（动力机械及工程专业论文）紧凑式scr净化消声装置设计与仿真研究.pdf

a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e s p e c i a l t y ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is si o n ： j a n u a r y 2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作 者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中 指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。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 耠献到栌啪法律躲蟀麓专赢种俭 日期：2 汐1 0 年弓月z - e 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈 尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入 有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保 证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第 一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本 声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：夕帑缝 日期：勿，口年3 月上日 导师( 签字)：杏瞅 1 fd 年弓月fl 日 。一一卜。i_ 摘要 随着排放标准的日益严格，机内净化已经无法满足需求，因而加强机外净 化成为柴油机排气净化的趋势。选择性催化还原( s c r ，s e l e c t i v ec a t a l y t i c r e d u c t i o n ) 技术被认为是最具有应用前景的柴油机后处理技术。紧凑式s c r 净 化消声装置将s c r 催化转化器和排气消声器功能结合成一体，既能起到对柴油 机的尾气净化，又能实现有效降低排气噪声的双重效果，并且节省了布置空间。 本文对影响紧凑式s c r 净化消声装置流场分布、阻力损失和声学性能的因 素进行综合分析。 s c r 催化转化器内部是典型的气液两相流，把蜂窝载体作为多孔介质。本文 使用f l u e n t 软件k s 双方程模型计算稳态流动的连续相，用f l u e n t 两相流中的 d p m 模型模拟喷入s c r 催化转化器内部雾滴颗粒的运动，相间耦合计算从而求 解流场。研究了还原剂添加位置、催化器进出口锥管形状、载体长度、载体位 置、载体长径比以及进口流速等因素对催化器流场分布和阻力损失的影响。 使用有限元法对s c r 催化转化器建立声学模型时，将s c r 催化转化器划 分为两个部分：催化载体部分和进、出口空腔部分。载体部分用等效流体描述， 实际上是基于介质等效声速和等效密度的替换。在使用s y s n o i s e 声学软件进 行计算时，分别给出两个不同区域的声速和密度，整个s c r 催化转化器的边界 条件为速度进口，阻抗出口，计算得到传递损失。结合文献实验值，验证了此 方法的正确性。同时，分析了s c r 催化转化器进出口锥管锥角、流体温度、载 体长度、载体等效孔径等因素对催化转化器声学性能的影响。 设计紧凑式s c r 净化消声装置进行模拟计算，分析进口方式、内部连接管、 穿孔管对紧凑式s c r 净化消声装置流场分布、阻力损失和传递损失的影响。 关键词：柴油机；净化消声装置；选择性催化还原；阻力损失：声学l 生能 ， h 噜 - _ ， 、。l ，i k 一 _ - 1 p u r i f i e dn o i s er e d u c t i o nd e v i c e s t h ef l o wf i e l dw i t h i nt h es c rc a t a l y t i cc o n v e r t e ri sat y p i c a lg a s l i q u i d t w o - p h a s ef l o w , t h em o n o l i t hi st r e a t e da sap o r o u sm e d i u m t h e1 ( - 8t w o - e q u a t i o n t u r b u l a n c em o d e lo ff l u e n ts o t t w a r ei su s e di nt h i st h e s i st oc a l c u l a t et h ec o n t i n u o u s p h a s eo fs t e a d y - s t a t