（农业机械化工程专业论文）cfd技术在催化转化器上的应用研究.pdf

摘要 催化转化器能减少汽车排放物中的有害成分，是目前最有效的汽车排放控制装 备。随着排放法规的日趋严格对催化转化器性能的要求也越来越高，塍化转化器的 研发已经成为汽车工业中的热门话题。 催化转化器研发的传统手段是试验研究，它虽然可以为催化器的研发提供必要的 信息，但是无法研究整个催化转化器内部气体传质、传热以及流动的情况。随着计算 机技术的发展和催化转化器数学模型的成熟，出现了另一种研发手段数值模拟。 本文用数值模拟手段对催化转化器进行了研究，使用的f l u e n t 是大型的计算流体力学 软件( c f d ) ，能够模拟复杂几何形状孔道中物质的流动和热传递。 对一种含p d 的三效催化剂进行实验室评估，并模拟了此催化剂的起燃过程。模拟 结果显示了起燃过程中催化转化器载体温度场以及气体浓度场的变化。 载体的流速分布对催化转化器的使用效率、起燃特性和寿命都有很重要的影响； 压力损失则影响着发动机动力性和燃油经济性。因此改善催化转化器的流动特性至关 重要，它是催化转化器优化设计的目标之一。 通过催化转化器的稳态实验，分析了不同扩张角对催化转化器内流场的影响，然 后对不同扩张管催化转化器的流场进行数值模拟。模拟结果显示了不同扩张管结构的 载体内的流速分布，与稳态实验测试的结果基本一致。这说明c f d 技术可用于催化转 化器优化设计。研究中应用c f d 技术对一形状不规则的催化转化器进行结构优化设计 分析了不同的入口管倾斜角、扩张管倾斜角对催化转化器流动特性的影响，找到了此 催化转化器最优的结构参数。 本研究中的特点： 1 在建模过程中，运用c f d 的知识和理论，建立了催化转化器内部流场和非稳态潞 度场数学模型，同时充分考虑化学反应放热对载体升温过程的影响。使得该模型更合 理；分析了催化转化器内部流速分布均匀性提出了符合数学模型的流速分布不均匀 系数的计算方法。 2 在模型求解过程中，利用“d u a l e e l l ”网格求解技术，通过c f d 软件f l u e n t 的接 口和自编的“n e w t o n r a p h s o n ”算法，对模型进行了计算。 3 通过实验与计算机模拟结果对比，验证t c f d 技术在新型催化转化器研发中的 有效性。 关键词：排放控制计算流体力学建模模型求解 a b s tr a c t p r e s e n t l y ，c a t a l y t i c c o n v e r t e ri st h em o s te f f e c t i v ee q u i p m e n tt o e m i s s i o nc o n t r o l ， w h i c hc a nr e d u c eh a r m f u l i n g r e d i e n t o fa u t o m o b i l ee m i s s i o n ，w i t ht h es t a n d a r d f o r d i s c h a r g eb e c o m i n gs t r i n g e n t ，t h er e q u e s t o fc a t a l y t i cc o n v e n e r sp e r f o r m a n c e sa l s o b e c o m e r i g i d r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f c a t a l y t i c c o n v e r t e rh a sb e c o m eah e a t e dt o p i c t e s ti sat r a d i t i o n a lm e t h o d ，w h i c hc a ng i v en e c e s s a r ym e s s a g et ot h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fc a t a l y t i cc o n v e n e 5b u t i tc a n ts h o wf h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n d i n t e r n a lf l o wi nc a t a l y t i cc o n v e n e r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e m a t u r i t yo f n u m e r i c a l m o d e lo f c a t a l y t i cc o n v e r t e 5a n o t h e rm e t h o d - - - n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i