车用催化器流场数值模拟及其在结构优化设计中的应用.doc

车用催化器流场数值模拟及其在结构优化设计中的应用第18卷(Z00O)第2期内燃机Transactj0nsofCSICEVo1.18(2000)No2文章编号:10000909(Z0O0)020211O6180047车用催化器流场数值模拟及其在结构优化设计中的应用帅石金,王建昕庄人隽,陈峻锐fJ,了6(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京i00C,84),-一一v【一,f/一I摘要:果用当量连续洼建立了催化器蝉窝载体的流体动力学模型t并甩STAR-CD软件对各种结构催化器的稳态流场进行了多维数值模拟.为了验证模型的精度t甩毕托管测量了催化器载体后的速度分布,井与模拟结果进行比较,计算值与测量值吻合良好.在此基础上,甩软件对扩张管,载体形状和载体之间的缝晾等影响催化器流动特性的因素进行了研究.模拟结果为催化器的优化设计提供了依据厨引言1催化器流动数学模型催化器是降低汽车有害物排放的有数装置,已成为现代汽油车不可缺少的一个组成部分随着汽车排放法规日趋严厉,对催化器的性能要求也越来越高,不但转化效率要高,而且使用寿命要长,同时流动阻力要小.研究表明一:常规结构的催化器,气流往往集中在载体中心区域,而在载体边缘地带气流量很小,造成气流速度和温度在中心区域很高,使催化剂在中心区域很快老化,而在边缘地区又得不到充分利用,既减少了催化器的使用寿命,又降低了它的转化效率此外,因载体阻力和扩张管壁面气流分离造成的压力损失.也影响发动机的动力性和经济性.因此,如何减少载体内气流速度分布的不均匀性并降低催化器的压力损失,是催化器结构设计的关键.这就需要了解催化器内部的流动规律,对催化器进行优化设计.过去人们主要依靠经验或半经验来设计催化器.,既浪费了大量的时间,又耗费了大量的人力和财力近年来,随着计算机技术和计算流体力学(CFD)的快速发展,大批商用CFD软件已进人实用阶段,使得人们可以采用数值模拟的方法来研究催化器的流动特性,为催化器的优化设计提供指导,从而可以减少试验工作量,缩短设计周期.结构因素是影响催化器流动特性的主要因素之本文采用STARCD软件建立催化器的流动数学模型,并研究扩张管,载体形状和载体之间的缝隙等因素对催化器的压力损失和速度分布的影响.1._流劲控制方程对稳态流动,有以下雷诺平均的质量,动量守恒方程:蠢(P)一0(i)(P一)一一一(2)式中为源项,这里表示催化器载体阻力为应力,对牛顿流有:z一吉耋屯c.旷吉c+蠹式中:为粘性系数;屯为Kroneker数;为雷诺应力是流体变形速率.采用标准的湍流模型计算雷诺应力来封闭上述流动控制方程:一一2+詈豢+P)扎(5)式中:肛为湍流粘性系数,由下式给出:一c6)式中:,e分别为湍动能和湍能耗散率,它们的输运控制方程为考(m一参)=%耋一e一号耋)耋?崆藕日期r1鲫D-0901#.I订日期:19991o一2j基盒璜目r博士后科学基金研究项目作着幡舟帅石金(19G5一).男,博士,主要研究方向为内擗l机工作过程与丰|放控制.?2l2?内燃机第18卷第2期未一毒jC,i磬一号(誊+)耋一c等+c;cs式中:ff+;各项经验系数参见文献4使用STARCD软件求解上述流动控制方程.该软件采用有限体积差分方法离散方程,对稳态不可压流,用SIMPLE算法进行迭代求解.1.2蜂寓载体压力损失模型这里仅对目前最常用的陶瓷蜂窝载体进行模拟和分析.蜂窝载体是由许多大小相同的方形管道组成要详细了解这些管内的流动分布,就必须对它进行多维模拟,这种方法的优点是可以精确地模拟载体内的气流.但由于载体管道太细(约1mm),太多(孔密度为62日/cm,直径为1O0mm的载体为倒,就有大约4870个管道),要对这么多个细管道生成多雏网格进行流动计算,超出了一般计算机的容量,是不可取的事实上,从工程的角度看,人们更多的是关心载体整体性能及其对气流的影响.由于蜂窝载体的管道具有相同的几何形状,并且管道的直径远远小于载体的直径,使得人们可以把蜂窝载体作为多孔介质.