ef l o w ，d p mm o d e li su s e dt os i m u l a t et h em o v e m e n to fs p r a y p a r t i c l e sw h i c hw e r ei n j e c t e di n t o t h es c rc a t a l y t i cc o n v e r t e r , a n dg a s - l i q u i d t w o - p h a s ei sc o u p l e dt os o l v et h ef l o wf i e l d t h ei n f l u e n c e so fi n j e c t i o np o s i t i o n , i n l e t o u t l e tc o n i c a lt u b es h a p e ，m o n o l i t hl e n g t h , m o n o l i t hl o c a t i o n , t h er a t i oo fl e n g t h t or a d i u sa n dh a l e tf l o wr a t eo nf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o na n df l o wr e s i s t a n c el o s so f c a t a l y t i cc o n v e r t e ra r es t u d i e d t h ea c o u s t i cm o d e li sb u i l tu p b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , t h es c rc a t a l y t i c c o n v e r t e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h em o n o l i t ha n dt h ei n l e t o u t l e tc a v i t i e s t h e m o n o l i t hi sm o d i f i e da st h ee q u i v a l e n tf l u i d , w h i c hi sb a s e do nt h er e p l a c e m e n to f e q u i v a l e n ts o u n ds p e e da n de q u i v a l e n td e n s i t y w h e nu s i n gs y s n o i s ea c o u s t i c s o f t w a r ef o rc a l c u l a t i o n , t h es o u n ds p e e da n dd e n s i t yi nt w od i f f e r e n tr e g i o n sa r e g i v e nr e s p e c t i v e l y ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fs c rc a t a l y t i cc o n v e r t e ra r es e ta st h e 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 k n o w nv e l o c i t ya ti n l e ta n dt h ei m p e d a n c ea to u t l e t , a n dt h e nt r a n s m i s s i o nl o s si s d e t e r m i n e d t h et h e o r yi sv a l i d a t e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o n 、析mt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si nt h el i t u r a t u r e i na d d i t i o n , t h ee f f e c t so fi n l e t o u t l e tc o n i c a la n g l e ，f l u i d t e m p e r a t u r e ，m o n o l i t hl e n g t ha n de q u i v a l e n ta p e r t u r eo f n o n f l o ws t a t es c rc a t a l y t i c c o n v e r t e ro nt h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o np e r f o r