sa v a i l a b l e i nt h i sp a p e r ，c a t a l y t i cc o n v e n e ri ss t u d i e dw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d a n df l u e n ti su s e dw h i c hi sak i n do fc f ds o f t w a r e i tc a ns i m u l a t eh e a tt r a n s f e ra n d i n t e m a lf l o wi nc o m p l e xs h a p ec h a n n e l a t h r e e - w a yc a t a l y s ti n c l u d i n gp di s e v a l u a t e d u s i n gt e s tm e t h o da l l d i t s l i g h t o f f c o u r s ei ss i m u l a t e d t h er e s u l ts h o w st h ec h a n g eo fi t st e m p e r a t u r ef i e l da n dc o n c e n t r a t i o n f i e l di nl i g h t o f f c o u r s e f l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i n gi nm o n o l i t hg i v e sg r e a te f f e c to nt r a n s f o r me f f i c i e n c ya n d l i g h t - o f fc h a r a c t e ra n dl i f eo fc a t a l y t i cc o n v e n e r p r e s sl o s i n gc a l li n f l u e n c ed y n a m i c so f e n g i n ea n de c o n o m y o ff u e l s oi m p r o v i n gf l o w p e r f o r m a n c eo fc a t a l y t i cc o n v e n e r i sv e r y i m p o a a n t ，w h i c h i so n e g o a l t 0c a t a l y t i cc o n v e n e r o p t i m a ld e s i g n t h r o u g h t h es t e a d yt e s to f c a t a l y t i cc o n v e n e r ，w h a td i f f e r e n ta n g l e so fe x p a n d i n gt u b e i n f l u e n c eo nc a t a l y t i cc o n v e r t e ri s a n a l y z e d ，a n dt h e nf l o w i n gf i e l di ss i m u l a t e d f l o w v e l o c i t yd i s t r i b u t i n go fd i f f e r e n te x p a n d i n gt u b e si ss h o w e di ns i m u l a t i o nr e s u l t ，w h i c hi s c o n s i s t e n tw i t ht e s tr e s u l t i ti s p r o v e dt h a tc f dt e c h n o l o g yc a r l b eu s e di n c a t a l y t i c c o n v e r t e ro p t i m a ld e s i g n a no p t i m i z i n gp r o j e c to fa na s y m m e t r yc a t a l y t i ce o n v e r t e ri s a n a l y z e du s i n gc f d t e c h n o l o g y e f f e c to f d i f f e r e n ti n c l i n ea n g l eo f i n l e tt u b ea n dd i f f u s e r t u b eo nf l o w p e r f o r m a n c e i sa n a l y z e da n d t h eb e s tp a r a m e t e ro fi t ss t r u c t u r ei sf o u n d 。 