（载运工具运用工程专业论文）三效催化转化器起燃特性的试验研究与数值模拟.pdf

摘要 研究发动机冷启动阶段的三效催化转化器起燃特性，对减少汽车尾气污染排放具有 重要的实际意义。通过试验对催化转化器起燃特性进行研究是一个比较普遍的方法，但 催化转化器的内部流场是十分复杂的，仅仅依靠试验来研究催化转化器起燃特性既费时 又费力。随着计算机技术以及计算流体力学( c f d ) 的快速发展，数值模拟成了进行催 化转化器研究的一个有效工具。 本文介绍了近年来我国汽车尾气排放控制现状以及三效催化转化器的基本构造，阐 述了国内外对催化转化器内部流动数值模拟研究状况。为了更好地改善催化转化器冷启 动阶段的起燃特性，本文研究设计了一种三工况模拟法试验方案，通过发动机台架试验， 研究了催化转化器的起燃时间特性，并详细分析了催化转化器的起燃特性的影响因素。 在大量研习国内外参考文献的基础上，本文在分析催化转化器载体内部发生的传 热、传质现象，以及分析催化转化器内部化学反应机理的基础上，运用气体、固体的质 量和能量守恒定律，建立了三效催化转化器内的气相能量守恒、质量守恒和固相能量守 恒、质量守恒等数学模型以及化学反应模型。运用计算流体力学软件f l u e n t 对所建 立的三效催化转化器载体的模型进行求解，对催化转化器进行了全面的数值模拟，从而 得到了催化转化器载体温度场的变化规律、气体组分在孔道内的浓度分布和各种组分的 转化效率随时间的变化规律，模拟值与试验值能很好的吻合。验证了所建数学模型的正 确性与利用f l u e n t 软件对催化转化器起燃特性进行数值模拟的可行性。 关键词：三效催化转化器、发动机台架试验、起燃特性、f l u e n t 、转化效率、数值模拟 a b s t r a c t i th a sap r a c t i c a lm e a n i n gt os t u d yt h el i g h t o f fc h a r a c t e r i s t i co ft h r e e - w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e ri nc o l d s t a r ts t a g et or a d u c ee x h a u s t s i tw a sau n i v e r s a lm e t h o dt os t u d yt h e l i g h t - o f fc h a r a c t e r i s t i co ft h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e rb yt e s t b u t t h ei n t e m a lf l o wo f t h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e ri sv e r yc o m p l e x ，s t u d i n gt h el i g h t - o f fc h a r a c t e r i s t i co ft h r e e - w a y c a t a l y t i cc o n v e r t e ro n l yb yt e s tn o to n l yw a s t et i m eb u ta l s oc o n s u l i lp o w e r w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h o n o l g ya n gc f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nb e c o m eae f f e c t i v et o o l t os t u d yt h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e n e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t a t u so fm e a s l e st or e d u c et h ev e h i c l ee x h a u s t si no u r c o u n t r yr e c e n ty e a r sa n dt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e n e r i no r d e rt ob e t t e r i m p r o v et h el i g h t o f fc h a r a c t e r i s t i co ft w c i nc o l d - s t a r ts t a g e ，t h i sp a p e rd e s i g nac o n d i t i o n s i m u l a t i o nt e s tp r o 臣a m m ea n ds t u d yt h el i g h t - o f ft i m ec h a r a c t e r i s t i cb ye n g i n eb e dt e s t ，a n d a n a l y s e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h el i g h t - o f fc h a r a c t e r i s t i co ft w c i nd e t a i l b a s e do nt h el o t so fr e f e r e n c e si nh o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r s ，t h i sp a p e rt h eh e a t t r a n s f e ra