m a n c eo f 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 d c o m p a c ts c rp u r i f i e dn o i s er e d u c t i o nd e v i c e sa r ed e s i g n e da n dt h ei n f l u e n c e s o fi n l e to r i e n t a t i o n , i n t e m a lc o n n e c t i n gt u b e sa n dp e r f o r a t e dd u c to nf l o wf i e l d d i s t r i b u t i o n , f l o wr e s i s t a n c el o s sa n dt r a n s m i s s i o nl o s so fc o m p a c ts c rp u r i f i e d n o i s er e d u c t i o nd e v i c e sa l ei n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；p u r i f i e dn o i s er e d u c t i o nd e v i c e ；s e l e c t i v ec a t a l y t i c r e d u c t i o n ( s c r ) ；f l o wr e s i s t a n c e ；a c o u s t i ca t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e h 肿 h 如 吒 h k 竹 哈尔滨下程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的目的和意义1 1 2 柴油机尾气净化控制措施3 1 2 1 各种排气后处理装置的特点与应用前景3 1 2 2s c r 技术的发展状况5 1 3 柴油机排气噪声及其控制7 1 3 1 消声器声学性能计算方法及研究现状8 1 3 2 消声器阻力损失计算方法及研究现状9 1 4 本文的主要研究内容1 0 第2 章s c r 催化转化器流场数值模拟理论1 2 2 1s c r 催化转化器流场数学模型1 2 2 1 1 自由流动区的数学模型1 3 2 1 2 载体内流动的数学模型1 4 2 1 3 流场均匀性的表述方法1 5 2 2s c r 催化转化器内部流场的求解1 5 2 2 1 连续相流场的求解方法1 5 2 2 2 离散相流场的求解方法1 7 2 2 3 离散相中的喷雾模型1 8 2 2 4 液雾颗粒运动蒸发的数学物理模型1 9 2 3 本章小结2 2 第3 章s c r 催化转化器流场与阻力计算及分析2 3 3 1s c r 催化转化器结构2 3 3 2s c r 催化转化器流场计算2 3 3 2 1 离散相数值模拟2 4 3 2 2s c r 催化转化器总压及流场分布2 6 3 3 影响s c r 催化转化器阻力及流场分布的因素2 8 k _ _ - 卜 、 k 。 k ， 哈尔滨t 程大学硕士学侮论文 3 3 1 喷嘴位置的影响2 8 3 3 2 催化器形状的影响2 9 3 3 3 载体长度的影响3 0 3 3 4 载体安装位置的影响3 3 3 3 5 载体不同长径比的影响3 4 3 3 6 流速对催化转化器的影响3 6 3 4 本章小结3 8 第4 章8 c r 催化转化器声挚性能计算及分析4 0 4 1 消声器声学性能计算方法4 0 4 1 1 传递矩阵法4 0 4 1 2 有限元法4 l 4 2 载体声学性能计算方法4 3 4 2 1 载体的传递矩阵法4 3 4 2 2 载体的有限元法4 5 4 3s c r 催化转化器声学模型的建立4 6 4 4 催化转化器声学性能分析4 7 4 4 1 载体对催化转化器声学性能的影响4 8 4 4 2 影响s c r 催化转化器声学性能的因素5 0 4 5 本章小结5 2 第5 章紧凑式s c r 净化消声装置结构设计与性能分析5 3 5 1 内插管对紧凑式s c r 净化消声装置声场和流场性能的影响5 3 5 2 穿孔管对紧凑式s c r 净化消声装置声场和流场| 生能的影响5 8 5 3 侧置进口对紧凑式s c r 净化消声装置声场和流场性能影响6 1 5 4 本章小结6 2 结论6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 l 致谢7 2 卜 k k ， 哈尔滨t 程大学硕士学侍论文 1 1 课题的目的和意义 第1 章绪论 随着全国机动车保有量的增加，机动车造成的污染日益突出。机动车排放 的p m 矛i n o x 是许多城市大气的重要污染源。机动车排放的颗粒物都是非常细微 的粒子，往往成为有毒物质的载体，危害人体健康。n o x 是造成酸雨和形成光 化学烟雾的罪魁祸首之一，能使人中毒引起中枢神经瘫痪及痉挛，导致肺气肿 和支气管炎，严重时致人死亡。