s p e c i a li nt h es t u d y ： d u r i n gt h ep r o c e s so fb u i l d i n gt h em o d e l ，i ti sc o n s i d e r e df u l l yh o wt h er e a c t i o nh e a t i n f l u e n c e st h et e m p e r a t u r eo f m o n o l i t h ，w h i c hm a k e st h em o d e lc o n s i s t e n tw i t ht h ef a c t w h e ni n t e r i o rf l o wd i s t r i b u t i o ni sa n a l y z e d ，t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o d o ff l o wd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gw i t hn u m e r i c a jm o d e 】j sd e d u c e d d u r i n gt h ep r o c e s so fs o l v i n gt h em o d e l ，t h em o d e li ss o l v e db yi n t e r f a c eo fc f d s o f t w a r e a n d n e w t o n r a p h s o n ”a r i t h m e t i cw i t h “d u a l c e l l ”m e s h e st e c h n o l o g y 1 1 3 t h r o u g ht h ec o m p a r eo f t e s tr e s u l ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t ，i ti sp r o v e dt h a tc f d t e c h n o l o g yc a n b eu s e di nr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fc a t a l y t i cc o n v e r t e l k e y w o r d s ：e m i s s i o n c o n t r o l ，c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，b u i l dm o d e l ，s o l v em o d e l h i 插图清单 图2 一l 催化转化器的组成9 图2 2 载体类型1 0 图3 1 常规催化转化器的结构1 5 图4 1 进、出口扩张管网格2 7 图4 2 载体气体网格2 7 图4 3 载体固体网格2 7 图4 - 4 分离求解框图2 8 图4 - 5 离散方程的控制体积”- 2 9 图4 6 催化转化器设计的传统方法3 0 图4 7 催化转化器的现代设计方法3 1 图5 一l 催化剂制备流程图3 2 图5 2 气体流向图3 4 图5 - 3 配气活性测试系统示意图3 5 图5 4 扫描实验结果3 6 图5 - 5 升温实验结果3 6 图5 - 6 催化转化器外形图3 7 图5 7 计算区域的划分3 7 图5 8 催化转化器载体温度场的变化4 2 图5 - 9 载体平均温度随时间的变化4 2 图5 1 0c o 转化率随时问的变化4 2 图5 1l 催化转化器内部c 0 浓度场的变化4 4 图6 1 稳态试验台4 6 图6 2 可拆式催化转化器结构示意图4 7 图6 - 3 不同扩张管结构示意图4 7 图6 4 扩张管角度对流速分布的影响4 8 图6 5 三种催化转化器结构的计算网格4 9 图6 6 计算值和试验值的比较5 0 图6 7 催化转化器结构尺寸图5 0 图6 8 催化转化器的计算网格5 1 图6 9 不同催化转化器结构的速度矢量图5 3 图6 一1 0 不同角度入口管催化器的流速分布不均匀性系数分布图5 5 图6 一l l 不同角度入口管催化转化器的压力损失5 5 v l 图6 - 1 2 不同扩张管倾斜角的速度矢量图5 7 图6 1 3 不同扩张管倾斜角的流速分布不均匀性系数图5 9 图6 一1 4 不同扩张管倾斜角的压力损失5 9 v l i 附表清单 表3 一l 空气物理参数随温度的变化值1 6 表3 2 载体压力损失对载体结构参数的依赖性1 9 表4 一l 系数经验值2 3 表5 一l 载体的比表面积3 3 表5 2 扩散系数d 。