器結(jié)構(gòu)的流阻特性進(jìn)行了研究，表明氣流均勻性越好，壓降越低的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)有利于延長(zhǎng)三元催化器的使用壽命?；贑FD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)的數(shù)值模擬方法對(duì)觸媒內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可快速獲得相應(yīng)的速度及壓力等流場(chǎng)細(xì)節(jié)信息，為產(chǎn)品性能的評(píng)估提供理論支撐。目前常用的CFD分析求解軟件有ANSYS CFD(Fluent & CFX)，STAR-CCM+，Comsol Multiphysics，F(xiàn)loEFD等。其中，STAR-CCM+集成幾何前處理、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解及后處理等功能于一體，是具有較高集成度的流體分析軟件，已經(jīng)在整車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用[7-8]。

本文以某消聲器觸媒結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法，采用CFD仿真分析軟件STAR-CCM+11.06對(duì)消聲器觸媒前端喇叭口流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)比分析兩種規(guī)格觸媒(直徑45，52 mm)中喇叭口長(zhǎng)度、喇叭口形狀對(duì)速度及壓降的影響，獲取喇叭口不同長(zhǎng)度尺寸及形狀下速度及壓降分布規(guī)律，并對(duì)兩種規(guī)格觸媒結(jié)構(gòu)前端喇叭口長(zhǎng)度及形狀提出選型建議。該研究結(jié)果可為觸媒前端喇叭口尺寸參數(shù)的選擇提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)。

1 物理模型

對(duì)兩種觸媒規(guī)格(45 mm-120 mm/300 mm, 52 mm-150 mm/300 mm)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。具體尺寸為：45 mm規(guī)格觸媒的進(jìn)口段長(zhǎng)150 mm，直徑25 mm，過(guò)渡段長(zhǎng)(喇叭口長(zhǎng)度)為20 mm，與進(jìn)口段相連的直徑為35 mm，與觸媒段相連的直徑為45 mm；觸媒段直徑43 mm，長(zhǎng)120 mm，出口段直徑41 mm，長(zhǎng)180 mm； 52 mm規(guī)格觸媒的進(jìn)口段長(zhǎng)150 mm，直徑25 mm，過(guò)渡段長(zhǎng)(喇叭口長(zhǎng)度)為20 mm，與進(jìn)口段相連的直徑為35 mm，與觸媒段相連的直徑為52 mm；觸媒段直徑50 mm，長(zhǎng)150 mm，出口段與觸媒段相連處直徑52 mm，出口段直徑52 mm，出口段喇叭口長(zhǎng)度20 mm，直擴(kuò)散段長(zhǎng)度130 mm。 兩種觸媒規(guī)格的三維模型及網(wǎng)格模型如圖1所示，采用相同網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體設(shè)置為基本尺寸1 mm，最小尺寸0.3 mm，邊界層6層，邊界層增長(zhǎng)比1.3，邊界層厚度0.6 mm，網(wǎng)格數(shù)量約為100萬(wàn)。圖2為截面局部網(wǎng)格放大(進(jìn)口段到過(guò)渡段間中截面放大)，網(wǎng)格是采用STAR-CCM+流體分析軟件中的多面體網(wǎng)格技術(shù)和邊界層網(wǎng)格技術(shù)劃分獲得，通過(guò)軟件中網(wǎng)格質(zhì)量檢查功能(Mesh diagnostics)獲得網(wǎng)格質(zhì)量各評(píng)估指標(biāo)都達(dá)到90%以上，網(wǎng)格質(zhì)量較好。該計(jì)算域模型與整車(chē)及系統(tǒng)模型計(jì)算相比，比較簡(jiǎn)單，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證該網(wǎng)格具有較好的計(jì)算精度。觸媒前端不同喇叭口形狀如圖3所示。

圖1 觸媒物理模型

圖2 截面局部網(wǎng)格放大

圖3 觸媒前端喇叭口形狀

2 數(shù)學(xué)模型

選用STAR-CCM+11.06中Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行消聲器觸媒內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬研究。模擬不考慮溫度，數(shù)值求解過(guò)程僅需要求解流體連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。STAR-CCM+模擬分析就是求解相應(yīng)的控制方程，計(jì)算完成即可獲得相應(yīng)的流場(chǎng)模擬信息。相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型方程及湍流模型方程如下：

1) 連續(xù)方程[9]：

(1)

式中：ui為平均速度分量，m/s；xi為坐標(biāo)分量，m。

2) 動(dòng)量方程(N-S方程)[9]：

(2)

式中：ui，uj為平均速度分量，m/s；xi，xj為坐標(biāo)分量，m；p為流體微元體上的壓力，Pa；μeff為湍流有效黏性系數(shù)，Pa·s。

3)k-ε湍流模型方程[9]：

(3)

