催化轉化器內部瞬態流動過程CFD分析

梅德純，劉智鑫，涂立志，張宏春

（1.江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮江 212028；2.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

設計研究

催化轉化器內部瞬態流動過程CFD分析

梅德純1，劉智鑫2，涂立志2，張宏春1

（1.江蘇省交通技師學院，江蘇 鎮江 212028；2.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013）

運用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)方法分析了催化轉化器內部瞬態流場的變化。結果表明：沿催化轉化器載體軸向，由于入口處壁面的影響及尾部發生邊界層分離，在進出口處分別出現兩個氣流速度低峰；在載體某一截面徑向方向上，氣流速度和溫度都呈現中央高而邊緣低的分布；由于固相熱導率和熱容量大，催化轉化器固相上的溫度變化很小；在一個工作循環中，隨著曲軸轉角變化，由于管壁處形成的漩渦區，催化轉化器中氣流均勻性系數先降低后升高，而由于流動阻力的影響，壓力損失先上升后下降。研究可為催化轉化器設計及性能分析提供依據與參考。

催化轉化器；流固耦合；流場；熱應力

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

引言

三效催化轉化器(Three way convertor, TWC)可以高效地將發動機排放的CO、HC和NOx等有害物轉化為無害物質，是滿足日益嚴格排放法規的重要的機外凈化裝置。凈化器是排氣系統中的高溫元件，其內部流動的均勻性及高溫尾氣產生的熱應力極大地影響著凈化器的轉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部穩態流場的數值模擬，對流場結構、速度分布及壓力損失等進行分析，但很少考慮實時瞬態條件下的流動特性。凈化器內高溫瞬態流動將產生熱變形和熱沖擊，對凈化器使用壽命有較大影響。本文對瞬態條件下凈化器內流動過程進行CFD模擬，分析其瞬態特性，為優化凈化器性能提供依據與參考。

1 模型與前處理

1.1 催化轉化器模型

諸多大小相同的孔道(如三角形、正方形、圓形及波紋形)構成了催化轉化器蜂窩陶瓷載體[1]。通過三維模擬各管道內流場分布，可以精確得到載體內部氣流的運動情況，但很難流動計算三維網格為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，采用當量連續法，即孔道內的氣流在載體內看作是連續分布[3]，研究催化轉化器內部氣流的分布情況。凈化器的幾何尺寸如圖1所示。

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

依據圖1的凈化器幾何尺寸，使用Pro/E建立催化轉化器三維模型，然后劃分六面體網格，如圖2所示。由于模型簡單規則，采用建立塊(Block)的方法生成六面體網格，此方法的優勢在于可生成高質量的結構網格，并且可以通過節點數和比率靈活控制邊界層網格數量。該模型的節點與單元數目分別為 241564和 231040。通過網格質量檢查發現Determinant(2×2×2)在0.7-1之間，該模型的網格質量很好，能夠滿足計算要求。

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

1.2 邊界條件設定

以188F汽油機為研究對象，其排量為389ml，標定功率為6.2kW（3000r/min）。凈化器內部氣體流動遵守質量守恒、動量及能量守恒定律。采用k-ε模型求解湍流方程。考慮排氣壓力波動，計算時間0.32 s（即8個循環），前7個循環用于保證計算收斂，而最后一個循環用于結果輸出[4]。具體模擬參數設置見表1，如圖3所示的催化轉化器入口處壓力和溫度實時數據，作為模擬計算的入口邊界條件。

表1 模擬計算參數設置Tab.1 Parameters setting for numeric calculation

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

2 催化轉化器瞬態擬分析

2.1 模型有效性驗證

圖4 距入口處176mm處速度實測值與計算值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值與模擬值的對比情況。在標定工況下，在距離進化器入口 176mm的截面上，以靜壓法分別測量了距離中心 0mm、15mm、25mm和35mm等測點的速度值。從圖中可以明顯看到，模擬值與試驗值變化規律保持一致，即呈現中間流速高邊緣流速低的態勢，整體趨勢吻合較好并且相對誤差小于10%。說明催化轉化器的三維模型能夠較好地反應真實氣體流動情況，建立的催化轉化器流動數學模型是可靠的。模擬值與測量值之間的存在誤差主要與計算模型以及測量誤差等有關。

