收縮管角度對車用催化轉化器流動特性的影響

許建民,劉金武

(廈門理工學院機械工程系,福建廈門,361024)

隨著汽油機電子控制燃油噴射系統的不斷完善和無鉛低硫汽油的燃用,采用三元催化轉化器是控制汽車排放最有效的措施。常規結構的催化轉化器,在其擴張管段上,由于氣流的擴散,導致其流速分布不均勻。管道中心氣體的流速高,使得氣體流動集中在載體中心區域,導致該區域氣體的流速過快、溫度過高;而載體邊緣氣流量小,溫度較低,使得載體中心區域的催化劑老化加快,而邊緣區域的催化劑卻不能充分發揮作用,既降低了催化轉化器的轉化效率,又縮短了其使用壽命。另外,由于溫度分布的不均勻,導致載體截面產生熱應力,容易使載體損壞[1-4]。因此,利用計算機流體動力學(CFD)軟件改進目前的催化轉化器結構,對于獲得較好的流動均勻性和較低的壓力損失、改善轉化效率、延長使用壽命、減小對發動機動力性和經濟性的影響以及加快起燃等方面具有重要的理論意義和實用價值。為此,本文采用CFD軟件Fluent對催化轉化器的流動特性進行仿真計算,并考察了無化學反應和熱傳導的穩定流動問題,采用數值模擬的方法研究出口收縮管角度對催化轉化器流場速度分布特性和壓力損失的影響。

1 數學模型及其數值求解

1.1 催化轉化器內部流場的數學建模基礎

本文研究入口擴張管和載體相同且出口收縮管角度分別為60°、90°、120°的3種催化轉化器的流場。3種催化轉化器的載體直徑為90 mm、長度為120 mm,入口擴張管角度為60°。對催化轉化器內部流場進行數學建模,其控制方程和湍流模型參見文獻[2]和文獻[5]。

1.2 催化轉化器載體流動模型

本文僅對陶瓷蜂窩載體采用當量連續法進行模擬和分析。把蜂窩載體作為多孔介質,多孔介質的孔隙率是0.85,對載體流動阻力有很大影響。由于載體管道尺寸非常小,一般孔道內流體流動的雷諾數為,可假設載體單根管道內的氣流為不可壓縮層流[6-7]。當多孔介質具有很大阻力時,可以忽略動量方程的對流項和擴散項,這時動量方程就簡化為

式中:p為壓力;為笛卡爾坐標方向和相應的分速度;Ki為滲透率,與當地氣流速度大小|V|成正比,其中為經驗常數,在氣流方向由試驗確定,在徑向和周向取為1×105,即認為氣流只沿軸向流動,在其他兩個方向沒有質量交換。

1.3 數值求解

利用三維軟件U G對催化轉化器進行三維建模,結果如圖1所示。將三維模型導入Fluent的前處理軟件Gambit中,對計算區域進行網格劃分。為了更清楚地顯示催化轉化器兩端圓錐管接頭處的流動特性,沿軸向對此處網格進行了加密,共得到370 000個網格。

在發動機常規流量范圍內,取軸向速度為50 m/s,徑向和周向速度為零。出口邊界按充分發展了的流動處理,即出口處各單元的速度梯度為零。壁面速度為無滑移邊界。

采用Fluent軟件對模型進行求解。

圖1 催化轉化器的三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of catalytic converter

2 計算結果與分析

2.1 出口收縮管角度對催化轉化器速度場的影響

因為催化轉化器具有軸對稱性,故僅給出其二維流動結果。圖2所示為3種催化轉化器內部流體的速度分布圖。從圖2中可以看出,3種催化轉化器入口擴張管處的氣流分布都比較均勻,且均勻程度一致,但出口收縮管處氣流分布均勻程度不一致,且隨著收縮管角度的增大,催化轉化器內的流速分布越不均勻。

對于流速分布是否均勻,可以引入流動均勻性指數[8-9]來評價。流動均勻性指數為0～1,均勻性指數越大,表示流動越均勻,流動均勻性指數為1表示流體為理想的均勻流。表1所示為3種出口收縮管角度催化轉化器的流動均勻性指數。由表1中可知,對于同一催化轉化器,收縮管角度增大,催化轉化器內流體的速度分布趨向明顯不均勻,這是由于收縮管角度增大使得流過載體的氣流在出口收縮管處受到很大的阻力,從而導致出口處流速有很大的波動。

圖2 催化轉化器內部流場的速度云圖Fig.2 Velocity cloud chart for catalytic converters

表1 催化轉化器流動均勻性指數Table 1 Flow uniformity index for catalytic converters

2.2 出口收縮管角度對催化轉化器壓力場的影響

圖3所示為不同出口收縮管角度的催化轉化器內部流體的壓力分布圖。從圖3中可以看出,隨著出口收縮管角度的增大,催化轉化器內部流體的壓力損失趨向增大,但增幅較小。模擬計算可得:催化轉換器的收縮管角度為60°時其壓力損失為4 628 Pa,收縮管角度為90°時其壓力損失為4 837 Pa,收縮管角度為120°時其壓力損失為5 221 Pa。因為收縮管角度增大,收縮管越陡,對氣流的阻力越大,從而使其壓力損失增加。雖然出口收縮管角度減小會使催化轉化器總長增加,但由此引起的壓力損失的增量很小,故在設計催化轉化器的時候應盡量使出口收縮管角度小一些。

圖3 催化轉化器內部流場的壓力云圖Fig.3 Flow pressure cloud chart for catalytic converters

3 結語

對于同一型號的催化轉化器,收縮管角度越大,其內部氣體流速分布越不均勻,壓力損失也越大。在設計催化轉化器時,要綜合考慮出口收縮管角度對其氣流分布和壓力損失的影響。

[1] 梁呈.汽油車催化轉化器流場研究與結構優化設計[D].長沙:湖南大學,2003:12-18.

[2] 帥石金,王建昕,莊人雋.CFD在車用催化轉化器結構優化設計中的應用[J].汽車工程,2000,22(2):129-133.

[3] 帥石金,王建昕,莊人雋.斜擴張管催化器流場三維數值模擬和結構優化設計[J].燃燒科學與技術,2001,7(3):298-301.

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

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

[6] 陳明華,司傳勝.基于CFD的車用催化轉化器的結構優化設計[J].中國制造業信息化,2006,23(17):71-77.

[7] 趙繼業,陳覺先,朱國朝,等.利用CFD分析催化轉化器不同設計因素的影響[J].小型內燃機與摩托車,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].上海交通大學學報,2007,41(4):537-540.

[9] 修巖,何立.端面造型載體催化器結構優化設計[J].機械設計與制造,2009(3):42-44.