式中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk,σε分別為與湍動(dòng)能k和耗散率相對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶自定義的源項(xiàng)。

3 模型求解

將觸媒段處理為多孔介質(zhì)區(qū)域。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到觸媒的阻力特性(慣性阻尼系數(shù)和黏性阻尼系數(shù))，進(jìn)口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量入口，其大小由GT-POWER軟件通過(guò)一維仿真計(jì)算獲得(6000 r/min、100%油門(mén))，值為12.8 g/s；出口邊界設(shè)置為壓力出口，值為0 Pa。45 mm觸媒的觸媒段多孔介質(zhì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置為慣性阻尼51.395 kg/m4，黏性阻尼574.028 kg/(m3·s)；52 mm觸媒的觸媒段多孔介質(zhì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置為慣性阻尼44.082 kg/m4，黏性阻尼476.847 kg/(m3·s)。其余固體壁面為無(wú)滑移壁面邊界，計(jì)算域壁面函數(shù)采用STAR-CCM+推薦的Two Layer All Y+Wall Treatment模型。流體介質(zhì)為氣體，密度設(shè)置為0.435 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.000 018 9 Pa·s 。流場(chǎng)模擬計(jì)算時(shí)采用壓力與速度耦合的方法進(jìn)行求解計(jì)算，并采用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量、湍流強(qiáng)度(k)及湍流耗散率(ε)進(jìn)行離散化，使計(jì)算結(jié)果達(dá)到最佳的求解精度和收斂速度[10]。STAR-CCM+流體計(jì)算軟件自動(dòng)求解連續(xù)性方程、N-S方程及k-ε兩方程湍流模型方程，計(jì)算完成后即可獲得相應(yīng)的流場(chǎng)細(xì)節(jié)信息。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 速度分布

圖4為45 mm規(guī)格的觸媒在不同喇叭口長(zhǎng)度尺寸下入口截面合成速度對(duì)比。從圖中可以看出，喇叭口長(zhǎng)度增長(zhǎng)，最大速度減小。隨著喇叭口長(zhǎng)度的增加，速度逐漸趨于平穩(wěn)，速度變化的梯度會(huì)有所減小，從而引起最大速度值的減小。

圖5為45 mm規(guī)格觸媒在不同喇叭口長(zhǎng)度下入口截面合成速度對(duì)比。從圖中可以看出，喇叭口越長(zhǎng)，氣流擴(kuò)散得越好，觸媒入口截面氣體合成速度的最大值越小，且高速區(qū)域分布的范圍也越小，這樣就降低了高速?gòu)U氣對(duì)觸媒的燒蝕破壞，提高了觸媒的壽命。80，100 mm兩種喇叭口長(zhǎng)度尺寸下的合成速度間的差異減小。圖6為45 mm觸媒在長(zhǎng)斜面喇叭口形狀下的合成速度分布，結(jié)合圖5，對(duì)比相同長(zhǎng)度的喇叭口可知，采用長(zhǎng)斜面喇叭口可以減小合成速度，降低廢氣對(duì)觸媒部件的破壞。圖7為45 mm規(guī)格觸媒入口截面軸向速度分布云圖，由圖可以看出，喇叭口的長(zhǎng)度及形狀對(duì)觸媒進(jìn)口處截面的軸向速度大小及分布幾乎沒(méi)有影響。

圖5 45 mm觸媒時(shí)不同喇叭口長(zhǎng)度狀態(tài)的入口截面合成速度云圖

圖6 45 mm觸媒時(shí)長(zhǎng)斜面喇叭口狀態(tài)的入口截面合成速度云圖

圖7 45 mm觸媒時(shí)入口截面軸向速度云圖

圖8、圖9為52 mm觸媒在不同喇叭口長(zhǎng)度尺寸和喇叭口形狀時(shí)的速度對(duì)比。由圖可以看出，最大合成速度隨著喇叭口長(zhǎng)度的增加而有明顯的減小，喇叭口長(zhǎng)度增長(zhǎng)，最大合成速度減小。最大軸向速度隨著喇叭口長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而幾乎不變。無(wú)臺(tái)階長(zhǎng)斜面喇叭口最大合成速度及軸向速度略低于長(zhǎng)斜面喇叭口最大合成速度及軸向速度值。