n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n o ni nt w c ，a n da n a l y s e dt h ec a t a l y t i cr e a c t i o n m e c h a n i s mo ft h et w c ，b u i l tt h em a t e r i a lb a l a n c em o d e l ，t h ee n e r g yb a l a n c em o d e lf o rt h e g a sp h a s e ，t h em a t e r i a lb a l a n c em o d e l ，t h ee n e r g yb a l a n c em o d e lf o rt h es o l i d ，a n dt h er e a c t i o n m e c h a n i s mm o d e l t o s t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i co ft w cb e t t e r , t h i s p a p e r s o l v e dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e rb ys o f t w a r ef l u e n t s oo b t a i n e d t h el a wo f t e m p e r a t u r ec h a n g ei nm o n o l i t h ，t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o no fg a sc o m p o n e n t si n t h ec h a n n e la n dt h el a wo fc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y r e s u l t sw e r ec o n s i s t e n t 、航me x p e r i m e n t a l d a t a i ta u t h e n t i c a t e dt h ec o r r e c t n e s so fm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ef e a s i b i l i t yo fs t u d i n gt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e rb yf l u e n t 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 ( t w c ) ；e n g i n eb e dt e s t ；l i g h t - o f fc h a r a c t e r i s t i c ； f l u e n t ；r e a c t i o nm e c h a n i s m ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任f h 本人承担。 论文储躲私绥k 夕钟妇秒日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 柑纵 杰壁易 如5 年主旯布日 z o o 石 年f 月矽日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 随着经济的发展，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 1 0 年 全球汽车拥有量将达到1 0 亿辆。截至2 0 0 7 年6 月底，我国汽车拥有量为5 3 5 6 万辆。 汽车产销量继2 0 0 2 年突破3 0 0 万辆后，2 0 0 3 年分别达到了4 4 4 4 万辆和4 3 9 0 8 万辆， 到2 0 0 7 年底汽车产销突破8 0 0 万辆，分别达到8 8 8 2 4 万辆和8 7 9 1 5 万辆，仅次于美国 成为第二大汽车消费市场。预计2 0 0 8 年我国汽车产销量将突破1 0 0 0 万辆，向全球第一 大汽车消费市场迈进。表1 1 为我国近几年汽车产销量的增长情况。 表1 1 我国汽车产销量增长情况 数量 年爪 产量销量 产量增长百分比销量增长百允比 2 0 0 34 4 4 4 4 3 9 0 83 6 73 5 2 2 0 0 45 0 7 0 55 0 7 1 11 4 1 l1 5 5 2 0 0 55 7 0 7 5 7 5 8 21 2 5 51 3 5 4 2 0 0 67 2 7 9 77 2 1 6 0 2 7 3 22 5 1 3 2 0 0 78 8 8 2 48 7 9 1 52 2 0 22 5 1 3 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，城市 大气中的三种主要有害污染物n o x 、c o 、h c 一半以上来自机动车尾气排放，汽车尾气 污染治理已经成为一个全球性的问题。为此，从上个世纪6 0 年代开始，各国政府就纷 纷制定相应的排放法规来控制汽车污染物的排放。我国1 9 8 3 年首次发布了国家汽车排 放标准四冲程汽油机新车和在用车怠速时的排放标准( g b 3 8 4 2 - - 1 9 8 3 ) 等三项排放 标准，1 9 9 3 年对其进行了修订和完善，颁布了轻型汽车污染物排放标准( g b l 4 7 6 1 1 9 9 3 ) 等七项排放标准，完善了我国汽车排放控制的标准体系【l 】。 