此外，即使n o x 浓度很低，也会对某些植物产生 不良影响。 同时随着海上运输船舶数量的日益增加，船舶排气污染也日趋严重。虽然 船舶污染物只占世界污染物的一小部分，但是其绝对数量也相当大。在航运发 达国家，尤其是港口和航线密集的海区，如：挪威、英吉利海峡和美国加州沿 海，船舶柴油机的排放已经成为当地大气的主要污染物。柴油机尾气中有害成 分主要有：一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物h c 、微粒( d s + s o f ) 、氮氧化合 物( n o x ) 、二氧化硫s 0 2 及臭气等，其中最难控制的是n o x 的排放。这些污染 物被直接排放到大气环境中，其理化特性未发生变化，属于一次污染物，是造 成大气污染的主要原因和直接来源。n o x 的生成取决于燃烧过程的最高温度和 0 2 的浓度。现代船用柴油机由于最高爆发压力和功率的提高，n o x 有增加的趋 势。作为大气污染物的一部分，船舶排气污染物也越来越受到世界各国的重视， 许多国家和地区都在积极采取各种有效措施，限制船舶排气对大气的污染。为 此，联合国国际海事组织( i 烈o ) 、美国以及波罗的海沿岸国家相继立法， 强制限制排放，并对己在使用和新造的船舶柴油机废气订出标准，以控制其对 生态环境的破坏n “。 国际海事组织( i m o ) 要求船舶柴油机废气的排放都要达到规定标准，取 得e i a p p 证书。劳氏船级社( l r ) 根据i m o 的要求，在e p 要求第2 2 3 节中x c n o x 的允许排放作出定量规定： 当主机转速n q 图1 1 达到欧i 、欧、欧v 的s c r 技术路线 1 2 2s c r 技术的发展状况 世界各国的排放法规越来越严格，促使了催化还原技术的发展。发达国家 在净化装置方面做了大量的工作，对s c r 系统设计的研制已有几十年的历史。 s c r 技术是在2 0 世纪5 0 年代由美国人首先提出的，至7 0 年代最先在日本得 到开发应用，于1 9 7 8 年实现工业化。初期应用于汽油机废气处理上，在对汽油 机废气处理取得突破后才开始投入人力、物力进行柴油机废气净化处理。目前， 国外众多汽车及发动机制造商已经开始把s c r 技术产品化。s c r 技术在国外已 弓 伯 循 住 们 册 肌 0 o 0 o o a 0 0 0 r 0 p ， ， 哈尔滨_ r ：程大学硕十学位论文 表1 2s c r 技术在国外的应川情况 地域公司应用情况 两公司合作研发出卡车用新型柴油机尿素s c r 系统装置。该装置 丹麦格伦德 可节省4 的耗油量，将对人体有害的纳米级p m 排放量减半，并降 福斯和托普低n o 和烃的排放量，减少柴油燃烧时产生的异味。格伦福德斯公 索科技公司 司估计至2 0 1 0 年，这一装置在全球市场的销售总额将达到8 0 0 亿丹 麦克朗( 约合9 6 亿美元) 用于船舶上的s i n m 废气处理系统，该系统在尿素精确计量与喷射 西门子 方面具有独特优势。该系统安装在某一船1 al2 v 4 6 c 主机矛1 9 l 2 0 c 欧洲 公司 发电机上，使卜n 功羽 放由1 3 9 ( k w h ) 降低n 2 0 4 9 ( k w h ) 。 德国为了达到2 0 0 7 年施行的e p a 最新的环保法规，梅塞德斯奔驰公司 梅塞德斯一 把s c r i g _ 种后处理技术运用到他们生产的柴油车中，并考虑把这 奔驰 一系统配置到部分的商务车中 德国该公司于2 0 0 5 年上半年在卡车及大巴中采用s c r 系统，长途运输 戴姆勒一克 的卡车，2 l 尿素可行驶1 0 0 k m ，如配有1 0 0 l 的燃料罐，补充一次 莱斯勒 尿素可行驶5 0 0 0 k m ri m 公司s c r 系统的核心部分是a r i s 2 0 0 0 还原反应喷射系统，采 美国r j m 用的还原剂是含3 2 5 n 素的水溶液。该系统适用丁同定式、船用 美国公司和机车用柴油机。目前，装用t s c r 系统的重载d d c 系列6 0 柴油 机已经投入正常运营。 康明斯 康明斯i e m 采用了高效的s c r 系统，并由电控模块对其进行控制 日本日产该公司于2 0 0 4 年1 0 月7 日开发出尿素s c r 系统 由于国内排放法规要求的相对滞后，对发动机废气处理的研究起步较晚， 取得的成果有限，且主要局限于对汽油机的废气处理上。因而国内没有柴油机 排气治理的成熟s c r j 支术。当前国内对s c r 系统进行研究的有清华大学和武汉理 工大学等单位。2 0 0 6 年2 月中国第一台达到欧排放的柴油机在广西玉柴诞生， 该机在y c 6 l 3 0 的基础上，采用s c r 系统，目前该款机型已进入小批试产阶段。 另外，德国西门子公司研制的s c i 洪置已被广船国际股份有限公司配装在一些 出口船舶的主副机的排气管上。 6 ， _ p 一 ， ， - - ， ， - 哈尔滨：【程大学硕十学位论文 1 3 柴油机排气噪声及其控制 排气噪声是柴油机最主要的噪声源。