（动力机械及工程专业论文）三效催化转化器起燃特性数值模拟及其影响因素研究.pdf

硕七学位论文 摘要 欧i 排放标准相对于欧i i 排放标准增加了冷起动头4 0 s 的有害排放物测试， 为满足更严格的排放法规，如何使三效催化转化器尽快起燃，提高对排气的转化 效率是关键问题，因此对三效催化转化器在发动机冷起动阶段的起燃特性和转化 效率进行数值模拟研究是大势所趋。 本文在考虑催化转化器载体内发生的传热传质现象的基础上，建立了催化转 化器的一维单孔道和三维多孔道传热传质模型；在分析载体内以气固多相催化反 应为特点的工作机理的基础上，建立了催化转化器的化学反应模型：当催化转化 处于化学动力学控制区时，引入了考虑吸附、表面反应和脱附的表面化学反应速 率公式，当催化转化处于质量输运控制区时，引入了决定外扩散能力的扩散系数 公式和和决定内扩散速率的内扩散系数公式，并与化学反应速率相耦合，得出由 扩散过程决定的化学反应速率公式。 在所建催化转化器模型的基础上，根据载体具有分布细小孔道的特点，将其 作为多孔介质处理，利用f l u e n t 软件，对冷起动阶段三效催化转化器的起燃特 性和转化效率作了数值模拟。在冷起动初始阶段，载体仅受排气的加热；当载体 的温度达到起燃温度后，化学反应伴随的放热进一步加热载体，使其温度迅速上 升。因此为满足更严格的排放法规，应有针对性地采取措施加快催化转化器载体 的温升，缩短起燃时间，有效降低发动机的排放。 本文还对载体长度、孔密度、孔道壁厚和催化； ! j 用量对催化转化器起燃特性 和转化效率的影响进行了分析，为载体参数的优化设计提供了依据。 关键词：三效催化转化器；起燃特性；转化效率；影响因素；数值模拟 三放催化转化器起燃特性数值模拟及其影响因素分析 a b s t r a c t r e l a t i v et oe u r oi i ，e u r o ie m i s s i o nr e g u l a t i o n sa d dt h et e s to fe m i s s i o ni n4 0 s a f t e rc o l d s t a r t i no r d e rt om e e tt h em o r es t r i c te m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，t h ek e yq u e s t i o n i sh o wt om a k et h et h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e rt on 曲t - o f fa n di n c r e a s et h e c o r e r s i o ne f f i c i e n c y s oi ti sn e c e s s a r yt od oan u m e r i c a ls i m u l a t i o no n1 i g h t o f f c h a r a c t e r i s t i ca n dc o n v e r s i o ne f n c i e n c yo ft h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e ri nc 0 1 d - s t a r t s t a g e b a s e do nm ec o n s i d e r a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e rd h e n o m e n o ni n t w c ，m eo n e - d i m e n s i o ns i n g l e c h a n n e la i l dt h r e e d i m e n s i o nm u l t i - c h a n n e lm o d e lo f t h em o n o l i t ha r ce s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fg a s s o l i dm u l t i p h a s ec a t a l y t i c r e a c t i o n t h ec h e m i c a ir e a c t i o nm o d e li se s t a b i i s h e d ，w h e nt h er e a c t i o ni sc o n t r 0 1 1 e d b yt h ec h e m i c a ld y n a m i c ，t h er e a c t i o nr a t e i si n t r o d u c e db yc o n s i d e r a t i o no ft h e a d s o r p t i o na n dd e s o f p t i o ne 矗 c c t s w h e nt h er e a c t i o ni sc o n t r o l l e db ym a s st r a i l s f e r ，t h e d i f h s i o nc o e f f i c i e n ti se s t a b l i s h e dw h i c hc a np r e s e n tt h ef l o wr a t ei n c r e a