2 0 0 0 年以来，我国在分析总结国外汽车尾气排放控制体系的基础上，等效采用了欧 洲经济委员会排放法规，我国2 0 0 1 年颁布了相当于欧i 和欧i i 的轻型汽车污染物排 放限值及测量方法g b l 8 3 5 2 1 2 0 0 1 、g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 l 及g b l 7 6 9 1 2 0 0 1 ，从此我 国的排放标准实现了与国际接轨，欧洲汽车尾气排放限值见表1 2 。 为了进一步加强对汽车排放的控制，国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局于 2 0 0 5 年4 月联合发布了轻型汽车污染物排放限值及测量方法( g b l8 3 5 2 3 2 0 0 5 ) 和 第一章绪论 g b l 7 6 9 l - 2 0 0 5 相当于欧i i i 和欧排放标准。这两个标准均于2 0 0 7 年7 月1 日开始实 施，排放限值见表1 3 和1 4 、1 5 。北京市于2 0 0 5 年7 月1 日实施了欧i i i 排放标准，并 将从2 0 0 8 年起开始执行欧排放标准。 表1 2 欧洲汽车尾气排放标准 法规 车型 c o h c n o xh c + n o xp m 实施日期 名称 ( g n a n )( g k m )( g k m )( g v a n )( g k m ) 欧洲汽油车 2 7 20 9 70 1 4 形式认证1 9 9 2 7 1 i 号柴油车 3 1 61 1 30 1 8一致认证1 9 9 2 1 2 31 汽油车 2 2o 5形式认证1 9 9 6 i 1 欧洲 非直喷柴 油车 1 00 70 0 8一致性认证1 9 9 7 1 1 i i 号 直喷 柴油车 1 0 o 9o 1 0 欧洲汽油车 2 30 2o 1 5 形式认证2 0 0 0 1 1 号柴油车0 6 4 o 5o 5 60 0 5 一致性认证2 0 0 1 。1 1 欧洲汽油车 1 o0 1o 0 80 0 2 5形式认证2 0 0 5 1 1 号 柴油车 0 5o 2 5o 3 一致性认证2 0 0 6 1 1 表1 3 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 限一直( g k m ) 一氧化碳碳氢化合物氮氧化物 碳氢化合物 颗粒物 基准质量 ( c o )( h c )( n o x ) 和氮氧化物 ( r m ) ( h c + n o x ) ( p m ) ( k g ) l 1l 2l 3l 2 + l 3l 4 阶 类 级 汽油柴油汽油柴油汽油柴油汽油柴油柴油 段别别 第 类 全部2 30 6 4o 2 0 0 1 5 o 5 00 5 6 0 0 5 0 车 i r m 1 3 5 0 2 30 6 4o 2 00 1 5o 5 0o 5 60 0 5 0 第 1 3 5 0 类 r m 4 1 7o 8 00 2 50 1 8o 6 5 0 7 20 0 7 0 1 7 6 0 车 1 7 6 0 5 2 2o 9 5o 2 90 2 lo 7 80 8 6o 1 0 0 r m 第 全部 1 o o o 5 0o 1 00 0 80 2 5 0 3 00 0 2 5 类 车 2 长安大学硕士学位论文 i r m 1 0 0o 5 00 1 00 0 8o 2 5 o 3 00 0 2 5 1 3 5 0 第 1 3 5 0 类 i i r m 1 8 l0 6 3o 1 3o 1 00 3 3o 3 90 0 4 0 1 7 6 0 车 1 7 6 0 h i2 2 70 7 4o 1 6o 1 10 3 90 4 60 0 6 0 r m 表1 4e s c 和e l r 试验限值 一氧化碳 碳氢化合物氮氧化物 颗粒物m ) 烟度 阶段 ( c o )( h c )( n o x ) 【g ( k w h ) 】【m - 1 】 【g ( k w h ) 】【g ( k w h ) 】【g ( k w h ) l 2 10 6 65 00 1 0 o 1 3 ( 1 ) 0 8 1 50 4 63 50 0 2o 5 v1 50 4 62 o0 0 2o 5 e e v1 - 50 2 52 00 0 20 1 5 ( 1 ) 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 表1 5e t c 试验限值 一氧化碳 非甲烷碳氢 氮氧化物颗粒物 阶段 ( c o ) 化合物 甲烷( c h 4 ) ( 1 ) m h c )【g ( k w h ) 】 ( n o x )( p m ) ( 2 ) 【g ( k w h ) 】【g ( k w h ) 】【g ( k w h ) 】 g ( k w - h ) 】 h i5 4 5o 7 81 65 00 1 60 2 1 ( 3 ) 4 0 o 5 5 1 1 3 5o 0 3 v 4 0 0 5 51 12 00 0 3 e e v3 o0 4 00 6 52 0o 0 2 仅对n g 发动机 不适用第、v 阶段的燃气发动机 对每缸排量低于0 7 5 d m 3 及额定功率转速超过3 0 0 0 r m i n 的发动机 日益严格的排放标准对汽车污染控制技术提出了更高的要求，三效催化转化器作为 比较高效的控制措施，也同样面临着新的挑战，特别是欧和欧测试方法中新包含了 前4 0 s 冷启动的废气采样【2 。3 1 。研究表明，冷启动过程中( 1 2 m i n 内) 催化转化器入口 排气温度较低，催化剂起燃慢，排出的有害气体成分占整个测试循环的8 0 。提 高汽油机冷启动净化效率是满足未来排放法规的关键。目前各国机动车排放标准都逐渐 加大了对汽车冷启动过程的排放考察。 由于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) ，受到催 化器内部复杂结构和恶劣工作环境的限制，要想对催化转化器流动特性进行优化设计非 常困难，依靠试验的方法则要耗费大量的人力、物力和时间。