柴油机排气噪声主要在排气开始时， 废气以脉冲形式从排气门缝隙排出，并迅速从排气口冲入大气，形成能量很高、 频率很复杂的噪声，包括基频及其高次谐波的成分。该噪声是柴油机中能量最 大的噪声源，比发动机整机噪声高1 0 d b 1 5 d b m 胂，。因而对排气噪声的控制显 得尤为重要。 排气噪声的控制可以从两方面采取措施：( 1 ) 对噪声源本身采取措施，但这 些措施往往又要涉及凸轮轴、气阀机构以及汽缸盖的设计，而这些又要影响到 柴油机其它方面的性能，因此需要综合考虑并进行实验研究；( 2 ) 采用排气消声 器。仅对噪声源本身采取措施，其降噪量是很有限的。目前，最有效最简单的 降噪措施还是使用排气消声器。 排气消声器的种类很多，按消声原理主要可分为三类：抗性消声器、阻性 消声器和阻抗复合式消声器。 抗性消声器是利用管道中面积突变处的声波反射作用，使沿管道传播的一 部分噪声在突变处向声源反射回去而不通过消声器，从而达到消声目的。这类 消声器构造简单、耐高温、耐气体腐蚀和冲击，使用寿命长。抗性消声器的性 能取决于它的几何尺寸和形状，适用于窄带噪声和中低频噪声的控制，对高频 噪声消声效果较差，因此使用上往往需要与其它高频消声效果好的消声结构配 合使用，如穿孔管结构。 阻性消声器是利用装置在管道中的吸声材料或吸声结构的吸声作用，使沿 管道传播的噪声不断地被吸收而逐渐衰减，从而达到消声的目的。当声波进入 阻性消声器时便引起吸声材料空隙中的空气和细小纤维的振动。由于摩擦和粘 滞阻力，声能变为热能而散失掉。阻性消声器对中高频范围内噪声具有良好的 消声效果，特别是能有效地削减刺耳的高频声。 阻抗复合式消声器结合了阻性和抗性消声器的特点，因而这种消声器能在 很宽的频率范围内有良好的消声效果。 消声器的性能评价指标主要有：声学性能、空气动力性能和结构性能。良 好的消声器应满足以下要求1 1 9 1 1 2 0 l ： 哈尔滨丁稃人学硕十学位论文 ( 1 ) 消声性能好。即消声器应根据噪声源的频谱特性，在一定的流速、温 度、湿度、压力等工作环境下，满足所需要的消声量，或在较宽的频率范围内 有足够的消声量。 ( 2 ) 空气动力性能好。消声器对气流的阻力要小，阻力系数要低，即安装 消声器后所增加的压力损失或功率损耗要控制在实际允许的范围内，否则会降 低发动机的功率输出或增加燃油消耗率。 ( 3 ) 几何形状、机械强度、结构刚度都要满足内燃机工作环境对消声器的 要求等。 1 3 1 消声器声学性能计算方法及研究现状 目前，用于消声器声学性能预测的方法主要有：传递矩阵法、三维解析法、 有限元法和边界元法。 ( 1 ) 传递矩阵法 基于平面波理论的传递矩阵法又称四端网络法，根据电路中的四端网络原 理，使用四极参数矩阵表述每个消声单元的声传递特性，消声器的声学性能用 每个消声单元的四极参数矩阵的乘积来确定。传递矩阵法是一维近似方法，适 用于低频、线性、等熵、固壁、无消耗、低马赫数等条件，因此这种理论方法 比较简单。并且与三维方法相比，计算时间短、对计算机内存的要求不高，因 而在排气系统的设计初期被广泛应用n 。刎。基于平面波理论的传递矩阵法是对消 声器内部声场的近似理论分析，这种方法适用于消声器几何结构尺寸较小，噪 声频率不太高的情况；但当噪声频率比较高时，消声器内部出现高次模式波， 平面波理论就不再适用。 ( 2 ) 三维解析法 三维解析法是通过求解声学方程获得计算模型的声学性能参数。解析法最 早应用于二维简单结构，m i l e s 首次描述了对称截面突变处激发的高阶模式波， 通过施加已知的边界条件以及声压、质点振速的级数展开表征一个二维轴对称 膨胀腔。后来，一些学者拓展了这一理论，采用三维解析法分析轴对称的简 单膨胀腔，以及进、出口偏移简单膨胀腔等结构的传递损失舯，通过解析解与 其它结果比较，验证解析法具有较高的计算精度。但对于结构复杂的消声器， 8 哈尔滨工程人学硕十学位论文 三维解析法很难适用。 ( 3 ) 有限元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是将求解区看作由节点连接而成 的小单元所构成，这种方法不受几何形状的限制，具有通用性，适合于计算复 杂结构消声器的声学特性；y o u n g 和c r o c k e r 蚓首次利用有限元法研究了消声器 中的声传播问题，他们针对静态介质运用矩形单元计算消声器的传递损失。1 9 7 6 年，c m g g s 进一步发展了有限元法，并对几个结构简单的消声单元进行分析。 八十年代初，流动介质问题开始受到关注，a s t l e y 和e v e r s m a n 针对变截面管道 问题进行研究分析啪，而p e a t 利用有限元方法综合评价了管道的声学性能懈，。 随着计算机的普及，以线形声学理论为基础的计算机软件程序也相继出现。如 s y s n o i s e 就是应用很广的三维声学数值计算软件旧，为研究者提供方便。 ( 4 ) 边界元法 边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，b e m ) 只在研究区域的边界进行单 元划分，将边界离散化，并通过联立方程式求解；而在研究区域的均匀介质内， 则用连续的数学物理方程求解。1 9 8 7 年s e y b e r t 和c h e n g 首次将边界元法应用 于消声器静态声学性能的分析m ，。九十年代，j i 在使用边界元法分析消声器内 部声场方面做了大量的科学研究，指出边界元法在预测排气系统声学性能上所 具有的优势。 1 3 2 消声器阻力损失计算方法及研究现状 消声器的阻力特性常用阻力损失和阻力损失系数来评价。消声器的阻力损 失指气流通过消声器，在进口端与出口端之间的全压差。阻力损失分为两类： 摩擦阻力损失和局部阻力损失。 摩擦阻力损失是由于流体与消声器壁面摩擦而产生，与流体速度、管壁粗 糙度等因素有关；局部阻力损失与流体速度及局部结构有关。目前，计算流体 动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 与传统的理论分析方法、实验 测量方法相结合，是研究流动问题有效的方法。c f d 大体可以分为三个分支： 有限差分法、有限元法和有限体积法。这些方法之间的主要区别在于对控制方 程的离散方式的不同。 9 i - j ， ， - 哈尔滨j i ：稃大学硕十学位论文 有限差分法是应用最早、最经典的c f d 方法，它将求解区域划分为差分网 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。求出差分方程的解，就 是微分方程定解问题的数值近似解。这是一种直接将微分方程变为代数问题的 近似数值解法。 有限元法的基础是极值原理和划分插值，它吸收了有限差分法离散处理的 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，因此在商用c f d 软件中应用并不 普遍。 有限体积法又称为控制体积法。是将计算区域划分为网格，并使每个网格 点周围有一个互不重复的控制体积；将待解微分方程( 控制方程) 对每一个控 制体积积分，从而得出一组离散方程。有限体积法是近年发展非常迅速的一种 离散化方法，其特点是计算效率高。目前在c f d 领域得到了广泛应用，大多数 商用c f d 软件都采用这种方法。 1 4 本文的主要研究内容 降低柴油机的噪声及有害气体排放是当今世界的一项重要研究课题。控制 柴油机尾气污染和排气噪声，通常是在柴油机排气系统中加装催化净化器和消 声器。但同时加装一个催化净化器和一个消声器常常受到空间限制，于是在柴 油机的排气系统中安装净化消声装置是一种可取的措施。 本文运用计算流体力学f l u e n t 软件两相流d p m 模型和声学s y s n o i s e 软件有限元法分别对柴油机s c r 催化转化器内的流场和声场进行数值模拟计 算，分析s c r 催化转化器的结构变化对流场分布、阻力损失、声学性能的影响。 以此为基础，设计紧凑式s c r 净化消声装置。具体研究内容如下： ( 1 ) s c r 催化转化器内部是典型的气液两相流，可将蜂窝载体作为多孔 介质处理。使用f l u e n t 软件k s 双方程模型计算稳态流动的连续相，用f l u e n t 两相流中的d p m 模型模拟喷入s c r 催化转化器内部液雾颗粒的运动，相间耦 合计算从而求解流场。 ( 2 ) 研究s c r 催化转化器还原剂添加位置、催化器进出口锥管形状、载 r 缸 p - 哈尔滨j i ：稃人学硕十学何论文 1i i 体长度、载体位置、载体长径比以及进口流速等因素对催化器流场分布和阻力 损失的影响。 ( 3 ) 使用有限元法对s c r 催化转化器建立声学模型，将s c r 催化转化器 划分为两个部分：载体部分和进、出口空腔部分。载体部分用等效流体描述， 实际上是基于介质等效声速和等效密度的替换。在使用s y s n o i s e 声学软件进 行计算时，分别给出两个不同区域的声速和密度，整个s c r 催化转化器的边界 条件为速度进口、阻抗出口，计算得到传递损失。 ( 4 ) 结合文献实验结果，验证有限元方法计算声学模型的正确性。同时， 对有限元法与平面波理论进行比较。分析s c r 催化转化器进出口锥管锥角、流 体温度、载体长度、载体等效孔径等因素对催化转化器声学性能的影响。 ( 5 ) 设计紧凑式s c r 净化消声装置进行模拟计算，分析进口方式、内部 连接管、穿孔管对紧凑式s c r 净化消声装置流场分布、阻力损失、传递损失的 影响，为进一步优化紧凑式s c r 净化消声装置结构提供参考依据。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章s c r 催化转化器流场数值模拟理论 随着排放法规日趋严格，对s c r 催化转化器的性能要求也越来越高，不但 要求转化效率要高、使用寿命要长，而且要求气体流动阻力要小。催化转化器 内的气流分布对转化效率有很大影响，流动越均匀，转化效率越高，而且催化 转化器使用时间越长，这就需要了解催化转化器内部的流动规律。