s e si ns m a i l r e y n o l d sd o m a i n ；f o rt h ei n t e m a ld i f f l l s i o n ，t h ei n t e r n a ld i f f u s i o nc o e m c i e n ti s d e r i v e d ，a n dt h e nt h ei n t e r n a ld i f f h s i o ni sc o u p l e dw i t hc h e m i c a lr e a c t i o nt or e p r e s e n t t h ep h e n o m e n o nt h a tt h ed i f m s i o na n dt h ec h e m i c a ir e a c t i o no c c u rc o c u r r e n t l y a c c o r d i n gt oi t sc o n f i g u r a t i o n ，t h em o n o l i t hi sc o n s i d e r e dt ob eap o r o u sm e d i a b a s e do nt h em o n o “t hm o d e la n dt h eu s eo fs o f t w a r ef l u e n tt h er e s e a r c ho nt h e l i g h t o f fc h a r a c t e r i s t i ca n dc o n v e r s i o ne m c i e n c yo ft b j e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e ri s p r o c e s s e d i nt h eb e g i n n i n go fc 0 1 d - s t a r t ，t h em o n o l i t hi sh e a t e do n l yb ym eg a s ；a f t e r n g h t o f f ，t h em o n o l i t hi sh e a t e db yt h eh e a tr e l e a s e db yt h ec h e m i c a lr e a c t i o n s oi n o r d e rt om e e tt h em o r es t r i c te m i s s i o nr e g u l a t i o n s ，“i sn e c e s s a r yt oq u i c k e nt h e “s eo f t e m p e r a t u r ea n ds h o r t e nt h el i g h t o f ft i m eo ft h em o n o l i t h a t1 a s t ，t h ei m p a c to ft h em o n o l i t hl e n g m ，c e l ld e n s i t y ，w a l lt h i c k n e s sa n dn o b l e m e t a id o s a g eo nt h el i g h t - o f fc h 耵a c t e “s t i ca i l dc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo ft h r e e w a y c a t a l y t i cc o n v e r t e ra r ea n a l y z e da n dc o u l dp r o v i d eag u i d ef b rt h eo p t i m i z a t i o no f t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e r k e yw o r d s ：t h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e r ；l i g h t - o f fc h a r a c t e r i s t i c ；c o n v e r s i o e f n c i e n c y ；i m p a c tf a c t o r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：努序铆瓤日期：如6 年牛月秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：鹁序祷茕 导师签名：碧盘厕 日期：加“年年月刁日 日期：莎西年q 月7 日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 18 7 6 年德国的奥托研制成功了世界上第一台四冲程火花点火式内燃机，卡 尔- 本茨在此基础上进行许多改进后于1 8 8 6 年研制出世界上第一辆内燃机汽车。内 燃机汽车经历了一百多年的发展，今天它已成为人们重要的运输和代步工具，极 大地提高了社会的生产效率，改善了人们的生活质量。 随着汽车产业的不断发展，全球汽车保有量正以每年3 0 0 0 万辆的速度递增， 预计到2 0 l o 年将增加到l o 亿辆”1 。