车用歧管式催化器内部流速及压力分析.docx

1、车用歧管式催化器内部流速及压力分析丁柏群，李明扬（东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨150040）摘要：通过数值模拟和试监松证，分析了歧管式催化器内部气流的速度场、压力场和气流分布秋志，并与常规的底盘下债化M进行了比较.姑果表明：随入口流量的增大，歧管式催化耳内部气浪流速增大、压力损失增大、径向分布均勾姓降低；气流的径向分布不同于常规僵化器集中于轴线的轴对称形式，而是在栽体甫端而呈比较分欢的状态，其中管板复合型歧管式催化器呈现务中心进气状态，均匀姓校常规催化器有较大提高.关键词：歧管式催化器；数值模拟；流速；压力I均匀性中图分类号：TK414.5文献标志玛：B文章编号：10012222（201

2、1）03-002005歧管式催化器是指安装在发动机舱内，由发动机排气歧管与催化转化器组成，且发动机歧管各支管交汇处到催化器入口端的连续连接长度不大于500mm的催化器总成部件。在最近我国汽车排放限制标准向国IV过渡的背景下.常规的底盘下催化器在满足冷起动工况检测方面遇到困难；歧管式催化器由于安装位置非常接近发动机，所以能够在发动机起动之初就充分利用尾气热量迅速起燃，产生催化作用，减少冷机阶段排放污染物，从而满足国IV排放标准.同时结构也更加紧凑。歧管式催化器有若干种具体型式.典型的是通常称为“管板复合型”和“冲压半壳型"的歧管式催化器。歧管式催化器的进气端与紧耦合式催化器及底盘下催化

3、器在结构上有很大不同.因而其内部流场尤其是进气端流场也有很大差异，而内部气流状态是影响催化器性能和寿命的主要因素之一2。本研究利用台架试验和Fluent软件数值模拟，分析歧管式催化器在不同入口流量下，内部气流速度、压力的分布和变化,并与常规催化器进行比较。1气流状态的数学描述歧管式催化器的实际工作过程十分复杂，包括湍流、传热、传质以及化学反应等各种物理化学现象。本研究对实际过程作适当简化，假定催化器中无化学反应、尾气处于稳态流动、歧管和催化器内为不可压缩的湍流状态理想气体。在此假设条件下对歧管式催化器中的流场进行仿真计算，须考虑连续性方程、动员守恒方程、能量守恒方程和标准湍流模型等控制方程。连

4、续性方程：字+捋2=0,i=l,2.3。（1）8t3jc,动量守恒方程：零+£2=皿+部3尸,2,3。（2）能量方程:备P<jv2+E）+*（号廿+E）虬=p（/x+q）+f0虬+入碧）°（3）湍动能税输运方程：+=二（"+冬）养+atdXidjc,a,dXjG'+Gbp&Ym+Sk。（4）湍动能耗散率£输运方程：a（£e）.£<£<0=_£_（“+竺）五+St3xiG,jg+CeGQ-Czwf+S,°（5）式（1）至式（5）中:p为密度；t为时间；u为速度矢量;/为矢最

5、力0,为i，j方向的应力张最分瞰为速度；E为内能；丁为温度；q为单位质最流体内热源单位时间内的发热量;G«为平均速度梯度引起的湍动能*的产生项;Gb为浮力引起的湍动能k的产生项;Ym为可压湍流中脉动扩张的贡献*£方程中的收稿日期：201012-06,修回日期：2（H125t5作者简介：丁柏群（】963），男.教授，硕匕，主要研究方向为汽车排放有害污染物净化、交通对环境影响及减Mhding_bq.(6)其他参数分别为C“=1.44,C"=1.92,C*=0.09,久=1.0,“=1.3。压力项和速度项之间的耦合关系采用Simplec算法。2边界条件2.1网格划分把利