由于軸向速度變化差異不大，因此，針對(duì)52 mm僅查看不同喇叭口長(zhǎng)度尺寸下的合成速度分布云圖。圖10為52 mm觸媒在不同喇叭口長(zhǎng)度尺寸下入口截面合成速度云圖，由圖可以明顯地看出，隨著喇叭口長(zhǎng)度的增加，合成速度最大值減小。喇叭口長(zhǎng)100和120 mm時(shí)最大合成速度值間差異不大，且速度分布基本相同。圖11為52 mm觸媒在100 mm喇叭口長(zhǎng)度下有無(wú)臺(tái)階的流速對(duì)比，無(wú)臺(tái)階的喇叭口整個(gè)流場(chǎng)比較順暢，速度分布均勻，因此，在條件允許時(shí)盡量使喇叭口與排氣管平滑過(guò)渡，避免出現(xiàn)臺(tái)階產(chǎn)生較大的能量損失。圖12為觸媒入口截面速度均勻性對(duì)比。從圖中可以看出，隨著喇叭口的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，觸媒的均勻性略有改善。

圖10 52 mm觸媒時(shí)入口截面合成速度云圖

圖11 52 mm觸媒喇叭口長(zhǎng)100 mm時(shí)的流速云圖

4.2 壓降分布

圖13—15分別為45 mm觸媒不同喇叭口長(zhǎng)度下壓降分布、52 mm觸媒長(zhǎng)斜面喇叭口不同喇叭口長(zhǎng)度下壓降分布及52 mm觸媒無(wú)臺(tái)階長(zhǎng)斜面喇叭口不同喇叭口長(zhǎng)度下壓降分布。從圖中可以看出，前端壓降及觸媒壓降隨著喇叭口長(zhǎng)度的增加，未產(chǎn)生明顯的變化。對(duì)于無(wú)臺(tái)階長(zhǎng)斜面的喇叭口形狀，喇叭口進(jìn)口處無(wú)臺(tái)階，氣流在觸媒前端的流動(dòng)比有臺(tái)階的更穩(wěn)定順暢，且相同長(zhǎng)度的喇叭口，無(wú)臺(tái)階的壓降比有臺(tái)階的要小。說(shuō)明臺(tái)階處產(chǎn)生的能量損失非常大。喇叭口長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的前端壓降及觸媒壓降越小，造成這種現(xiàn)象的原因是喇叭口長(zhǎng)度越長(zhǎng)，流速隨著喇叭口長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而變得越來(lái)越平穩(wěn)，不會(huì)造成較大的速度梯度，因此對(duì)應(yīng)的壓降略有減小。

4.3 選型建議

針對(duì)45 mm觸媒結(jié)構(gòu)，觸媒入口截面最大合成速度隨喇叭口長(zhǎng)度的增加而減小，高速區(qū)域分布的范圍也減小，降低了高速?gòu)U氣對(duì)觸媒的燒蝕破壞，可提高觸媒的使用壽命，80及100 mm喇叭口長(zhǎng)度下最大合成速度值差異不大，且長(zhǎng)斜面喇叭口形狀有利于氣流順暢的流動(dòng)，產(chǎn)生較小的壓降。因此，建議對(duì) 45 mm 觸媒采用長(zhǎng)斜面喇叭口，且喇叭口長(zhǎng)度最好不小于 80 mm。

同理，針對(duì)52 mm觸媒結(jié)構(gòu)，從速度均勻性、最大合成速度值、氣流流動(dòng)順暢度及壓降等方面綜合考慮，建議 52 mm 觸媒喇叭口的長(zhǎng)度不小于 100 mm，且在條件允許時(shí)盡量使喇叭口與排氣管平滑過(guò)渡，避免出現(xiàn)臺(tái)階產(chǎn)生較大的能量損失。

5 結(jié)論

1) 觸媒前端喇叭口結(jié)構(gòu)對(duì)觸媒段最大合成速度及壓降影響較大，最大合成速度值隨著喇叭口長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而減小，最大軸向速度及壓降變化不明顯。采用長(zhǎng)斜面喇叭口可以減小合成速度的大小，降低廢氣對(duì)觸媒部件的破壞。45 mm觸媒喇叭口長(zhǎng)度達(dá)到80 mm及以上，最大合成速度趨于定值；52 mm觸媒喇叭口長(zhǎng)度達(dá)到100 mm及以上，最大合成速度趨于定值。

2) 針對(duì)45 mm觸媒結(jié)構(gòu)，依據(jù)合成速度變化規(guī)律，建議采用長(zhǎng)斜面喇叭口，且喇叭口長(zhǎng)度最好不小于 80 mm；針對(duì)52 mm觸媒結(jié)構(gòu)，建議 52 mm 觸媒喇叭口的長(zhǎng)度不小于100 mm，且在條件允許時(shí)盡量使喇叭口與排氣管平滑過(guò)渡，避免出現(xiàn)臺(tái)階產(chǎn)生較大的能量損失。