汽车在给人类带来交通便利和社会繁荣的同时， 也给环境带来了很大的危害，汽车尾气对大气的污染已经成为一个全球性的问题。 汽油车对大气的污染源有三个。第一个是排气污染，汽油发动机的排气中， 主要的有害成份为一氧化碳c 0 、未燃烧或不完全燃烧的碳氢化合物h c 、氮氧化 合物n 0 x 及含铅汽油所形成的铅化合物等，约占汽油车总污染的6 5 8 5 ：第 二个是汽油蒸发泄漏污染，约占汽油车总污染的1 0 1 5 ；第三个是废气经由 发动机曲轴箱溢出，约占汽油车总污染的2 0 ”1 。 c o 是不完全燃烧的产物，是一种无色、无刺激、无味的气体。c 0 被人体吸 入后，会在血液中取代氧而形成牢固的血红蛋白，影响氧气输送。人会由于缺氧 而感到疲劳，引起头晕、恶心等中毒症状，甚至导致窒息死亡。c o 的另一种危害 是促使n o 向n 0 2 转化，使光化学烟雾增加。城市大气中的c o 大部分是汽车排 放的，c o 是汽车排气中浓度较高的有害成分，在大气底层停留的时间较长，累计 值常常超过允许值。h c 是燃烧后生成的多种碳氢化合物的总称，其中含有少量醛 类( 甲醛和丙稀醛) 和芳香烃( 最后形成苯丙芘) 。虽然每种化合物的量很少，但 其共同作用十分明显。甲醛和丙稀醛具有强烈气味，对鼻、眼和呼吸道的粘膜有 刺激作用，可引起结膜炎和鼻炎等。苯丙芘是一种致癌物质，汽车密集城市的癌 症发病率比汽车密度小的地区高得多。此外，碳氢化合物与氮氧化合物反应会形 成化学烟雾。汽车排气中的n o x 主要是一氧化氮和二氧化氮。n 0 是种无色无 味的气体，毒性不大，在空气中能生成n 0 2 ，但高浓度的n o 对血液有毒性作用， 能造成神经麻痹，使中枢神经瘫痪及痉挛。n 0 2 是一种红棕色气体。有强烈的刺 激性气味，是汽车排气中恶臭物质成分之一，被吸入肺部时，能与肺部的水分结 合生成可溶性硝酸，有刺激作用，严重时会引起肺气肿。碳氢化合物和氮氧化合 物混合在一起，在强烈的阳光照射下会发生一系列复杂的光化学反应，产生臭氧 和各种化合物。臭氧具有很强的氧化性和毒性，化合物中含有甲醛、丙稀醛和硫 三效催化转化器起燃特性数值模拟及其影响因素研究 酸等，这些化合物会产生毒性很大的浅蓝色烟雾，即光化学烟雾。光化学烟雾会 阻碍视线，刺激眼睛，引起咳嗽，并能致癌；使植物枯萎，并会使受应力的橡胶 件开裂。 为了控制汽车的尾气排放污染，保护人类赖以生存的大气环境，世界各国纷 纷采取各种技术措施和控制对策。2 0 世纪7 0 年代以来，美国、日本及西欧一些发 达国家相继对汽车尾气排放实旌了限制，其中欧洲及日本轻型汽车的排放限值见 表1 1 3 1 0 表1 1 欧洲及日本轻型汽车的排放限值( g ，( k w h ) ) 排放标准生效日期，年份 c oh c + n oh c n o x e c e r l 51 9 7 4 3 7 8 2 5 e c e r l5 ，0 31 9 8 0 2 4 4 3 42 9 e c e r l5 0 41 9 8 42 4 4 1 9o 9 欧洲i 1 9 9 22 。7 20 9 7 欧洲i i1 9 9 5 年l o 月 2 2 o 5 欧洲i i i2 0 0 0 2 _ 3o 2o 1 5 欧洲2 0 0 51 0 o 1o 0 8 日本( z l e v ) o 1 1 9 k m o 0 0 2 5 9 1 【m0 0 1 2 9 ，k m 近年来，随着我国汽车工业的迅猛发展和汽车保有量的飞速增长，机动车尾 气排放已成为我国城市大气主要污染源之一，对环境和人体健康的影响日趋严重。 因此，加强排放标准的制订和修订工作，特别是加快机动车排放标准与国际接轨 的步伐，以便对汽车排放污染进行更有效地监控，也显得越来越重要与迫切。 从1 9 8 3 年开始，我国相继颁布的汽油车排放标准有：( 1 ) 汽油机怠速污染 物排放标准( g b 3 8 4 2 8 3 ) ；( 2 ) 轻型汽车排气污染物排放标准( g b l l 6 4 1 8 9 ) ；( 3 ) g b l 4 7 6 1 1 9 3 轻型汽车排气污染物排放标准；( 4 ) g b l 4 7 6 1 2 9 3 车用汽油机排气 污染物排放标准；( 5 ) g b l 4 7 6 1 5 9 3 汽油车怠速污染物排放标准。 我国的排放标准主要是参照欧洲排放标准体系建立的。2 0 0 1 年国家环境保护 总局和国家质量监督检验检疫总局发布g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 和g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 ，两种 标准分别于2 0 0 1 年4 月和2 0 0 4 年7 月开始实施，排放限值如表1 2 和表1 3 所示。 北京市于2 0 0 5 年7 月1 日实施了欧排放标准，并将从2 0 0 8 年起开始执行欧 排放标准。 治理汽车尾气主要有三种途径，第一，采用“绿色”动力，这也是最根本和 最终的途径。此途径使汽车不产生或者只产生很少的污染气体。第二，改善现有 的汽车动力装置和燃油质量。如采用设计优良的发动机、改善燃烧室结构、采用 新材料、提高燃油质量等。第三，采用一些先进的机外净化技术对汽车产生的废 气进行净化以减少污染。 