和导热系数以3 9 v i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鲎茎茵 时间： 加，捧争月莎日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定。即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：蓬药茎l时间： 扫哆年牛月矿月 第一导师签名；l 童么垒 时间：励r 啤q 月孑日 1 1研究背景 第一章概述 汽车工业的发展给人类的工作和生活带来了巨大的便利，但同时也给环境带来了 很大的危害。1 9 4 3 年和1 9 5 4 年，美国洛杉矶市就发生了两次由汽车排气造成的光化 学烟雾事件。至2 0 世纪7 0 年代，汽车排气已经成为城市中最主要的大气污染源。据 统计，汽车排气污染占大气污染的5 0 左右i “3 1 。汽车尾气污染已经成为世界上最大 的环境问题。引起了人们的广泛关注。为此世界各国纷纷出台排放标准来限制汽车尾 气排放，保护人类的健康。1 9 5 7 年，美国加利福尼亚州颁布了世界上第一部汽车排 放标准：1 9 7 0 年，美国联邦政府颁布了f 生界上首部全国性排放法规；2 0 世纪后期， 欧美等国政府颁布了更为严格的超低排放标准和零排放标准t 4 - 5 1 ；t 9 本也出台了相关 标准1 6 1 。 我国的汽车工业发展较晚，但汽车的产量和保有量增长迅速，机动车排气污染同 益严重。1 9 9 5 年，全国汽车总保有量达到1 1 0 0 万辆2 0 0 0 年为18 0 0 多万辆，而且 正以1 5 左右的速度快速发展。私人轿车正在逐步地进入家庭预计2 0 1 0 年，全国 汽车保有量将达到4 5 0 0 5 0 0 0 万辆。由于汽车数量的不断增加，从9 0 年代起，汽车 尾气污染在我国大城市中已经日益突出。1 9 9 5 年全国机动车排放的c o 和n o 。分别 达到2 0 0 0 万吨和1 2 0 万吨。在大城市中，汽车排放的c o 对大气污染分担率达到8 5 ，n o 。达到4 5 5 0 ，成为城市的主要污染物。因此，治理汽车污染已经成为 我国环境治理中的一项重要任务1 7 - 9 1 。 面对日益严重的汽车尾气污染问题，】9 9 9 年3 月1 同，国家质量技术监督局发 布了相当于欧i 标准排放法规的国家标准g b l 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车排放污染物限值及测 试方法。并于2 0 0 0 年1 月1 日起开始实施。此外根据国家环保总局、科技部和国家 机械工业局联合发布的机动车排放污染防治技术1 1 0 ，我国在今年开始实施欧i i 法规，20 1 0 年前后与国际排放控制水平接轨。 面对曰益严格的排放标准，在汽车排气管路上安装三效催化转化器是降低汽车排 气污染物浓度的有效措旋，排放法规对催化转化器的性能要求也提出了挑战。 在催化剂方面，不但要求有较高的活性，而且要有足够长的寿命。国外一般要 求新车用转化器在使用5 万英里( 约8 万公里) 后整车排放仍能满足法规要求。而近 年来对转化器的耐久性要求又提高到8 万英里甚至1 0 万英里。 改善催化转化器的起燃性能也非常重要。在新的欧洲测试循环和美国的f t p 7 5 测试循环中，汽车冷启动期间( 2 0 0 秒左右) 的废气排放占整个测试循环的6 0 8 0 t i l l 。因此，如阿减少冷启动排放是满足将来排放法规的关键。 全面改善催化转化器内的流速分布均匀性和压力损失。据有关资料统计”“，催 化转化器的压力损失占整个发动机排气系统压力损失的3 0 - 4 0 ，而国产催化器 的流动阻力比国外产品还要大，这一差距随排气流量的增加而增大。 较大的排气背 压不但制约着发动机的输出功率，而且还影响着发动机的燃油经济性。催化转化器载 体的流速分布不均匀不仅降低催化剂的使用效率，加速催化剂的劣化程度，还会导致 载体径向温度梯度过大，造成温度热应力，产生热疲劳，这些都会降低其使用寿命。 同时，流速分布对催化转化器的起燃特性也有较大的影响。因此研究催化转化器的流 速分布意义重大，它不仅能够为催化转化器的结构优化提供理论指导，还为发动机和 整个排气系统的匹配提供必要的信息。 催化转化器内部流动非常复杂( 包括传热、传质和化学反应等现象) ，受到转化 器内部结构复杂和恶劣工作环境的限制，要想针对转化器流动特性进行优化设计非常 困难。同时，依靠试验的方法来设计和优化催化转化器要耗费大量的人力、物力和时 间。但是随着计算机技术的发展，计算流体力学技术( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 在改善流速分布和减少压力损失，提高催化剂的使用效率，减少载体的热应力，延长 其使用寿命等方面发挥了很大的作用。应用c f d 技术对转化器进行优化设计可以缩 短开发周期，减少开发费用，提高催化转化器的转化性能。 在国内车用催化转化器的开发起步较晚，在催化转化器的结构设计方面与国 外有较大的差距。