随着计算机技术的发展， 3 第卓绪论 计算流体力学( c f d ) 技术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 技术对催化 转化器进行模拟研究可以缩短开发周期，减少开发费用提高倦化转化器的转化性能。 因此，采用大型的计算流体力学软件f l u e n t ，建立催化转化器数学模型，对其起燃过 程进行数值模拟研究对提高我国汽车排放控制技术水平减少汽车有害排放物，具有 重要的理论与现实意义。 1 2 车用催化转化器综述 催化转化嚣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，甘前用的最多的是三效催化转化器。它的主要作用 是在催化剂的作用f 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 。 催化转化器系统主要由壳体、垫层、载体和催化剂等构成，如图l1 所示。 囤1 1 催化转化器的基本结构 催化转化器主要为整装型。它具有排气阻力小、机械强度太、热稳定性好、耐冲击 等优点。目自d 广泛采用的是薄壁堇青石质蜂窝陶瓷载体，在载体孔道的壁面上滁有一层 非常疏松的活性层，即催化剂涂层，以t a l 2 0 3 为主，其粗造的表面可使壁面的实际催 化反应表面秘扩大70 0 0 倍左右。在涂层表面涂覆贵金属( 铂p t 铑r h ，钯p d ) 、稀土 元素和过渡余届等覆合制成催化剂，p t 主要催化c o 和h c 的氧化反应，r h 用于催化 n o x 的还原反鹿。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 催化转化器系统的支撑体，目前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，其中氮氧化舍物与尾气中的 4 长安大学硕士学位论文 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。 1 3 催化转化器内部流动数值模拟研究状况 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。催化转化器的工作过程相当复杂，伴随着传热、 传质、化学反应等物理化学过程，要成功地模拟这些过程，取决于如何定量描述气流的 输运现象，如热量、质量、动量以及化学反应动力过程。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。 国外对催化转化器数学模型的研究开始得较早，纵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，下面是关于这两个方面近几年的研究状况。 1 3 1 无化学反应的流动模拟 1 9 9 1 年，m c l a i 和j y k i m 等【5 】使用p h o n e n i c s 软件对一典型的双载体催化转 化器的二维稳态、无化学反应、不可压湍流流动进行了模拟，计算采用标准k e 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 e 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【6 】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二 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 c l t c n 等【7 1 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st a r c d 软件对催化转化器内的流动进行了二维和二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，二维模型具有较高的求 第一章绪论 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【8 j 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及排气管和发动机二者之间的相互作用。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响提供了有力的工具。 1 9 9 6 年，s f b e n j a m i n 等f 9 】使用st a r - c d 软件，湍流模型采用l ( _ 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 叫对一六缸发动机的具有两y 形接头的双载体催化转化 器进行了二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【1 l 】对载体前端采用4 5 。、6 0 。锥角、圆顶型载体和传统的载体 进行了比较，发现采用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，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 3 2 有反应的流动与传热的数值模拟 要完整地描述催化转化器内的流动，除了考虑气流的动量输运特征之外，还必须考 虑热量和质量输运以及化学反应。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。想要更加深入地 了解催化转化器的性能，必须研究催化转化器的传热、传质和化学反应动力学规律。 b e l l a 等【6 】采用一维和二维相结合的模型，为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，同时为计算载体内每个孔道内排气的转化效率，建立 6 长安大学硕士学位论文 了两个不同的流体动力学数学模型，即：二维流动模型，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 分布可以通过二维模型获得，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，节省计算时间。 