6、用Catia完成的歧管式催化器3D数模以STP格式分别导入Gambit软件进行网格划分，并对边界条件进行初始设置，4个进气口为流量入口，出口为压力出口，其余为壁面边界条件。划分结果见图1.适的孔隙率、多孔介质流阻系数来近似模拟催化器载体对气流的影响。气流在多孔介质区的流动为层流流动，则根据Darcy定律，气流流经催化器载体时产生的压降可表示为p=oP2l式中：外为黏性阻力系数；屿为惯性阻力系数。不同载体有不同的”11和知2。流体属性由于排出气体的各种物理属性与空气类似，所以设置流体的材料属性为空，物理性质设置见表2。«管板笈合型歧世式借化器名称比热容/J(kg*K)T热导率/JmK）

7、->黏性/Pas空，11560.07184.55X10-*哀2流动介质的物理属性3结果及分析3.1仿真结果b冲辰半壳敏歧管式催化赛计算方法为标准的求解N-S方程组迭代求解方式：给定初场，然后联立求解每个网格单元上的N-S方程组，反复迭代，直到计算达到收敛。在排气歧管单个进气口流域分别为0.01kg/s和0.02kg/s的情况下，分别对模型进行50次迭代计算。图2示出残差曲线。由图2可看出，残差曲图1催化器网格划分线收敛。1x10*2.2边界条件进口设4个进口流域相同，单个进口分别为0.01kg/s,0.02kg/s和湍动条件，排气系统进口温度由台架试验测定。出口设定为压力出口条件，初始表

8、压强设置为0,总温为1065K。壁面设内壁为不滑脱速度条件，催化器壁面为绝热条件，其他壁面为对流换热条件，壁面条件按10Crl5材质物理属性（见表1）设置，壁厚为2mm。IXI0-*Ix0Ix10-'5101520253035404550迭代次数/次连续性曲线6曲级K曲线t向速度曲线X向速度曲线/向速度曲线能量曲线lxKFIx!0-JIxIO,比热容/密度/热导率/导热系致，'J(kgK)-«kgmJJ(mK)-*W(m1K)'46077502620表1壁面材料的物理属性多孔介质区催化器载体是多孔结构，因此，可将这些部位的计算域视为多孔介质区，通过选择合aAU

9、iftttO,01lx10205101520253035404550送代次数/次如续性曲线8曲线K曲线M向速度曲线X向速度曲线勒向谖度曲线能量曲线1x0*1x101IxIO"b入口流量0.02k*、图2残差曲线图3示出催化器出口排萤监测。由图3可看出，两种情况下排出气体的流'最分别稳定在0.04kg/s和0.08kg/s,与4个进气口的输入量之和相等。图5示出静压强分布，当入口流量为0.01kg/s时压力损失为5150Pa,入口流域为0.02kg/s时压力损失为14000Pa.静压损失增加了1.72倍。5.1533«§、*口«4.58r+n3理4

10、333.4WB-,;、«*口汨-5.04r>022.8%巧32.32e+O31.76e*O3l.l9e*O36.26c+026.1HIH入r【流iiO.Olkg/nl.24e*O4图3出口流fit图4示出通过Fluent仿真的管板复合型歧管式催化器内部气流速度轴向分布。随着进气流量的增大，歧管和催化器内气流流速加快，同一位置气流的轴向速度在入口流量:为0.02kg/s时约为入口流fiO.01kg/s时的2倍。1.40r-M)4LO7.09.l4e4O37.53e*O34.32r02.7X31.1&403.5.0WKb入口流量0.02kg/*图5压强分布11.03e*02

11、9.25e4018.24017.2W)1621215.20r4014.I9zOI3.l8e40112.1731l.l5e40l1.41r-KX)a入nifihto.01kg/sI4.38c4O12.28e«0l1.9040)!.2Xe*O2l.O7e*O28.56r*0l6.47c4<)1b人口流址0.02knA图6示出两种歧管式催化器和常规催化器载体前端面7流分布。图7示出3种型式催化器的速度均匀性指数。可见歧管式催化器内部气流径向分布的均匀性较好，普遍高于常规型式催化器，管板夏合型歧管式催化器的均匀性指数最高；入口流量增大使催化器内部气流径向分布的均匀性均有所降低,但歧管式