如何优化催 化转化器的流动，减少载体内气流分布的不均匀度和降低催化转化器的阻力损 失是催化转化器结构设计的重要因素。 本文使用大型计算流体力学软件f l u e n t 对s c r 催化转化器的内部流场进行 三维数值模拟。s c r 催化转化器内部是典型的气液两相流。采用f l u e n t 软件 k s 双方程模型计算稳态流动的连续相，用f l u e n t 两相流中的d p m 模型模拟 喷入s c r 催化转化器内部液雾颗粒的运动，相间耦合计算中，离散项的存在影 响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影响离散项的分布，从而求解流 场。鉴于蜂窝载体数量多、壁薄，把蜂窝载体作为多孔介质，用当量连续法进 行模拟m ，。 2 1s g r 催化转化器流场数学模型 在建立流体数学模型时，对s c r 催化转化器作以下简化和假设，： ( 1 ) 将发动机排气看作理想气体； ( 2 ) 通过催化转化器的气流视为定常流动； ( 3 ) 由于马赫数小，气流膨胀程度很小，可近似按不可压缩流处理； ( 4 ) 气体在s c r 催化转化器自由空间内的流动，雷诺数远大于极限雷诺 数r e ( 2 3 0 0 ) ，可判定为紊流流动；而在载体区域内的流动，由于蜂窝载体当 量直径非常小，在发动机排量范围内，流体雷诺数范围一般在1 0 - r e 1 0 0 0 ， 可近似认为充分发展的稳态不可压层流； ( 5 ) 在不考虑化学反应的情况下，模拟分析s c r 催化转化器内部的流场 分布及阻力损失与考虑化学反应的实际情况相差不大，故本文模拟简化s c r 催 1 2 哈尔滨一t = 稗大学硕十学位论文 化转化器内的流动为绝热、无化学反应流。 根据s c r 催化转化器的结构和气体流动特性，将s c r 催化转化器内部流 场分为自由空间区域和载体区域两部分。本文为避免分区域求解过程中由边界 条件设定不准而产生的误差，提高计算结果的合理性与精确度。采用将s c r 催 化转化器中的两种不同区域合在一起作为一个统一流场进行统一处理的方法。 以下分别建立两种不同区域的数学模型，说明同时适用于两种区域的统一基本 方程组的参数选择条件。 2 。1 1 自由流动区的数学模型 对稳态不可压三维流动，有以= 雷诺平均的连续方程和动量守恒方程旧“制： v p v = 0 ( 2 1 ) v ( p o o ) = 一跏+ v ( f ) ( 2 2 ) ( 芦) = ( v v + v v r ) 一；v u ， c 2 - 3 ， 式中： 一粘性系数 i 单位张量 p 一流体密度 一r 应力张力 v ：旦+ 旦+ 旦 苏o y a z d = g i + o y j + v ：k 使用标准的七一占方程来封闭上面的控制方程： 毒c p 红，= 毒 卜+ 丢 考卜一胪 c 2 4 ， 丢c p 卵s ，= 毒 ( + 芒 考 + g 。妻g k - g , p 亏 c 2 5 ， 哈尔滨：t ：程大学硕士学位论文 ；i ；i i ； 式中： 坼一一速度分量 刁一一湍流粘性系数 七一一湍动胄邑 占一湍流耗散率 q 平均流速梯度产生的湍动能 7 7 ：以笙 其中：吒= 1 、吒= 1 3 、c l 。= 1 4 4 、c 2 。= 1 9 2 、e = 0 0 9 2 1 2 载体内流动的数学模型 s c r 催化转化器蜂窝载体一般是由许多大小相同的方形细直管组成，如果 对载体所有孔道建模生成三维网格进行流动计算，将大大增加计算量，超出一 般计算机的容量。工程上一般将载体假想成多孔连续介质来进行模拟，以提高 计算速度。多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一 部分是粘性损失项( d a r c y ) ，另一个是惯性损失项啪，。 33 s i = d 。以+ c i 1p h h ( 2 - 6 ) = lj = t 式中：s 是f 向( x ， y ， o fz ) 动量源项，p 为流体密度，为流体粘性系 数，d 和c 是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献， 压降和流体速度( 或速度方阵) 成比例。 对于简单的均匀多孔介质： s = 等e + c 2 l p v jv j ( 2 - 7 ) 式中：1 肛是粘性阻力系数，c 是惯性阻力系数，q 为轴向速度。 1 4 ， “ ， r 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 2 1 3 流场均匀性的表述方法 考虑到不同流速分布在图中表示时差别不是很明显，引入流动均匀性指数 来建立评价流速分布特性的准则，如下式旧璐，： 厂可 z ；l 一上多型! 二兰! 竺! ( 2 8 ) “ 2 门智v 肼嘲 式中：z 为均匀性指数，在0 到1 之间变化，l 表示理想的均匀流，0 表示只 有一个计算点有值，其余点的值均为0 ；n 为取值点的个数； ，、。分别为 第，个取值点的流速和所有取值点流速的平均值。 