歧管式催化转换器的流场分析及结构改进

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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 J.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厨行研究，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-种歧管式催化转化器进行了流场分析，提出了改进方案。

[收稿日期]2012-05-25 [修回日期]2012-10-08[基金项目]辅侍育厅B类科技项目 (JBl1179)[作者简介]许建民 (1981-)，男，讲师，硕士，主要从事汽车CAE及关键零部件设计与制造方向研究。

第1期 许建民，等：歧管式催化转换器的流场分析及结构改进 ·35·1 流动数学模型1.1 流动控制方程 质量、动量恒方程为 ：a(p )/屿 o；a(puu -7iy)/aS -op/ax s .其中：sf为源项，这里表示催化器载体阻力；p为液体密度； 、zf 分别为 和 方向的速度分量；p为流体微压强；7"ij为应力张量，对牛顿流有：丁 (s -Ou 岛/30x )- zf ，其中， 为分子动力粘性系数； 为Kroneker数；P fzf 为雷诺应力张量；sij是流体变形速率张量，s (Ou/a au/ax )/2。

1.2 湍流模型流动控制方程为：P Utiu ，- 。 2(IX Ou /ax pk)a /3，其中： 为湍流粘性系数，IX c K /8，，c、 分别为湍动能和湍能耗散率.它们的控制方程为：O/8Xj(pixjK-( / )OK/O%)tx Ou/a巧 -ps-2(ix；ou /ox pK)au。/Oxi/3；a/axj(pixjs-(Ixo- )as/aS)c (e/K) ts a /a -(2/3)( 8ui/OxipK)aui/Oxi-c，2Pe /Kc.eOui/Oxf。

其中： ；c 0.09； 1.0； 。1.22；Cq1.44；C 21.92；C -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 j，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 theoriginal 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 theimproved manifold catalytic converter2.2 边界条件1)进口：设各歧管入口为速度边界条件，人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。

第 1期 许建民，等：歧管式催化转换器的流场分析及结构改进 ·37·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 mode图6和图7分别为l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-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 originalmodel when the first cylinder exhaust- con ∞ ofStatic PⅫ 目I ∞c圈 7 1缸排气时改进后模型的压力分布云图Fig.7 The pressure contours of improvedmodel when the first cylinder exhaust3 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-定程度上提升了发动机燃油经济陛和歧管式催化转化器的使用寿命。