2 硕士学位论文 表1 2 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( 1 ) ( g ，k m ) 限值 车 ( c o ) l ih c + n o x ) l 2 ( p m 1 ) l 3 辆 基准质量 点燃 点燃非直喷 直喷压 非直喷压 直喷压 类 r m ，k g压燃式 型 式发式发压燃式燃式发燃式发动燃式发 发动机 动机动机发动机动机机动机 第 全部 2 7 20 9 71 3 6 2 o 1 4o 2 0 2 类 生 第 r m s l 2 5 0 2 7 2 o 9 71 3 6 2 o 1 40 2 0 3 二 1 2 5 0 1 7 0 06 9 01 7 02 3 8 3 0 2 5o 3 5 3 注：( 1 ) 只适用于以压燃式发动机为动力的车辆。 ( 2 ) 表中所列的以直喷式柴油机为动力的车辆的排放限值的有效期为2 年。 ( 3 ) 表中所列的以直喷式柴油机为动力的车辆的排放限值的有效期为1 年。 表1 3 轻型汽车污染物排放限值及测量方法( ) ( g ，k m ) 限值 生 ( c o ) l ， ( h c + n o x ) l 2 ( p m ) 1 k 辆 基准质量 点燃点燃非直喷直喷压 非直喷压直喷压 类 r m k g压燃式 型 式发 式发压燃式燃式发燃式发动燃式发 发动机 动机动机发动机动机机动机 第 全部2 2 1 0 0 5o 70 9o 0 80 1 0 类 生 第 r m s l 2 5 02 21 oo 5o 7o 90 0 80 ，l o 二 1 2 5 0 虫m 三1 7 0 0 4 o1 2 5 o 61 o1 30 1 2o 1 4 类 盔 r m 1 7 0 05 01 so 71 21 6 0 1 70 2 0 三效催化转化器起燃特性数值模拟及其影响因素研究 1 2 车用催化转化器概述 汽车污染控制技术分为机前净化、机内净化和 排气后处理三类技术，其中催化转化器是最有效的 排气后处理净化技术之一，它由壳体、减振密封垫 层、载体和催化剂四部分构成，见图1 1 1 。车用催 化转化器主要为整装型。它具有排气阻力小、机械 强度大、热稳定性好、耐冲击等优点。目前广泛采 用的堇青石蜂窝陶瓷载体的比表面积大都不到 l m 2 儋，为了提高载体负载活性组分的能力，通常在 陶瓷基体上涂覆一层大比表面积的物质，即涂层， 一般为活性氧化铝。垫层的作用是将壳体和陶瓷载 体按一种特殊的方式连接在一起以保证载体使用的 安全性，并在催化转化器的整个使用周期内具有可 靠的绝热性能。壳体是催化器系统的支撑体，目前 摊气 3 图1 1 催化转化器基本构造 l - 壳体2 - 垫层3 一催化剂 对壳体材料的选择多以含n i 、c r 等元素的耐高温不锈钢为主。 当发动机工作时，尾气经排气管进入催化转化器，其中氮氧化合物与尾气中 的一氧化碳、氢气等还原剂在催化作用下分解成氮气和氧气：而碳氢化合物和一 氧化碳分别与废气中残存的氧气及前一反应生成的氧气在催化作用下充分氧化， 生成二氧化碳和水蒸气。由于三效催化转化器中的载体是蜂窝结构，蜂窝表面涂 有催化材料，与废气的接触表面积非常大，所以其净化效率很高。 1 3 冷起动污染问题及相应的净化技术 1 3 1 冷起动污染问题 国内外很多研究开发的实例表明，即使汽车采用了三效催化转化器加闭环电 控系统，也未必能通过高标准工况法排放测试。究其原因，催化剂在工况法排放 测试中不能迅速达到起燃状态是一个重要影响因素。因为三效催化剂一般在3 0 0 4 5 0 的工作温度内才能有接近1 0 0 的转化率。当催化转化器的温度低于3 0 0 时，催化剂就不能对尾气进行有效地转化，因此冷起动后需要经历一段加热时间， 催化转化器才能正常工作。此外，一般发动机在冷起动后的暖机期间，为了稳定 地燃烧，常向气缸提供较浓的混合气，因此冷起动后气缸内的混合气较浓，且催 化转化器的催化转化作用又弱，造成冷起动阶段排放污染物增加。近年来，随着 排放法规的不断严格和工况法测试中排放总量的不断降低，冷起动h c 排放的比 例也不断增大。如表1 4 所示，在美国f t p ( f e d e r a lt e s tp f o c e d u r e ，美国联邦试 验规程) 测试循环的第l 阶段，排放的h c 占到循环总排放量的8 0 左右，c o 和 4 硕士学位论文 n o x 排放也分别占到4 5 和6 0 。因此要满足更高的尾气净化标准，就必须发展 新的净化技术以解决冷起动污染问题。 表1 4f t p 排放测试中不同阶段的排放比例 排气成分冷起动后o 5 0 5 s冷起动后5 0 5 1 3 7 2 s h c8 0 5 c o4 5 1 5 n o x6 0 2 5 1 3 2 冷起动净化技术 为减少冷起动阶段的排放，达到更为严格排放标准的要求，一些催化剂快速 起燃技术已经产生并得到应用，它们大致可以分成两类系统被动系统和主动 系统。被动系统是通过改变排气系统，尽量利用发动机的排气温度，如将催化转 化器的安装位置靠近发动机，使催化剂尽快起燃从而达到减少冷起动排放的目的； 主动系统则是依赖附加装置减少排放，如电加热催化转化器、燃烧器等。 1 3 2 1 紧凑耦合催化器 紧凑耦合催化器也称快速起燃催化器，通常将催化器直接焊接在发动机排气 歧管的后面或附近，如果使用隔热的排气管和尾管，著通过增加催化剂的表面积、 提高催化剂中贵金属含量等措施，高温排气可以使催化剂迅速升温起燃，显著地 降低h c 和c o 排放。一般的紧凑耦合催化器对h c 、c 0 和n o x 的降低分别达6 0 、2 9 和1 0 ”1 。由于催化器紧靠发动机，催化剂长期工作于高温状态下会加 速其老化，另外大的排气阻力也会使发动机动力性能下降，这些因素在设计催化 器时是必须考虑的。 