1 9 8 8 年，d a v i d 和e d w a r d 1 2 】等对催化转化器内瞬态热传导和转化效率进行了二维 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 t t l l 3 1 采用计算流体力学方法，结合非绝热的化学反应模 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 t l 4 1 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 y1 1 is i v a n a n d i 等【1 5 1 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。 1 3 3 国内催化转化器流动的研究现状 最初国内对催化转化器的研究主要集中在催化剂的配方和工艺上，对催化转化器内 的流动特性研究不全面。实际上催化转化器内部流动分布、压力损失和温度分布对催化 转化器性能影响很大。我国从2 0 世纪末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 6 - 18 】等人应用s t a r - c d 软件建立了催化转化器流场的二维模 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。 7 第一章绪论 大连理工大学【1 9 】运用有限元软件a n s y s f l o t 凡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2 0 1 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【2 1 】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。上海交通大掣2 2 j 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。湖南大学【2 3 ，2 4 1 利用f l u e n t 软件，结合 催化转化器内部传热、传质与详细化学反应机理，模拟了催化转化器内部温度及排气组 分分布情况，总结了催化转化器中反应机理及影响催化转化器的起燃特性的因素。 1 4 本文主要研究内容 催化转化器已被证明是降低汽车有害气体排放的最有效措施之一。然而，随着对汽 车尾气排放要求的日趋严格，对催化转化器的性能要求也在不断地提高，所以，催化转 化器的研究和设计就更加重要了。依靠经验或半经验方法来设计催化器既费时又费力， 于是数学模型和数值模拟越来越多的应用到了催化转化器的研究和设计上。催化转化器 的工作过程是相当复杂的，伴随着传热、传质、化学反应等物理化学过程。 本文以车用三效催化转化器为研究对象，重点研究催化转化器的起燃特性。本文主 要研究以下内容： 1 、通过发动机台架试验，掌握催化转化器内各污染物组分的转化效率随时间的变 化规律。研究催化转化器的起燃时间特性，并分析催化转化器的起燃特性和转化效率的 影响因素。 2 、在分析三效催化转化器载体单个孔道的传热、传质现象的基础上，运用气体和 固体的能量、质量守恒定律，研究建立三效催化转化器载体单孔道及多孔道的传热、传 质数学模型；在分析化学动力学机理的基础上，建立催化转化器催化反应的数学模型。 3 、应用计算流体力学软件f l u e n t 对所建立催化转化器数学模型进行求解，并对 三效催化转化器单孔道的化学反应流进行数值模拟。 长安大学硕士学位论文 第二章计算流体力学及f l u e n t 软件简介 2 1 计算流体力学基础知识 本项目主要是基于计算流体力学软件f l u e n t 对催化转化器进行数值模拟的研究， 因此，计算流体力学及f l u e n t 软件的基础知识是本文研究的理论基础。 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 l 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间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【2 5 1 。 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。图2 1 给出了表征三者之间关系的“三维 流体力学示意副2 6 1 。 图2 1 “三维”流体力学示意图 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 9 第二章计算流体力学及f l u e n t 软件简介 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，然而试验往往受到模型尺寸、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，涡流的形成与传播， 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，与做试验没有太大区别。 2 1 2 计算流体力学的工作步骤 采用c f d 方法对流体流动进行数值模拟【2 5 1 ，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。这是整个工作中花费时间最多的部分。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 1 0 长安大学硕士学位论文 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。 