用当量连续法(equivalentcontinuumapproach)进行模拟.即把管道的气流在整个载体内看作连续分布的气流.由于载体管道尺寸非常小,载体内的气流可以认为是不可压的层流在载体内可以忽略动量方程的对流项和扩散项,这时动量方程就简化为一一Kf9)d.ZiK一a.l+.(10)式中:K,为渗透率(permeability),与当地速度大小y成正比;经验常数在气流方向(轴向)根据试验确定,在径向和周向取为1l0,即认为气流只沿轴向流动.在其它两个方向投有质量交换.2模型的验证2.1催化器诫建测量考虑到发动机排气温度高,波动剧烈,因l而不便在真实发动机的排气系统中测量催化器的流动特性这里选择空气作为气源,在稳流试验台上用_I|L毕托管测量了图1所示的可拆式催化器载体后的轴向速度分布试验时仅更换扩张管(扩张角分别为40,9O.和l20.),就可测出3种结构催化器的速度分布2.2计算值与测量值的对比为了验证建立的催化器流动数学模型的可靠性.对图1所示催化器的流场进行了数值模拟.图2为3圈1可拆式催化器流速谢量示意图Fig.1Schematicoftheremovablecatalyticconverterforflowmeasurements,种催化器的计算区域考虑到催化器的轴对称性,这里仅在圆柱坐标系下生成二维网格,网格尺寸为40(径向)185(轴向)催化器的流动介质为空气假设催化器人口速度均匀分布,根据试验取V一53.0m/s气流人口密度P一1_205kg/m,温度T一293.0K.入口处的湍动能和湍能耗散率E分别按5的湍流强度和lmm混合特征长度计算.出口边界按充分发展了的流动处理,即出口处各单元的速度梯度为零壁面速度为无滑移边界,近壁按壁面函数确定(a)扩张角=4ocb)扩张角=90.(c)扩张角=120.圈2不同扩张管催化器Fig.2Computationaldomainsofdifferentdiffustionheaders图3为3种人口扩张角催化器流速的计算值与测量值的比较从图中可以看出,计算值与测量值的变化规律基本一致,总体吻合良好.尤其值得一提的是,计算结果所反映的催化器结构对流速分布的影响与试验所泱的规律完全相符.说明本文建立的催化器流动数学模型是可靠的,可以用来研究结构因素对催化器流动特陛的影响.计算值与测量值之间的误差主要与湍流模型,载体阻力模型以及测量误差等直接相关.但对本文研究不同结掏催化器的流动特征而言,这种模拟精度是足够的.2000年4月帅石盘等:车催化器流场数值模拟及其在结构优化设计中的应用?2l3?r/a)扩张角一40r侬?张角一c(cJ扩张角一120.图3计算值与试验值的吻台Fig.3Comparisonbetweenpredictionsandmeasurements3催化器结构对流动特性的影响31扩张管的影响图4为图2所示3种不同人口扩张角(ICA)结构催化器的流动特陛模拟对比结果其中图4a为载体之后的轴向速度沿径向的分布;图4b为沿催化器对称轴线的总压分布特性,入口与出口总压之差可近似认为是其压力损失由图可知,人扩张角刘催化器流动特有很大影响.9O.和120.扩张管的流速分布不均匀性和压力损失大大高于40.扩张管;但各管之间的速度分布及压力损失相差不大出现这种现象的主要原固是:随着扩张角的增加,气流在管壁fU现分离.角度越大,气流分离越严重,流速分布不均匀性加剧.压力损失也相应加大,但当扩张角增大到定程度后.气流量射流状,气流的分离对扩张管壁面轮廓线不敏感,这时扩张角对流速分布和压力损失的影响变小为了进一步研究扩张管结构对催化器流动特性的影响,作者参照文献63设计r一种类似图j1的增强型扩张管(EDH)催化器.文献6j依据气体动力学原理提出了EDH的设计思想,其主要月的是减小扩张管的局部压力损失,并用试验验证丁它的效果但文献-6仅从压力损失方面对EDH进行_r试验研究,没有对这种结构的扩张管进行流动数值模拟,因而无法深入_r解EDH的工作原理本文模拟的这种扩张管的结构特点是:气流首先流经一个小角度:l2.)的嘶锥过渡管,在接近载体(距载体前端面25nm)时再渐扩至整个载体表面为了便于比较,同时模拟r种常规结构扩张管(扩张角40.)