1 _ 3 2 2 预催化器 预催化器也称起动催化器，这种技术包括两级催化器：主催化器安装在底板 原位置，预催化器放置在排气歧管附近，其体积约为主催化器体积1 0 3 0 ， 这样可以不必改动汽车底盘结构而方便安装，并且可以降低催化剂的热惯量。通 常预催化器的活性组分为贵金属( p t r h p d ) ，并且具有高负载量( 一般三倍于主 催化器) ，这样有助于化学反应放热，使产生的热量尽快加热主催化器。这种结构 简单易行，目前应用较多，但是预催化器的耐久性和抗高温能力是这项技术的难 点。通常在预催化器的位置设计一个旁路，当主催化器起燃后，气流被一个电控 的叶片引导从旁路通过，以避免高温对预催化器的热冲击。 1 3 2 3h c 捕集器 h c 捕集器主要用于控制冷起动时的h c 排放，通过用活性碳或沸石分子筛等 = 三效催化转化器起燃特性数值模拟及其影响因素研究 吸附剂吸附h c 达到降低排放的目的。此系统可在冷起动阶段通过一个排气阀将 排气导入一个旁路管道，流入h c 捕集器，在低温时吸附排气中的h c 。沸石通常 能在4 0 0 左右脱附h c ，这个温度恰好是催化剂起燃的温度，脱附的h c 流经催 化器时被转化。在美国f t p 实验循环中，h c 捕集器可以使h c 排放降低3 5 。1 。 1 3 2 4 电加热催化器 电加热催化器主要用于控制冷起动时的废气排放，是满足美国加州标准中 l e v 和u l e v 标准的技术途径。电加热是利用电阻金属叶片置于催化器前端的进 气路上，在有电流通过时达到使排气升温的作用。现有技术有两种电加热形式， 一种是基于金属叶片，另一种基于烧结的金属粉末，其共同特点是采用金属材料 作载体，以保障催化剂具有良好的导电性能。在汽车起动之前，金属基体先被电 流加热一段时间( 越短越好) ，以达到催化剂的起燃温度。加热电流可以由汽车1 2 v 蓄电池、附加电池、交流发电机或高容量电容器供给，通过电极加热叶片、会属 压膜或金属载体。 由于其实际、稳定的效果，这种系统获得了高度的关注，技术发展得最为成 熟，耐久性也得到了很好的改善。与未装备该装置的车辆相比，可降低c 0 、h c 、 n o x 三种排气组分达到5 0 以上，甚至可以在u l e v 限值基础上再下降1 0 ”1 。 1 _ 3 2 5 燃烧器 采用燃烧器是加热催化剂最直接的方法。燃烧室位于催化器前端以保证快速 传热使催化剂迅速有效起燃。当发动机发动后，使用温度传感器( 位于催化器外 壳上) 检查催化器是否达到起燃温度，如果低于起燃温度，称为“温度不足”，燃 烧器会运行一段时间。燃烧器启动后，二次空气泵和燃烧器的点火装罱都会启动， 通过电控手段使燃烧器维持良好的燃烧状态，一旦催化剂达到足够高温，二次空 气和燃料供给就被关闭。 燃油来自车辆的燃油供给系统，通过油料调压器保证以稳定的流速传输到燃 烧器喷嘴。过量空气由二次空气泵供应并调节压力。燃烧器工作后，内部温度在 短时间内超过1 0 0 0 ，几秒钟后，催化器的前端温度会达到3 5 0 ，使陶瓷或金 属载体达到催化剂的起燃温度。 燃烧器系统能量消耗较低，但是结构比较复杂，系统必须安装大量微处理控 制的阀门和传感器才能达到设计效果。 1 3 2 6 二次空气技术 在冷起动阶段，为了保证发动机正常工作，通常需要燃料混合气处于富燃状 态，浓混合气的不完全燃烧造成排气中含有大量的c o 和h c ，二次空气技术是将 新鲜空气喷射到排气门附近，使高温废气和空气接触混合，以使未燃的c o 、h c 6 硕士学位论文 进一步燃烧，从而使其排放量减少并且提高排气温度以缩短催化剂起燃时间。 1 4 催化转化器数值模拟研究概述 催化转化器内部的气体流动、催化反应和传热传质等现象对催化转化器的可 靠性、转化效率以及劣化程度都有很大的影响，但是在真实的发动机工作条件下 所能得到的催化转化器试验数据是非常有限的，这是由于催化转化器复杂的内部 结构形状，苛刻的工作条件以及内部工作情况不易观察所致。若能结合计算流体 力学及气一固多相催化反应机理对其进行数值仿真研究，就可以得到反映催化转化 器工作时内部流场的分布及随时间的变化，为催化转化器的分析、设计、改进及 与发动机的匹配提供依据。 国外对于催化转化器数学模型的研究进行得较早，而我国近些年才开始进行 研究。综观催化转化器数学模型的发展过程和应用现状，基本上从两个方面展开， 即流体动力学模型的研究和传质、传热及化学模型的研究，下面对这两个方面近 些年的研究进行概述。 1 4 1 无化学反应的流动模拟 r 0 1 1 9 9 1 年，m c l a i 和j y k i m 等”1 使用p h o n e n i c s 软件对一典型的双载体催 化转化器的三维稳态、无化学反应、不可压湍流流动进行了模拟，计算采用标准 后一s 方程，载体阻力由充分发展方管层流导出。研究结果表明，载体内的流速分 布与扩压器的性能关系密切，它是雷诺数r e ，载体阻力，进口管的长度和弯曲角 度的复杂函数。当r c 数较小，进口管为直管时，载体的速度分布比较均匀。 1 9 9 1 年，b e l l a 等”用s t a r i 软件对一载体横截面为椭圆形的催化转化器进 行了三维数值模拟，并研究了导流薄板对载体入口速度分布的影响，证实了导流 板可改善载体速度分布的均匀性。 