我国对催化器的研究主要集中在催化剂制各上，而对催化器的设计 还停留在传统的经验设计法上，缺乏有效的理论指导。采用建立数学模型、进行数值 模拟的方法研究催化器性能，可以减少试验量，并为催化器的设计和优化提供理论指 导。本文就是在这样的背景下，采用数值模拟和实验相结合的方法研究催化器的性能、 优化催化器的设计，这种研究具有重要的社会价值和经济价值。 1 2 国内外对催化转化器的研究概况 1 2 1 国内外对催化转化器的实验研究 催化剂方面 1 9 4 3 和1 9 5 4 美国洛杉矶两次光化学烟雾事件后，各国科研工作者丌始关注汽车 尾气的污染与防治问题。2 0 世纪6 0 7 0 年代大多数的文献只集中于对尾气中c o 和 h c 的氧化，即氧化型“二元“催化剂( 第l 代车用催化剂) 的玎发与研究i i 3 - 1 7 l 。氧化 型催化剂所采用的活性组分主要为铜c u 、铬c r 、钴c o 、镍n i 、钼m o 、锰m n 、钒 v 和铁f e 等非贵金属的氧化物及贵金属p t p d 。当时汽车使用的是合钳汽油。1 9 6 3 年h o f e r 、s h u l t z 和f e e n a n 首次报道了铅对车用催化剂活性的影响。 早期的车用催化剂大多采用氧化铝y - a 1 2 0 3 小球作为载体。1 9 4 9 年h o u d r y 发明 了陶瓷蜂窝载体，1 9 5 2 年h o u d r y 为其陶瓷载体的发明申请了专利【1 8 9 j 。这一专利后 经f o r d 、m o b i l 及c o m i n g 等公司的发展，很快转化为成熟的制备技术。1 9 7 4 年c o m i n g 公司推出其第一代的每平方英寸2 0 0 孔、壁厚0 2 5 4 m m 的蜂窝陶瓷载体。到2 0 0 0 年 c o m i n g 公司已开发出每平方英寸9 0 0 孔、壁厚o 0 8 5 m m 的高孔密度蜂窝陶瓷产品。 美国1 9 8 0 年实施的排放法规开始对n 眈的排量作严格的限制，促进了车用三效 催化器( 剂) 产品的开发与应用。这一时期先后出现了第2 代的单床或双床的p t r h 双 金属催化剂及p t r h p d 三金属催化剂 2 0 - 2 1 1 。蜂窝陶瓷载体在这一时期得到了广泛使 用，各国在实施严格的排放标准的同时也对燃油中有害杂质含量作了明确魄限制。电 喷闭环排放控制系统能精确地控制发动机在很窄的空燃比窗口内运行使三效催 化剂能同时催化净化c o 、h c 和n o 。三效催化荆的制备技术和应用已趋成熟：主 要以堇青石( 2 m g o 2 a 1 2 0 3 - 5 s i 0 2 ) 蜂窝陶瓷为第一载体；产型的活性氧化铝y - a 1 2 0 ，为第 二载体：贵金属为活性组分；铈c e 、镧l a 等稀土元素为助剂；通过浸渍法制成。为 进一步降低成本，使用p d 作为三效催化荆的主要活性成分。 2 0 世纪8 0 年代中期出现了第3 代的p t r h p d 组成的三效催化剂。这种三效催化 剂，充分利用了p d 的耐高温性能和r h 优异的n 哦催化还原性能( p t 可同时起协调作 用) ，大大提高了三效催化剂的催化活性。 到2 0 世纪8 0 年未期，安装有三效催化器的汽车的数量不断增加，三效催化剂所 消耗的贵金属的量也随之迅速增加，这直接导致贵金属的价格( 尤其是r h ) 的价格 迅速攀升。因此。当时有更多的研究旨在尽可能减少三效催化剂中贵金属的含量及丌 发单钯型三效催化荆。 到2 0 世纪后期，各国的排放法规对三效催化剂的冷起动特性和耐高温性能等提 出了更为严格的要求；同时为节能及改善汽油车的排放性能，要求开发稀燃 ( l e a n b u r n ) 型三效催化和。这一时期的三效催化剂研究大都集中于：1 ) 提高抗高 温老化性能；2 ) 降低起燃温度；3 ) 稀燃条件下对n o x 的催化还原等。 我国对三效催化剂的研究主要集中于非贵金属催化剂，包括稀土型催化剂和贱会 属氧化物催化剂。 1 9 8 4 年林培琰等研制成k h w 和c p k 型含稀土的多元复合氧化物催化刘，在活 性、热稳定性、强度及抗s o 中毒方面均以达到使用指标。 1 9 8 5 年研制出了具有钙钛矿结构、含稀土元素的催化剂，具有抗水蒸气、耐高 温的优点。 1 9 9 0 年林培琰等研制出以过渡金属、稀土氧化物为活性组分的催化剂，对含铅 汽油有较好的稳定性，具有高抗硫中毒能力。 1 9 9 6 年研制出以过渡金属氧化物、稀土金属氧化物为活性组分的三效催化剂。 目前国内三效催化剂的研究主要集中在以下几方面：1 ) 对稀土复合氧化物添加 少量贵金属型三效催化剂的研究与开发。2 ) 对非贵金属三效催化剂的研究。3 ) 对三 效催化剂使用寿命的研究( 抗老化，抗中毒) 。4 ) 单钯型三效催化齐f j 及稀燃型三效 催化剂的研究与开发。 从国内外催化剂实验研究的动态，可以看出催化剂的研发趋势；提高三效催化剂 在稀燃条件下对n o x 的选择还原活性；降低发动机在冷启动阶段尾气污染物的排放 量：开发单钯型三效催化剂。 