催化器的流场.【幽5a所示.除扩张管外,两者的其它结构参数和计算条件相同图6为EDH与常规扩张管催化器载体内流速分布和催化器总压分布的对比图7为张管局部放大r/)轴向建度丹布Lm【b)压力分布圈4扩张角对谴动的影响Fig4Influenceoftheinletconeangle(ICA)ontheflowperformancefa)常规扩张曾(b)增强型扩张管(EDH图5增强型扩张蕾和常规扩张蕾Fig.5EDHandconventionaldiffusionheaderconverter?2l4?内燃机第18卷第2期速度矢量图.从图6可以看出,EDH可以较明显地改善催化器的流速分布,而且能减少催化器的流动损失主要是因为EDH圆锥过渡管的锥角小,气流在很长一段距离内不会出现分离(可以很清楚地从图7看到这一点),当气流接近载体时,尽管此时扩张管开始近似突扩,但由于突扩空间小,气流的回流区很小,因而r/屁()轴向建度分布L/mm(b)压力分布圈6增强型扩张蕾与常规扩张蕾漉动特性的对比Fig6ComparisonofflowcharacteristicsbetweenEDEandconventionddIffusionheader(a)常规扩张管(b)增强型扩张管田7扩张蕾局部放大遗虞矢量田F喀7AmpIffittdtfftonadervelocityVect0r它的流速分布更趋均匀,压力损失也相对较小.3.2载体的影响3.2.1栽体端面形状为了考察载体人口端面形状对催化器流动的影响,选用了一种球形端面载体作为研究对象,如图8所示,并与图5a所示的常规载体催化器的流场进行了对比分析.这种球形载体是作者在催化器流动特性的试验研究中首次提出的,试验研究发现它对改善流动分布有好处模拟的球形载体体积与常规载体相同,赊载体形状外两种催化器其它结构与计算条件均一致.图9为两种载体的流动特性对比结果图lO为球形载体在扩张管处的局部放大速度矢量图.从图9a可以看出,球形端面载体可以较大程度地改善催化器的流速分布均匀性,主要原因是球形载体的前端部分可以深到扩张管内,使得扩张管内气流的流动分离区减小,从图l0可以明显看出这一点;另外,由于球形载体其迎风面是圆滑过渡,中间部分的气流顺势流向边缘,使流速分布均匀,从某种意义上说,球形端面起了导流的作用.此外,由图9b可知,圈8球形端面载体催化嚣r/(a)轴向速度分布L/mm(b)压力分布围9截体端面形状对流动的影响Fig.9InfluenceofthesphericalsubstrateOiltheflowperformance/2000年4月帅石盘等:车用催化器流场数值摸拟及其在结构优化设计中的应用?215?球形载体催化器的压力损失要小于常规载体的压力损失.这是由于球形载体引起流速分布均匀造成的3.2.2栽体长度这里对比模拟了单载体(图5a)和双载体(图12a)的流动特性,如图11所示由图可知,双载体的流速分布均匀性较单载体好,但它的压力损失也较单载体大.这说明载体长度对催化器的流动有较大影响.载体越长,阻力越大,载体前的气流扩散越充分,流速分布也就越均匀.从优化设计的角度看,通过增大载体阻力来改善催化器的流速分布是不可取的.因为载体阻力的增大会给发动机带来不利影响圈lO球形馥体局部放大逋度矢量图Fig.10Amplifiedsphecalsubstratevelocityvectorr/R(n)轴向速度丹布(b)压力分布圈ll馥体长度对流动特性的影响F一11Influenceofthesubstratelengthontheflowperformance3.2.3栽体之同的缝隙双载体催化器是常见的一种催化器,如图12所示载体之间的缝隙对流动的影响是人们关心的一个问题.图13为无缝隙,10uniT1缝隙和2Omrn缝隙3种不同缝隙大小双载体催化器的流动特性的比较.