1 9 9 3 年，h e r m a nw e l t e n s 等”给出了流动均匀性指标来量化评估载体内的流 动性能，并使用s t a r - c d 软件对催化转化器内的流动进行了二维和三维稳态湍流 数值模拟，通过与试验结果对比发现，对于几何结构比较复杂的催化转化器，三 维模型具有较高的求解精度，并研究了催化转化器的结构参数对流动性能的影响， 认为催化转化器的流动性能与其排气系统的布置、进口歧管的连接形状、进出口 锥的几何形状以及载体的横截面积、长度、安装位置关系较大。 1 9 9 5 年，p a y r i 等”将实际的催化转化器等效为一个简单的管道容积组合体， 利用一维特征线法来求解这个等效模型，应用了一个子模型来代替排气流动的主 要现象：平均压力降、平均温度变动和瞬时压力波的波动和传输。子模型和一维 流动模型联系起来，求得的结果能够反映催化转化器、排气管和发动机三者之间 的相互作用。这为分析催化转化器的大小及安装位置与发动机性能之间的相互影 三鍪堡丝董丝童塑鳖丝篁墼篁篓丝垒圣丝窒垦耋至垒 响提供了有力的工具。 1 9 9 6 年，s f b e n i a m i n 等”“使用s t a r c d 软件，湍流模型采用七一s r n g 模 型，载体阻力采用h a g e n p o i s e u l l e 方程，对催化转化器进行了二维稳态数值模拟， 并通过与试验结果对比，验证了计算流体力学在预测催化转化器流动性能方面的 有效性，并研究了入口扩张管锥角、载体的安装位置、载体前端造型等对载体流 动性能的影响并予以了实验与计算验证。 1 9 9 7 年，s o o - j i nj e o n g 等“1 对一六缸发动机的具有两y 形接头的双载体催化 转化器进行了三维稳态和非稳态的可压缩湍流数值模拟，计算边界通过对进排气 系统进行一维非稳态气动分析获得。研究表明，为了研究脉动气流对载体速度分 布均匀性的影响，采用非稳态模型是必要的：载体内的速度分布均匀性与混合管 的长度、混合管的接头形状和角度等关系较大。 1 9 9 9 年，w o l l i n 等”“对载体前端采用4 5 。、6 0 。锥角、圆顶型和传统的载体 进行了比较，发现采用了前端造型的载体可以部分利用催化转化器入口端的圆锥 空间，在不改变催化转化器结构的情况下增大了催化转化器的容量。造型后载体 中心气体的最大流速减小，气流更均匀，提高了催化转化器的转化效率，但是同 时也使得载体的压降增大。 1 4 2 有反应的流动与传热的数值模拟 不考虑化学反应的模型只能研究催化转化器内的流动特性，而无法研究催化 转化器内发生的化学反应对其转化效率的影响。研究催化转化器的传热、传质和 化学反应动力学规律，可以更加深入地了解催化转化器的性能，为其结构优化设 计和与推机的匹配提供更全面的指导。 b e l l a 等”采用一维和三维相结合的模型，为了评估催化转化器入口处的气体 流线分布，需准确描述此处的气体流场，同时为了计算载体内每个孔道内排气的 转化效率，建立了两个不同的流体动力学数学模型，即：三维流动模型用于描述 整个催化转化器系统，尤其是连接排气管和催化转化器的管道部分；一维流动模 型用于描述载体每个孔道内的层流流动。孔道内的气体流动是非定常的且有化学 反应发生，用这种方式，轴向流动分布可以通过三维模型获得，同时也可作为一 维模型的边界条件。这样可以得到较高精度的计算结果，节省计算时问。 1 9 8 8 年，d a v i d 和e d w a r d 等”对催化转化器内瞬态热传导和转化效率进行了 三维数值模拟，模拟考虑了对流传热传质、气固热传导、轴向和径向热传导、化 学反应、化学放热和与大气的热交换损失，分析了持续高负荷和失火情况下的催 化转化器的瞬态反应，发现高负荷和发动机失火情况下，载体存在较高的温度， 且起动工况下，载体内存在较大的温度梯度。 1 9 9 2 年，n s w i l l 和b e n n e 群“1 采用计算流体力学方法，结合非绝热的化学反 碗士学位论文 应模型，对催化转化器内的流动进行了二维和三维模拟，与不考虑化学反应相比， 二维和三维模拟对载体流动不均匀性的预测差别很小，且稳态条件下载体内的速 度分布对温度场和转化效率影响较大。 1 9 9 9 年，w i l l i a m ”在载体的能量方程的源项中引入氧化反应放热规律，采用 计算流体力学方法对催化转化器在稳态、高负荷工况下的温度场进行了数值预测 和实验验证，发现入口扩张管锥角和载体内的热扩散对载体、密封垫层和壳体等 结构内的温度分布影响较大。 1 9 9 9 年，c a t h v 和s i v a n a n d i 等”采用计算流体力学方法将传热和化学反应模 型相结合，对催化转化器内的热流动和转化效率进行了模拟。 我国从2 0 世纪末也逐步开始了催化转化器流场及压力损失方面的研究。清华 大学的帅石金“1 等人应用s t a r c d 软件建立了催化转化器流场的三维模型， 对不同结构的催化转化器进行了流场的数值模拟，所做的研究比较全面，模拟计 算中包括不同入口扩张管和收缩管、载体在中间大管中的不同位置、增强型扩张 管结构、斜线扩张管结构、双载体之间缝隙的不同长度、球型端面载体等多种结 构，分析了这些结构参数对催化转化器内流动的影响。 大连理工大学”运用有限元软件a n s y s f l o t r a n ，在忽略催化器载体内部 物理化学作用的情况下重点研究了催化转化器内部温度场的变化及影响因素，兼 顾了流动分布和压力损失。天津大学”运用一维流动模型并与化学反应、载体的 能量方程耦合，研究了催化转化器的设计参数对其性能的影响。