催化转化器内流场方面 催化转化器的流动特性主要指的是催化转化器压力损失和流动均匀性两个方面。 流动均匀性对起燃温度有很大的影响，面压力损失直接影响到发动机的燃油经济性和 动力性，因此对催化嚣的流动特性进行研究具有重大的意义。 早在1 9 7 4 年，h o w i t t 和s e k e l l a 2 2 1 通过使用热线风速仪对装有不同导流片的氧化 性催化转化器的载体进口速度分布进行了测量。结果发现，如果不加导流片，气流主 要集中在载体的中心区域；在加入导流装置后，可以大大改善载体的速度分布，使得 c o 和h c 转化效率提高。同时流速分布均匀会造成载体的温度梯度分布也均匀，这 样就延长了转化器的使用寿命。 同年，l e m m e 和g i v e n s 2 3 1 研究了不同扩张管和收缩管形状的催化转化器对流速 分布的影响。在室温条件下，测量了圆锥形、椭圆形和方形截面的扩张管和收缩管的 速度分布。结果发现扩张管和收缩管的形状对速度分布的影响不明显；增加载体的长 度，可使载体内的流速分布均匀，这主要是由于载体流动阻力增加所致；增加入口管 和载体直径的比率可以改善载体内流速分布。 1 9 8 6 年，w e n d l a n d 和m a s h e s 【2 4 】对双块载体的催化转化器进行了水流可视化研 究。实验是用水流通过由丙烯酸制成的全透明催化转化器，在水中放入少量2 0 0 p m 中性密度颗粒作为跟踪粒子，用2 0m w 的h e n e 激光和2w 的氩离子激光作为光 源，照亮入口、出口和中间部分一层薄平面照亮区域的粒子轨迹就可以显示水流的 运动，用颗粒的波纹长度来显示速度分布。研究结果发现入口管流速在进入扩张管时 与其壁面产生分离，以直径不变的射流前进，在距离第一块载体前端面2 0 r a m 时开始 扩展。射流有一个不规则的椭圆形、螺旋状漩涡包围。在整个流速范围内，这种情况 不变。研究还发现。水流在收缩管内没有产生分离； 把出口管移进扩张管1 2 m m 时 对压力损失没有影响。 1 9 9 2 年，w e n d l a n d 和m a t t h e s 2 5 1 在以前试验的基础上研究入口管和出1 2 1 管端面 与载体端面的距离对转化器流动特性的影响。考察了入口管伸入率为o 、5 0 、7 5 和9 0 的四种转化器，结果发现在前三种情况下压力损失和流速分布没有明显的 变化，这就意味着缩短转化器的扩张管和收缩管对转化器的流动性能没有影响；另外 还发现缩短扩张管和收缩管对c o 、h c 和n o 。起燃特性没有不利影响，但有可能延 长转化器的起燃时间。但从结构布置的角度来说。缩短转化器的长度可以减小安装空 问。 另外，b e n j a m i n l 2 q 利用皮托管对不同扩张角度的催化转化器的速度分布进行了 测量，它的主要目的是为了验证c f d 模型的正确性。 1 9 9 8 年，m a r t i n 2 7 l 等人通过c f d 模拟得出了流速分布均匀性的结果，但是流速 分布对转化效率和起燃温度的影响通过稳态测试程序得出。研究结果表明，流速分布 越均匀，起燃温度就越低。 在国内，对催化器内气体流动实验研究进行得很少，与国外相比有很大的差距。 这主要是与我国前几年的排放法规可操作性差，科研经费投入不足，人们的环保意识 不强造成的。近几年，由于我国的排放法规的日益严格，对催化转化器进行内流场的 研究开始活跃起来，其中清华大学 2 8 - 2 9 1 通过u 型管和皮托管对转化器的流动和压力 损失进行过一些研究。 1 2 2 国内外对催化转化器的数值模拟研究 通过上面的综述可以看出，催化转化器内流场的试验研究能够为设计提供理论依 据，为数学模型的建立提供依据和验证标准，但实验研究不仅花费的时间长，而且成 本也很高，且对催化器的测量只能集中在局部方面，无法对催化转化器的内流动进行 整体的研究。随着计算机技术的发展，利用c f d 技术对催化转化器进行优化设计是 完全可行的。它可以弥补实验研究的不足，可以对催化转化器内的流场和温度场进行 全面分析。 催化转化器内存在着复杂的物理和化学反应，对这些反应过程的成功模拟，取决 于如何对传质、传热、动量和化学反应动力学模型进行定量的描述。转化器的性能不 仅与催化剂的化学特性有关，而且也与转化器系统的设计( 扩张管和收缩管的形状， 载体的尺寸和位置等) 有关。随着排放法规的同益严格，转化器结构设计显得更加重 要。从上一节的分析可以看出，传统的方法主要靠试验或经验设计：随着c f d 技术 的f = l 益完善，应用c f d 技术优化催化转化器的设计成为一种选择。催化转化器的数 值模拟分为以下两类： 稳态流场的数值模拟 这类计算模拟主要是研究催化转化器流动均匀性和压力损失两个方面，它不考 虑传质和传热过程，只考虑动量传输过程。流动均匀性对转化器的起燃温度和载体的 热应力有很大影响。