另外，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。 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，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； 第二章计算流体力学及f l u e n t 软件简介 ( 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的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 计算流体力学的分支 经过四十多年的发展，c f d 出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对 控制方程的离散方式。根据离散原理的不同，c f d 大体上可分为三个分支： 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , f e m ) 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 有限差分法是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然 后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。 求解出差分方程组的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分问 题变为代数问题的近似数值解法。这种方法发展较早，比较成熟，较多地用于求解双曲 型和抛物型问题。 有限元法是2 0 世纪8 0 年代开始应用的一种数值解法，它吸收了有限差分法中离散 处理的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方法。有限元法 因求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此应用不是很广泛。 有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体 积积分得出离散方程。有限体积法的关键是在导出离散方程过程中，需要对界面上的被 求函数本身及其导数的分布作出某种形式的假定。用有限体积法导出的离散方程可以保 证具有守恒特性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相对较小。1 9 8 0 年， s v p a t a n k e r 在其专著( n u m e r i c a lh e a tt r a n f e ra n df l u i df l o w 中对有限体积法作了全 面的阐述。此后，该方法得到了广泛应用，是目前c f d 应用最广的一种方法。对这种 方法的研究和扩张也在不断地进行，如：e c h o w 提出了适用与任意多边形非结构网格 的扩展有限体积法。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 1 6 流体力学控制方程 控制方程是质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等定律的数学描述。流动 流体除了受物理守恒定律的支配，若流动包含有不同成分的混合或相互作用，系统还要 遵守组分守恒定律；若流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。下面介 绍这些基本的守恒定律和湍流模型方程。 ( 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。按照这以规律，可以得出 质量守恒方程( m a s sc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) ： 望+ 旦逊+ a ( p v ) + 旦螋：0( 2 1 ) a t瓠 卸 a z 引入矢量符号d i v ( a ) = a a ，苏+ 锄y i + a a ：昆，式( 2 1 ) 可写成： 争d i v ( 肛) = o ( 2 2 ) 式中：p 是密度，t 是时间，u 是速度矢量，”，v ，和w 分别是在x ，y 和z 方向上的速 度矢量的分量，即流动速度。 上面给出的是瞬时可压流体的质量守恒方程。若流体不可压，密度p 为常数，式( 2 1 ) 变为： 塑+ 塑塑：0 4 -( 2 3 )+ =l z 3 ) 苏 砂 瑟 若流动处于稳态，则密度p 不随时间变化，式( 2 2 ) 变为： a c r e ) + 旦垃+ a ( p w ) ：0( 2 4 ) 出 砂 瑟 ( 2 ) 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表示为：微元体 中的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该定律实际上是牛 顿第二定律。按照这一定律，可导出x ，y ，和z - - - 个方向的动量守恒方程( m o m e n t u m c o n s e r a v a t i o ne q u a t i o n ) 。 第二章计算流体力学及f l u e n t 软件简介 旦逊+ a ( p u u ) + a ( p u v ) + o ( p u w ) a t瓠 卸 a z = 丢( 罢) + 专( 孝) + 昙( 暑) 一罢+ 只 c 2 s a ， a ( p v ) + 旦鲤尘+ a ( p v v ) + a ( m w ) o t缸 砂 o z = 昙( 罢) + 号( 考) + 昙( 喀) 一万a s , + e c 2 如， a ( p w