歧管式催化转换器的流场分析及结构改进

许建民，易际明，陈远生

(厦门理工学院机械工程系，福建 厦门 361024)

0 引言

采用三元催化转化器是控制车用汽油机排放的关键技术．常规结构的催化转化器主要存在以下缺点:由于发动机排气在常规催化器的扩张管段产生强烈的气流分离，从而出现催化器载体中心部位的气流速度高，中心载体以及催化剂老化加速，而周边载体气流速度相对较小，周边载体上的催化剂没有得到充分利用．这样就大大缩短了常规催化器的使用寿命和利用效率[1－4]．因此采用计算机流体动力学 (CFD)软件对催化转化器的内部流场进行研究，进而改善催化转化器的转化效率、加快起燃特性、延长其使用寿命显得非常有必要．由于岐管式催化器内部气流的径向分布状态优于常规型催化器，因此本文对某一种歧管式催化转化器进行了流场分析，提出了改进方案．

1 流动数学模型

1.1 流动控制方程[2]

质量、动量恒方程为[5]:∂(ρuj)/∂xj=0;∂(ρujui－ τij)/∂xj= － ∂p/∂xij+si．其中:si为源项，这里表示催化器载体阻力;ρ为液体密度;ui、uj分别为i和j方向的速度分量;p为流体微压强;τij为应力张量，对牛顿流有:其中，μ为分子动力粘性系数;δij为Kroneker数;为雷诺应力张量;sij是流体变形速率张量，sij=(∂ui/∂xj+ ∂uj/∂xi)/2．

1.2 湍流模型[2]

∂/∂xj(ρμjκ － (μeff/σκ)∂κ/∂xj)= μtsij∂ui/∂xj－ ρε － 2(μt∂ui/∂xi+ ρκ)∂ui/∂xi/3;∂/∂xj(ρμjε －(μeff/σε)∂ε/∂xj)=cε1(ε/κ){μtsij∂ui/∂xj－ (2/3)(μt∂ui/∂xi+ ρκ)∂ui/∂xi}－ cε2ρε2/κ +cε4ρε∂ui/∂xi．其中:μeff=μ +μt;Cμ=0.09;σk=1.0;σε=1.22;Cε1=1.44;Cε2=1.92;Cε4= －0.33．

2 计算结果分析

2.1 物理模型

利用UG对催化器进行三维建模，然后将其导入Fluent的前处理软件Gambit进行计算区域网格化和边界条件的定义，最后利用Fluent进行求解．计算流体域采用多面体网格划分，整个模型分为三部分:进气歧管部分;催化剂载体部分;排气收缩管部分．催化剂载体部分采用多孔介质，用当量连续法进行模拟[6－8]，其他部分采用静态流体区域．原催化转化器的网格单元数为783 165个，改进后模型网格单元数为783 386个．图1为原歧管式催化转换器的三维模型图，图2为改进后的歧管式催化转换器的三维模型图．相对原模型，改进之处在于歧管与载体部分的夹角以及歧管与载体前端的相对位置．

图1 原歧管式催化转换器的三维模型图Fig.1 Three-dimensional model of the original manifold catalytic converter

图2 改进后歧管式催化转换器的三维模型图Fig.2 Three-dimensional model of the improved manifold catalytic converter

2.2 边界条件

1)进口:设各歧管入口为速度边界条件，入口处的湍动能设定为0.03 m/s，湍动能尺度设定为1.5 mm;2)出口:设定为压力出口条件，初始表压强设置为0;3)壁面:设定壁面处为速度不滑脱条件．

2.3 流场分析

图3为原歧管式催化转换器的中心截面的速度分布云图，图4为改进后歧管式催化转换器的中心截面的速度分布云图，可以看出，原模型中入口管1和催化器前端的扩张管接触位置出现了气流高速区域，并且载体前段区域产生了较强的涡流，呈螺旋式的运动轨迹，存在着较大的速度梯度，这会产生较大的压力损失，改进后的模型中涡流减弱了，气体流动的平顺性得到了改善，并且速度分布更加均匀．