因此当考虑到催化转化器的使用寿命时，转化器内的流速分布非 常重要， 1 9 9 1 年，l a i 等人【3 0 l 用p h o e n i c s 软件对一个典型的双床催化转化器内流动进 行了三维数值模拟，没有考虑化学反应。溘流模型采用的是标准k - 方程，载体阻力 方程采用充分发展的层流管的d a r c y 方程，研究了入口管结构、载体阻力、入口流速、 雷诺数等对转化器流动特性的影响。数值模拟结果发现：雷诺数、载体阻力、入口管 的长度和弯曲的角度等对载体内的流速分布有很大的影响；当雷诺数较小，载体阻力 较大时，直入口管比弯曲入口管、短入口管比长入口管的流速分布好。 同年b e l l a 等人1 用s t a r - i 程序对一锥形入口管接头进行了三维稳态数值模拟， 研究了入口管导流片对流动均匀性的影响，发现在采用了导流装置后载体内的流速分 布更加均匀。 1 9 9 6 年，b e n j a m i n 等人【3 2 1 用s t a r - c d 程序对轴对称的催化转化器进行了二维模 拟，湍流模型采用的是k - e r n g 方程，载体阻力采用h a g e n p o i s e u l l e 方程。模拟的结 果和试验结果进行了比较，评估了c f d 在预测催化转化器流动性能方面的有效性。 温度场和浓度场的数值模拟 上述内部流场数值模拟能够预测催化转化器的流速分布和压力损失，能够说明 催化转化器结构对转化效率和起燃特性等性能的影响。研究转化器的传质和传热过 程，能够更加深入对催化转化器的认识，为其结构优化设计和整车匹配提供全面的指 导。 1 9 8 8 年以前，出现的催化转化器数学模型【3 3 。3 4 1 主要是研究在绝热条件下，转化 器入口流速分布均匀时的催化转化器性能。此时，假定载体所有通道内的温度和浓度 分布相同，因此只需考虑一个孔道的情况。但是，汽车催化转化器实际上处于非绝热 状态t 流速主要分布在转化器载体的中心区域，因此每个孔道的气流状态是不同的， 相邻孔道之间存在着径向传导，故需要考虑整个催化转化器载体 1 9 8 8 年，c h e n 等人用基于有限单元法的a b a q u s 软件，模拟了蜂窝陶瓷载 体在流速分布不均匀、非绝热条件下的三维非稳态数值模拟。该模型较全面地考虑了 载体和气流间换热、气体组分向载体表面的传质、化学反应的放热、载体的径向热传 导和向周围环境的放热等重要的物理和化学现象。研究了在不同流速、入口温度和催 化剂涂附量下的载体温度分布情况。研究发现，径向热损失和流速分布不均匀是造成 载体温度梯度和热应力的主要来源。此外，f l y t z a n i s t e p h a n o p o u l o s 等人p 刨及b e e k e r 和z y g o u r a k i s 等人【”】也研究了转化器载体的三维数值模拟，但前者没有考虑化学反 应放热的热传导。后者忽略了向周围环境的热传导。 1 9 9 1 年，b e l l a 等人用s t a r - i 软件对蜂窝状陶瓷载体的单个孔道进行了一维非稳 态模拟。在进行非稳态模拟以前，首先对一扩张管接头进行三维稳态模拟，得到的流 速分布结果作为一维模拟的入口边界条件。同时还对c o 和c 3 h 8 的浓度进行了预测。 在前面提到c h e n 等人的数值模拟中，虽然能够详细预测催化转化器载体的温度 分布，但是提供的入口流速分布是预先设定的。此外，仅考虑了催化转化器载体。因 此不能研究整个催化转化器的流动问题，无法预测催化转化器内的传热和化学反应对 入口气流的影响。正是出予以上闯题的考虑，1 9 9 5 年，s u g i u r n 等人i j 副在s i a r - c d 软 件上开发了新的数值模拟方法。对于气流来说，采用可压缩气体，考虑了质量、惯量、 能量、湍流能传输和化学组分守恒方程，湍流模型采用的是标准k 一方程；对于催化 转化器载体，只考虑能量守恒方程。因为载体由许多细小孔道构成，它对载体孔道内 的流动有很大影响，如何处理蜂窝状孔道对预测催化转化器性能的影响很大。如果通 过划分网格的方法来代表这些孔道，虽然能够准确地预测出孔道内的流动情况，但要 花费大量的时间来生成网格和进行计算，从工程角度来说，实际上是不可取的。因此 载体孔道采用多孔介质模型，阻力方程的系数通过实验数据得出。为了缩短计算时间， 对于轴对称问题，采用了二维模型。预测和试验结果良好吻合。 2 0 0 0 年。k i mw o o s e u n g 用s t a r c d 软件对催化转化器进行了三维非稳态数值 模拟。与以往的数值模型不同，在这个模型中，把催化转化器系统的流动区域分成两 部分载体里面采用层流区域，其余部分为湍流区域；对于可压缩湍流区域，对质量、 动量、组分浓度、能量、团流动能和耗散率采用雷诺平均控制方程。将载体看作多孔 介质，预测了孔密度，几何表面积和孔隙率等几何参数对载体温度和化学性能的影响。 此模型对可变孔密度的载体设计概念进行了模拟计算，其方法是通过调整孔密度改善 整个转化器端面上的流速分布。计算结果发现随着空速增加转化效率下降；另外还发 现可变孔密度设计思想可以改善起燃特性。 