从图中不难看出,载体缝隙对流速分布有较大影响,缝隙越大,第1块载体流速分布越不均匀,但第2块载体的分布均匀性得到改善;而缝隙不会对催化器的压力损失造成大的影响模拟结果告诉人们,由于实际中载体缝隙难以避免,在设计双载体催化器时应当充分考虑两块载体流速分布的不一致性,避免载体问过大的缝隙.a)无缝隙(b)缝醇=10rm)麓障=20mrn田l2双馥体催化叠Fig.12Dual-substrateconverterr(a)轴向建度分布(b】压力分布图l3馥体缝隙对谴动特性的嚣响Fig.13Influenceofthegapbetweensubstratesontheflowperformance?2l6?内燃机第18卷第2期结论(1)把蜂窝载体当作连续的多孔介质进行处理,I当量连续法建立了载体的流体动力学模型,并用FARCD软件对不同结构催化器的流场进行了多维态流动数值模拟.速度的模拟结果与测量结果基本台,两者变化规律是一致的,说明所建立的催化器流7数学模型是可行的,可以用来进行不同结构催化器动特性的研究.(2)扩张管结构对催化器的流动特性有很大影J.扩张角越太,催化器流速分布不均匀性和压力损失i大,但当扩张角增大到一定程度后,扩张角对流速分i和压力损失的影响程度变小.增强型扩张管(EDH)r以较为明显地改善催化器的流速分布,并能降低流9阻力,是一种有效的扩张管结构形式.(3)与常规平端面载体相比,作者提出的球形端载体可以在较大程度上改善催化器的流速分布均匀,是一种值得深人研究的载体型式.(4)载体越长,阻力越大,载体前的气流扩散越E分,流速分布也就越均匀但通过增大载体阻力来改催化器的流速分布是不可取的,固为载体阻力的增会给发动机带来不利影响.(5)载体之间的缝隙越大,造成第1块载体流速布越不均匀,但第2块载体的分布均匀性却得到改善;载体之间的缝隙对催化器压力损失的影响不大.在设计双载体催化器时应当充分考虑两块载体流速分布的不一致性.避免载体间过大的缝隙参考文献1HoWITTJS,SEKELLATCFlowEfleetsinMonoLithlcHoneycombAutonmtiveCatalyticConvertersc.SAEPaper7402442WENDLANDDW.MATTHESWR.Vjsuanzatjon0fAutomotiveCatalyticConverterIntermaFlowC.SAEPaper8615543LAIMC.KIMJY,CHENGCY.ThreDimensi.nal,SimulationsofAutomotiveCatalyticConverterInternalFlowC-.SAEPaper9102004JEONGSJ,KIMTHCFDInvestigationofthe3-DimensionalUnsteadyFlowintheCatalyticConverterc.SAEPaper9710255ZYGoURAKISK.TtanslentOperationofMonolithCatalyticConverterATwoDimensionalReactorModelandtheEffeCt$OfRadiallNonuniformHowDistributionJ-.ChemEngSci,1989,44;207520866WENDLANDDW.KREUCHERJE,ANDERSENE.ReducingCatalyticConverterPressureLosswithEnhancedInletHeaderDiffusionrC.SAEPaper9523987帅石金,王建听,庄人隽,等.车用催化器结构因素对扰速丹布的影响_J汽车工程,2000,22(1:2932NumericalSimulationofFlowsinAutomotiveCatalyticConvertersandItsApplicationonOptimumStructureDesignSHUAIShijin.wANGJianxin,zHuANGRanjun,CHENJun-rui(StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergyConservation,TsinghuaUniversity?Beijing100084/kbstract,Amathematicalmodeofthef