12、催化器所受影响较大，其中冲压半壳型均匀性指数降低较多；流量变化时，与常加催化器儿乎不变的流速轴对称分布形态相比歧管式催化器横截面上流速的区域分布特征也有一定变化。.管板复合阳歧管式催化部.Anjftfio.oik«/s图4气流速度矢量h管板复合楸歧管式催化器.入口流量0.02kg/、8.00«mOI7.20+016.40+015.60e+0l11.6(78.00*000.00r+00f常规催化器.入口流量0.02kgM图6催化器入口端面气流速度分布4.50r+013.90t40|3.30*012.70e+0jZ1(W)Il.50e*0l9.00p+00J.OOe+OO0.0

13、0+00c神压事壳瑕歧管式催化器.人口流Mo.oik，fijtjxfsf进气流EB管板夏介式E压半壳式函常规催化器6.93r+015.87e+014.80e*013.73e+011.60015.33e+«)0.00+008.00-4)12.67e*01图7催化器入口端面气流径向分布均匀性指数3.2试验表3列出管板复合型歧管式催化器发动机台架试验结果。由表3可见，测得的入门速度和出口流量与计算结果基本吻合，可以认为仿真计算合理.结果有效，可以以之模拟实际过程，对产品开发、结构设计优化具有参考价值。d冲压半充型歧管式催化器.AimttO.OZkg/-14.00*03.6Oe+O13.52

14、.8Oc+OI2.40e+0l2.0040!l.60e+01IJOmOII8.00e4<X)4.00e*000.00e+00发动机转速/rmin一缸号温度/K入n流量/K.8,入口流速/ms1出口流量/gs,30001U9799.8153.439.12240：969.39.7853.23tC967.89.7853.24虹977.99.7953.260001缸1072.719.76106.379.042缸1054.319.75106.33缸105119.75106.34缸1071.219.76106.3*3发动机台架试验结果3.3分析«常规催化器，入口流做O.Olkg/s结合本研

15、究和已有研究结果LE可以看出，歧管式催化器内部气流径向分布的均匀性较常规型式催化器（例如底盘下催化器或紧耦合式催化器等）有明显改善，其中尤其以管板复合型歧管式催化器效果较好。原因可能是管板复合型歧管式催化器改变了常规催化器单一进气口集中进气的结构和方式，将若干歧管的排气直接送入载体前迎风端面，气流被分散；同时在进气端盖内各歧管气流产生扩散，相互影响，流动状态复杂化,从而将常规催化器气流在轴线附近集中进入前端的方式改变为多中心分散进入前端的方式，因而降低了气流径向分布的不均匀性。这种气流分布状态在实际工作过程中有利于催化剂多点同时发生反应，减少起燃时间，也可改善常规催化器载体中心区域经常过负荷运

16、行、老化加快的情形。而半壳型歧管式催化器由于在进气锥端前面膨大的壶腹部气流有较充分的混合和预扩散，也能够在一定程度上提高进入载体前端面7流的径向分布均匀性，但进气流速增大时，与常规催化器的差别变小。4结论a)随入口流量的变化，所研究的歧管式催化器内部气流流速和压力也呈现不同的分布特征：在试验范围内，入口流及越大，轴向流速越大、压力损失越大，当人口流量由0.01kg/s增大到0.02kg/s时,流速增大1倍,压力损失增大1.72倍，气流径向分布的均匀性降低；b)歧管式催化器内部气流的径向分布状态优于常规型式催化器，尤其是管板复合型歧管式催化器，其均匀性指数较常规催化器有较大提高，而旦在起动初期易

17、于形成多点起燃局面，从而加快起燃过程。参考文献：C1中国汽车技术研究中心，无偏成孚力达催化净化器有限责任公司，天津索克汽车试脸有限公司，等.GB/T259832010歧曾式催化样化器S.北京：中国标准出版社，2011.2 许建民.袁志群.任恒山.等.车用催化转换吾气流特性分析J.重庆科技学院学报：自然科学服，2009,11(6)：105-108.3 谷芳，刘伯潭.潘书杰.排气系统的数值模拟及优化设计J.汽车工程，2007,29(II),950-957.4 刘伯潭，温书杰.汽车排气系统总成的计算流体力学模拟J.天津汽车，2008,(7)：34-36,41.5 刘军.汽车排气催化樗化装置气流特性分

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