在以上的数值模拟中，化学反应使用的是整体反应机制而忽略了发生在催化 剂表面的单个反应。2 0 0 0 年，b r a u nj 等a j 3 9 1 用f l u e n t 软件模拟了催化转化器在稀 混合气、理论配比和浓混合气的条件下的起燃特性。该模型和以往最大的区别是更详 细考虑了催化转化器载体内发生的化学反应，它采用的是基元反应机制，预测和试验 结果能够很好吻合。 综上所述，数值模拟从早期对催化转化器进行简革一维模拟。到现在复杂的三 维模拟；从模拟转化器内的流动状况发展到现在模拟复杂的化学反应：在模拟精度和 范围上都有了很大的进展。催化转化器模型能够准确地预测催化转化器的性能。 国内对催化转化器内部流动的研究并不多见。帅石金等入采用s t a r - c d 软件对催 化转化器的结构对流动特性的影响进行过模拟。刘军和苏清祖用a n s y s 软件对催化 转化器的流速分布进行了模拟，赵继业等人也用a n s y s 软件对催化转化器内的非稳 态温度场进行了模拟，但没考虑化学反应的影畹，只考虑了热传导的影响。宋金瓯等 人用m k 一1 4 程序对催化转化器进行了非稳态模拟，使用的模型是一维模型，预测和 试验结果吻合良好。 总之，国内对催化转化器流场的数值模拟有了较大的进展，数学模型也开始复杂 起来但是与国外相比，还是有较大的差距因此研究c f d 技术在催化转化器中的 应用意义重大；在实验研究方面，国内对稀土( 添加少量贵金属) 型催化剂的开发还 需要进一步深入。 1 3 本文主要研究工作 在全面分析了国内外催化转化器内部流场研究现状的基础上，结合我国排放控 苇# 的法规要求和攫诧转化器的设计水乎，本课题主要从以下两个方两进行了研究： 1 运用计算机模拟和试验研究相结合的方法，进行催化剂的实验。 2 ，从改善催化转化器内部流场的角度来研究催化器结构配置和参数，使之达到 最优。 第二章催化转化器简介 2 1 催化转化器的组成 催化转化器是为了满足汽车排放标准而发展起来的一项降低排气污染的关键技 术装备，是机外净化装置的主要形式，目前用的最多的是三效催化器。它的主要作用 是在催化剂的作用下将汽油车排放污染物中c o 、h c 、n o x 快速转化为c 0 2 、h 2 0 、 n 2 。催化器系统主要由壳体、垫层、涂层、载体和催化剂等构成( 见图2 一1 ) 。 图2 - 1催化转化器的组成 f i 茸 ig p 0 3 i n go fc a l a | y t i c n v e r t e r 1 ) 涂层 涂层是在载体的表面涂的一层多孔的活性过渡层，其粗糙的多孔表面可使载体 的实际催化表面积大大增加。涂层主要由t a 1 2 0 3 构成。具有较大的比面积 ( 2 0 0 r e - g ) 。适合的孔分布并具有一定的强度，其缺点是高温( 9 0 0 ) 时会发 生相变，从而导致结构破坏f 4 2 1 。通过引入l a 、c e 等助催化剂可以有效的改善y a 1 2 0 3 的性能。r a ：0 能使具有高比面积的t a 1 2 0 3 结构稳定，防止高温下转化为* a 1 2 0 3 。 c e 0 2 可以使活性组分在载体上高度分散，而不宜聚集烧结1 4 3 删，另外其本身还具有 储氧功能，能促进r 、p d 和r h 的催化转化作用 4 6 - 4 9 1 。 2 ) 垫层 由于发动机排气温度变化范围宽，壳体和载体材料的热膨胀系数相差较大，为 了避免载体产生额外应力，需要在壳体和载体之间安装垫层。垫层材料在高温下应保 持良好的弹性恢复力，具有较长的使用寿命。另外，为了减小载体内部的温度梯度，以 减小载体承受的热应力和壳体的热变形，垫层还应具有隔热性。常见的垫层有金属网 垫和陶瓷密封垫但陶瓷密封垫在隔热性、抗冲击性、密封性和高低温下对载体的固 定力都比金属网垫优越，是主要的应用垫层。 3 ) 壳体 催化转化器壳体材料和形状是影响催化转化器转化效率和使用寿命的重要因 素。催化转化器的工作环境十分恶劣，壳体材料应具有抗腐蚀好和热变形程度小等特 点。目前国外多采用含n i 、c r 的不锈钢材料。壳体的形状设计应使漉经催化转化器 的气流尽可能少的产生涡流和气流分离现象，防止增大气流阻力。要特别注意进气端 形状的设计，保证进气流的均匀性，以提高催化转化器的转化效率和使用寿命。为了 增强壳体的刚度，防止变形，应考虑在壳体上设置加强筋。目前，许多催化转化器的 壳体设计成双层结构，两层壳体之间为隔热层。可以降低催化转化器外表面的温度使 散发到底盘和发动机机舱的热量减至最小。 4 ) 催化剂 汽车催化刺主要由2 部分构成：主催化剂( 活性组分) 和助催化剂。主催化剂( 活 性组分) 以贵金属为代表，其作用是参与气、固反应，为反应提供特定的活性部位或 活性中心。理想的加入量、孔结构和分散度有助于有限的贵金属最大限度地发挥其催 化作用和效果。助催化剂多由稀土金属和过渡金属等的氧化物组成，除了起到辅助催 化的作用，合适的加入量可改善催化剂的性能，提高催化剂的活性、选择性和寿命， 减少贵金属的用量。通