江苏大学”对四 种不同的入口扩张管催化转化器结构的速度场和压力场进行了模拟计算，结果表 明入口扩张管对催化转化器的气流分布影响很大，应尽量避免采用直壁无引流过 渡的结构；采用平滑过渡的入口扩张管，不仅可减少涡流损失，而且压力损失也 比其它结构小。上海交通大学“”针对国内外有关催化转化器气体流动的研究，归 纳了几种流动数学模型和试验方法，总结了催化转化器中气体流动的机理和影响 流速分布的一些因素。 1 5 课题来源及论文研究内容 本论文的研究是湖南省科技攻关项目机动车尾气三效催化转化器的研究与 开发的一部分，主要研究冷起动阶段三效催化转化器的起燃特性及其影响因素， 具体研究内容有： 1 ) 在综合考虑催化转化器载体内发生的气相流动和气固相间传热传质等现象 的基础上，建立催化转化器一维单孔道和三维多孔道传热传质模型；针对载体内 发生的气固多相催化反应的特点，即在不同条件下表观催化反应的进行速率取决 于微观的扩散过程或者吸附脱附及化学反应过程，建立化学反应模型，并将其与 传热传质模型结合，建立催化转化器的数学模型： 9 兰效倦化转化器起燃特性数值模拟及其影响因素研究 2 ) 利用f l u e n t 对建立的催化转化器数学模型进行求解，得出冷起动阶段三 效催化转化器载体内部的温度场分布、组分浓度分布和排气组分的转化效率： 3 ) 应用所建的催化转化器数学模型，分析载体结构参数对催化转化器的起燃 特性和转化效率的影响。 第2 章计算流体力学基础及f l u e n t 简介 2 1 计算流体力学基础 2 ，1 1 计算流体力学概述 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf 1 u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分 析。计算流体力学的基本思想可以归纳为：把原来在时间域和空间域上连续的物 理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替， 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之问的关系的代数方程 组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值”“。 计算流体力学可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、 能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复 杂问题的流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度和浓度等) 的分 布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区 等。还可据此计算出相关的其它物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和 效率等。此外，通过与c a d 联合，还可进行结构优化设计等。 计算流体力学方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流 动问题的完整体系。理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因 素清晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往 往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性情况，只 有少数流动才能给出解析结果。 试验测量方法所得到的试验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础， 其重要性不容低估，然而试验往往受至4 模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精 度的限制，有时可能难以通过试验方法得到结果。此外，试验还会遇到经费投入、 人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难。 而计算流体力学方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个 特定的计算，就好像在计算机上做一次物理试验。例如，机翼的绕流，通过计算 并将其结果在屏幕上显示，就可以看到流场的各种细节；如激波的运动、强度， 涡的形成与传播，流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。 数值模拟可以形象地再现流动情况，与做试验没有很大区别。 三效催化转化器起燃特性数值模拟及其影响因素研究 2 1 2 计算流体力学的工作步骤 采用计算流体力学方法对流体流动进行数值模拟，通常包括以下步骤： ( 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体地说就是要建立反 映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。 没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及这些方程相应的定解条件。 ( 2 ) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这些计算方法不仅包括微分方 程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些 内容可以说是计算流体力学的核心。 ( 3 ) 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界 条件的输入、控制参数的设定等。这是整个工作中花时问最多的部分。由于求解 的问题比较复杂，比如n a v i e r - s t o k e s 方程就是一个十分复杂的非线性方程，数值 求解方法在理论上不是绝对完善的，所以需要通过试验加以验证。 ( 4 ) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分 析的质量和结果有重要参考意义。 2 1 3 计算流体力学的特点 计算流体力学的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一 般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解， 而用计算流体力学方法则有可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算 机进行各种数值试验，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试 验，从而进行方案比较：再者，它不受物理模型和试验模型的限制，省钱省时， 有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、 易燃等真实条件和试验中只能接近而无法达到的理想条件。 计算流体力学也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算 方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散有限 数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的 数值解，并有一定的计算误差；其次，它不象物理模型试验一开始就能给出流动 现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并 需要对建立的数学模型进行验证；再次，程序的编制及资料的收集、整理与正确 利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导 致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。计算流体力学涉 及大量数值计算，因此常需要较高的计算机软硬件配置。 硕士学位论文 2 1 4 计算流体力学的应用领域 近十多年来，计算流体力学有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些 近似计算法和图解法。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几 乎都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。计算流体力学不仅作为一个 研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、 海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。典型的应用场合及相关的工程问题包 括： ( 1 ) 水轮机、风机和泵等流体机械内部的流体流动； ( 2 ) 飞机和航天飞机等飞行器的设计： ( 3 ) 汽车流线外型对性能等影响； ( 4 ) 洪水波及河口潮流计算； ( 5 ) 风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响； ( 6 ) 温室及室内的空气流动及环境分析： ( 7 ) 电子元器件的冷却： ( 8 ) 换热器性能分析及换热器片形状的选取； ( 9 ) 河流中污染物的扩散； ( 1 0 ) 汽车尾气对大气环境的污染： ( 1 1 ) 食品中细菌的运移。 对于这些问题的处理，过去主要借助于基本豹理论分析和大量的物理模型试 验，而现在大多采用计算流体力学方法加以分析和解决，计算流体力学技术现已 发展到完全可以分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂问题的程度。 2 1 5 计算流体力学基本方程 流体流动要受物理守恒方程定律的支配，基本的守恒定律包括质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定律。如果流动包含有不同组分的混合或相互作用，系 统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输 运方程。控制方程是对这些守恒定律的数学描述，下面介绍这些基本的守恒定律 所对应的控制方程”“。 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可表述为：单位时间内流体 微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定 律，可以得出质量守恒方程： 等+ 掣+ 掣+ 掣：o t ，