2.2 瞬態流場分析

圖5描述了180°范圍內不同曲軸轉角內催化轉化器內部流速、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分別對應第8個循環下0°CA、36°CA、72°CA、108°CA、144°CA、和 180°CA。選擇 0-180°CA 而非一個循環，是由于在180°CA內出現波動壓力的峰值。由速度分布圖 5(a)可見，在擴張管壁面附近出現了漩渦區，該漩渦的存在增加了催化轉化器內部流場的不均勻性，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t=0.280 s時，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，高靜壓區的存在導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。隨著時間的推移，高溫逐步擴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 不同時刻凈化器內部流速、溫度和壓力軸向分布情況Fig.5 Distributions of flow velocity, temperature and pressure at various moments

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

圖7描述了180°CA范圍內不同曲軸轉角下，催化轉化器軸向壓力分布情況。由圖8可知，壓力峰值出現在載體前端，并且隨著來流壓力的增大，其在載體中出現的壓力峰值明也顯增大。此時存在較大的壓力損失，意味著催化轉化器的空氣動力學性能較差，影響發動機的動力性與經濟性。

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

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

圖8描述了180°CA范圍內不同曲軸轉角下，催化轉化器軸向和徑向溫度分布情況。從圖 8(a)可知，當入口氣流溫度為782.4K(0°CA情況下)時，傳到固體壁面上僅有740.8K，這是由于氣流通過多孔介質時屬于強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，并且呈現拋物線狀(與文獻[7]結論一致)。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。

當熱流量、材料的厚度及傳熱面積不變時，導熱溫差與熱導率成反比[8]。事實上，這是由于固相的熱導率和熱容量遠遠高于氣相。固體域良好的保溫效果加快了尾氣在壁面發生的催化反應，有利于提高尾氣的轉化效率。

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

2.3 流動均勻性

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

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

計算一個循環(0-720°CA)中每度曲軸轉角下所對應的均勻性系數以及壓降，如圖9所示。由圖9可見隨著壓力峰值逐步逼近，均勻性系數呈下降趨勢，在172°CA時出現最低，隨后呈上升趨勢。出現此現象的原因在于：擴張管處形成的渦流的強烈程度取決于進入催化轉化器內尾氣的流速，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，壓降隨著曲軸轉角增加，呈現先上升后下降的勢態。原因在于：入口壓力越大在載體內所產生的流動阻力就越大，能量損失就越多，根據伯努利方程可知，壓降也就越大。綜上所述，在一個循環下壓力降與均勻系數均隨時間變化而變化，呈現波動狀態。可以推斷，在高速大負荷下，此狀態更加明顯，均勻性系數的差距也會愈發明顯。

圖9 一個循環下壓力降與均勻系數Fig.9 Pressure drop in the catalytic convertor and its uniformity coefficient in a cycle

3 結論

運用 CFD仿真模擬分析了發動機尾氣凈化器內部氣流的瞬態流動過程，得出以下結論：

（1）在三效催化轉化器內，由于載體前端入口處壁面影響及尾端發生邊界層分離，在載體入口及出口處均出現軸向速度突降，載體內部氣流軸向速度較為穩定；載體內部徑向氣流速度分布呈現中間高、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，徑向溫度呈現處中間高、邊緣低的趨勢，軸向溫度逐漸降低；由于固相熱導率和熱容量遠遠高于氣相，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）在一個瞬態周期內，隨著入口流速增加，催化轉化器擴張管壁面形成的渦流增強，流動阻力增大，氣流均勻性變差，當排氣壓力出現峰值時(172°CA時)，氣流均勻性系數最低。

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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 文獻標志碼：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安全技術。

國家自然科學基金項目（51506101）；江蘇交通運輸科技項目（2016T13）。