图3 原歧管式催化转换器的中心截面的速度分布云图Fig.3 The speed contours of the center of the crosssection for the original manifold catalytic converter

图4 改进后歧管式催化转换器中心截面的速度分布云图Fig.4 The speed contours of the center section for the improved manifold-type catalytic converter

2.4 流动均匀性分析

流速分布是否均匀一般采用流动均匀性指数[8－9]来进行评价．流动均匀性指数在0到1之间变动，1代表气体是理想的均匀流动，0表示气体是单管道流动．表1为各歧管载体前端流动均匀性指数对比．可见，改进后的模型载体前端气流流动均匀性指数都有提高，说明催化转化器内的速度分布趋向均匀，这是由于改进后歧管与载体前端的相对位置分布更加均匀．图5a为1缸排气时原模型的载体前端速度分布图，图5b为改进模型的载体前端速度分布图，可以看出改进后模型有较大部分气流流速相近．改进后的歧管式催化转化器载体内气流分布均匀性有了极大的提高，这代表着提高了对载体催化剂的利用率，大大降低了因均匀性不理想而产生的温度梯度，这将会延长催化转换器的使用寿命．

表1 各歧管载体前端流动均匀性指数对比Tab.1 The contrast of flow uniformity index for each manifold carrier front-end

图5 1缸排气时两种结构的载体前端面速度分布云图Fig.5 The velocity contours of the front end face of the carrier with two structures when the first cylinder exhaust

2.5 压力分布

表2为原模型和改进后模型各歧管压力损失对比．可以看出，催化转化器对整个排气系统的压力损失不是非常大，只有400 Pa左右．改进后模型的压力损失均小于改进前的模型，改进后催化转化器对发动机动力性的影响较小．

表2 原模型和改进后模型各歧管压力损失对比Tab.2 The contrast of manifold pressure loss between original model and improved model

图6和图7分别为1缸排气时原模型的压力分布云图和改进后模型的压力分布云图，可见改进后压力损失比原模型要小一些．

图6 1缸排气时原模型的压力分布云图Fig.6 The pressure contours of the original model when the first cylinder exhaust

图7 1缸排气时改进后模型的压力分布云图Fig.7 The pressure contours of improved model when the first cylinder exhaust

3 结论

对某歧管式催化转化器的原模型和改进模型分别进行了流场分析和压力损失分析．改进后催化转化器的流场分布更加均匀，提高了歧管式催化转化器载体前端截面的气流分布均匀性指数和催化剂使用率，与此同时，改进方案还减少了歧管式催化转化器运行时的压力损失，在一定程度上提升了发动机燃油经济性和歧管式催化转化器的使用寿命．

[1]梁呈．汽油车催化转化器流场研究与结构优化设计 [D]．长沙:湖南大学，2003:12-18．

[2]帅石金，王建昕，庄人隽．CFD在车用催化转化器结构优化设计中的应用 [J]．汽车工程，2000，22(2):129-133．

[3]帅石金，王建昕，庄人隽．斜扩张管催化器流场三维数值模拟和结构优化设计 [J]．燃烧科学与技术，2001，7(3):298-301．

[4]刘军．汽车排气催化转化装置气流特性分析 [J]．车用发动机，2001，134(4):25-28．

[5]方瑞华，苏清祖．车用催化器载体蜂窝孔内气流分析 [J]．汽车工程，2001，23(2):124-126．

[6]陈明华，司传胜．基于CFD的车用催化转化器的结构优化设计 [J]．中国制造业信息化，2006，23(17):71-77．

[7]赵继业，陈觉先，朱国朝，等．利用CFD分析催化转化器不同设计因素的影响 [J]．小型内燃机与摩托车，2001，30(3):23-28．

[8]陈晓玲，张武高，黄震．催化器载体前端造型对其流动特性的影响[J]．上海交通大学学报:自然科学版，2007，41(4):537-540．