2 2s c r 催化转化器内部流场的求解 本文使用f l u e n t 软件k s 双方程模型计算稳态流动的连续相，采用f l u e n t 两相流中的d p m 模型模拟喷入s c r 催化转化器内部液雾颗粒的运动，相间耦 合计算中，离散项的存在影响了连续相的流场，而连续相的流场反过来又影响 离散项的分布，从而求解流场。 2 2 1 连续相流场的求解方法 目前的湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方 法。所谓直接数值模拟( d n s ) 方法是指直接用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程对湍 流模型求解。而非直接数值模拟方法就是设法对湍流作某种程度的近似和简化 处理。非直接数值模拟方法分为大涡模拟方法( l e s ) 、r e y n o l d s 平均法( r a n s ) 和统计平均法。r e y n o l d s 平均法是将瞬态的脉动量通过某种模型在时均化的方 程中体现出来，核心就是求解时均化的r e y n o l d s 方程。 r e y n o l d s 平均法中的k s 双方程模型是目前工程中应用最广泛的一种湍 流模型。f l u e n t 在推演过程中采用了以下几项基本处理： ( 1 ) 湍流k 反映特征速度 ( 2 ) 用湍能耗散占反映特征长度尺度 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 ( 3 ) 引进了= c u k 2 g 的关系 ( 4 ) 利用b o u s s i n e s q 假定进行简化。 k s 双方程模型作为三维气相湍流流动的模型，其封闭的微分方程组可以 写成下列通用形式： 亟警+ 挈+ 亟竽= 丢( r 妒警) + 品c r ，等，+ 鲁c r ，老) + q c 2 剐 融却玉叙、p 苏7 却、9 却7 昆、9 瑟7 ， 上述方程左边为对流项，右边前三项为扩散项，最后一项配为源项。其中 矽为因变量，为扩散系数，对于特定意义的矽具有特定的量和每。 表2 1 与式( 2 9 ) 对应的k 一占模型的控制方程 方程名称矽l 瓯 o 连续性方程 lo x 动量方程 “ p s 一罢+ 昙c 以罢，+ 导c 以罢，+ 尝c 以豢， y 动量方程 v 4 一考+ 丢c 以爹，+ 参c 心考，+ 昙c 以爹， z 动量方程w p 8 一警+ 丢警，+ 万8t 以g v + 鲁c 以警， 湍流动能 七+ 丝 g k p o k 湍流耗散 占 + 丝 c , e , - i p , c = t f 2 o s 其中： 讳1 2p j r i t , i t , = c h p 结 湍流动能的产生率为： 1 6 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 q = 以( 筹+ 警) 鲁 c 2 邶， 呶；呶，o x ： 巴、c d 、c l 、c 2 、o - k 、吒均取做常数“删。 2 2 2 离散相流场的求解方法 向s c r 催化转化器内喷入液雾是典型的湍流气液两相流问题。目前，在气 液两相流的数值模拟中有三种基本模型： ( 1 ) 将气液两相介质看作一种混合流体，称为单流体模型； ( 2 ) 将气液两相看作即互相独立又相互作用的两种流体，称为双流体模型； ( 3 ) 将气体或液体看作背景流体，而将另外一相看作离散分布于背景流体 中的颗粒或粒子，在研究过程中用欧拉观点研究背景流体，用拉格朗日观点追 踪颗粒相的运动，称为欧拉一拉格朗日模型。 本文计算模型适用于欧拉一拉格朗日法，模拟s c r 催化转化器内部流场。 f l u e n t 软件中计算气液两相流的模型有：v o f 模型( v o l u m eo f f l u i d s ) 、 混合物模型( m i x t u r em o d e l ) 、欧拉模型( e u l e r i a nm o d e l ) 、离散相模型( d i s c r e t e p h a s em o d e l ，d p m ) 。 d p m 属于欧拉一拉格朗日型模型，主要用于液滴流和气泡流计算。这个模 型假设液滴或气泡十分稀薄，局部体积分数要小于1 0 - , 1 2 ，而且大体上均匀 分布于连续相中。本文计算液滴流时，气体是连续相，液滴是离散相。首先通 过连续相的计算获得流场的速度、湍流动能等信息，然后在拉格朗日坐标下考 虑液滴在连续相场中的受力和湍流扩散等物理过程后，计算得到液滴的轨迹。 离散相模型就是通过大量液滴的计算模拟大量液滴的运动。 s c r 催化转化器工作时，通过喷嘴喷入雾化溶液，雾化溶液吸收尾气的热 量升温蒸发，这个过程完全满足离散相模型的要求，而且雾化溶液的体积分数 小于1 0 ，因而适用于湍流气液两相流动的d p m 模型。 在f l u e n t 离散相模型中既可以通过在一个固定的流场中( 非耦合方法) 来 预测离散相的分布，也可以在考虑离散相对连续相有