打开文本图片集

【摘要】 本文利用计算流体力学模拟软件CFX对三元催化器内部流场进行了模拟分析。对多孔介质孔隙率为0.7的催化器内部流场模拟分析发现，在载体入口处气流压力会突然剧减，容易产生应力疲劳损失；对几种不同孔隙率下的催化器流场模拟对比分析发现，孔隙率会对催化转化器流动特性产生影响，对同一类型的载体而言，会有一个最佳多孔介质率，当载体多孔介质率高于或低于此值时，催化器内部气体流动性都会变差。

【关键词】 CFD；流场特性；三元催化器；孔隙率

【Abstract】 The internal flow field characteristic of the catalytic converter was simulated in this study， by using CFX software of CFD （Computational Fluid Dynamics）. The calculation results of catalytic converter with porous media volume ratio of 0.7 show that the pressure will have a sudden and heavily reduction at the entrance of the carrier， which reflects to a prone loss of stress fatigue in this area. The analysis of catalytic converters with different porous media volume ratio shows that the porous medium rate affects the flow characteristics of the catalytic converter. There will be one of the best porous media rate for the carrier and when the carrier porous media is higher than or lower than this value， gas flow will deteriorate within the catalytic converter.

【Key words】 CFD， Flow characteristics， three-way catalytic， porosity

汽车尾气排放是大气污染的主要因素之一，三元催化转化器是汽油机尾气处理的主要技术，它可使汽油机排放的CO、HC和NOx大幅降低。随着排放法规的日趋严格，对三元催化器的设计和生产提出了更高的要求。催化器的结构参数以及催化器中气流的温度、压力、速度等因素会影响催化转化器的转换效率和使用寿命。催化转化器的流动阻力增大了发动机的排气背压，背压过大使排气过程的推出功增加，使残余废气量增大，发动机的充气效率降低，同时还会引起燃烧热效率下降，使发动机的经济性和动力性都受到影响。因此研究汽车用催化转化器的内部流场特性，分析影响催化器流动阻力因素，探索减少流动阻力的途径是非常有必要的。本文利用CFD软件中的CFX对三元催化器内部流场进行了仿真，同时对不同多孔介质孔隙率下的催化器内部流场特性做了对比分析。

一、催化器流动模型

（一）物理模型

模拟中假设工作流体为理想气体，设定入口处温度为500K，流速为25m/s；出口处的静压为1atm。选用多孔性域和应用流动阻力来模拟催化器中蜂巢结构的压力。蜂巢结构的多孔介质孔隙率分别取60%、70%、80%和90%，构成物质均为钢。蜂巢结构与流动方向成线性，以保证气流的方向。为了模拟流动阻抗，模拟中会设定一个650kg/m4的沿程二次阻力系数。为了减少横向流动量，模拟中会设定一个6500kg/m4的二次阻力系数。这些阻力系数是根据表面流速来确定，而不是根据实际流速。

入口边界处的静温是500K，在通过多孔介质区域固体材料时要建立热传递，气体和钢材在多孔区域的热传递是根据360m-1的界面面积密度和50W/（m2 ？K）的传热系数来设定的。热量向环境散失是通过催化器中间部分的壁面，热损失的速度是根据传热系数（20W/（m2 ？K））和出口处温度（40℃）来定的。

（二）网格创建

模拟中三元催化器网格分为三个部分：出口部分、入口部分和载体部分。出入口部分采用六面体网格，载体部分采用四面体网格。网格是在ICEM-Hexa中创建，网格单元是厘米单位，载体部分在X方向的宽度是21cm，在Z方向的长度是20cm。最终生成网格如图1。

二、催化器内部流场分析

（一）压力损失

图2给出的是催化器内部的压降分布，由图可以看出，由于扩压管与壁面流动阻力的作用，在进口管道中压力是降低的，而压力下降最大的地方是在载体入口处，进入载体后，气流压力层层均匀递减的，压力梯度变化不大。在出口由于收缩管的作用克服了壁面流动损失作用，所以压力没有降低，反而是略微的有所增加。由于压力梯度变化较大容易引起应力疲劳，所以应加强这种类型催化器载体入口材料强度，以延长催化器寿命。

（二）流动性分析

气体的流动均匀性直接影响到催化剂载体的利用率和寿命。流速分布不均匀不仅会使流阻增加，还会造成载体中心区域的空速和温度过高，使该区域的催化剂很容易劣化，缩短使用寿命；而载体外围区域的空速和温度过低，这部分催化剂得不到充分利用，造成总体转化效率降低。另外，流速分布不均匀还会导致沿载体径向存在过大的温度梯度，产生热应力分布不均匀，造成载体热变形和损坏。

催化器内气流流速分布图如图3。由图3a的速度云图可以看出，当气流由入口管进入扩压管后，由于气体的惯性力和扩压管壁对气体的导流作用相互作用，在催化器扩压管处气体并没有完全沿壁面流动，发生了气壁分离现象，在壁面处有些地方气流速度为零，此处也产生涡流扰动，所以扩压管附近速度分布很不均匀。当气流与载体接触时，由于载体的阻力作用，导致气流速度明显降低。而由于惯性作用，载体中中央部分速度高，流速分布从中央向周边逐步降低，催化器中气体流动大部分集中在载体中心区域孔道，中心区域的废气流量要高于边缘部分，废气的转化也主要集中在中心区域。因此，覆盖在中心孔道表面的贵金属催化剂就比边缘区域消耗得快。这需要通过改变催化器结构或改变载体的贵金属分布来消除这种不利影响。

由速度矢量图（图3b）可以看出气流在扩张管区域内有较强的扰动。气流扰动不仅会使速度降低，也会影响气流在载体内的速度分布，在矢量图中可以看到载体入口处有一部分流体由于受到扰动作用，速度方向并不是垂直向下的，而在速度分布云图中可以看出，对应的地方速度比周围气流速度要低，所以扩压管中的扰动要尽量避免。

（三）多孔介质孔隙率对流场的影响

为了研究多空介质孔隙率对催化转化器内部流场的影响，本文分别对不同多孔介质孔隙率下的催化转化器流场进行了模拟，其速度云图如图4所示。

对比四个图，明显可以看出多孔率从0.6增加到0.7时，有效流动区的面积明显增大，但是当多孔率继续增加到0.8和0.9时，有效流动区的面积没有增加，反而是越来越小了。而且扩压管气流扰动对载体入口处气流速度分布影响也不相同，对多孔率为0.6和0.9的催化器，扰动带来的影响较大，载体入口处有速度损失的区域面积较大，多孔率为0.8时速度损失区面积减小了一些，在多孔率为0.7时速度损失区面积最小。由此可以对本次仿真结果做出结论，多孔介质孔隙率为0.7的催化器的流动均匀性最好，载体入口的速度分布优于其他结构，载体的速度均匀程度较好。而多孔介质率大于或小于0.7，催化器扩张管壁面造成的涡流扰动都要增大。由此可以分析，载体有一个最佳多孔介质率，当载体多孔介质率高于或低于此值时，催化器内部气体流动性都会变差。

三、结论

利用CFX对三元催化器内部流场进行了模拟分析。结果显示，在载体入口处气流压力会突然剧减，容易产生应力疲劳损失；多孔介质率会对催化转化器流动特性产生影响，对同一类型的载体而言，会有一个最佳多孔介质率，当载体多孔介质率高于或低于此值时，催化器内部气体流动性都会变差。

参考文献

[1] 谢龙汉，赵新宇，张炯明等.ANSYS CFX流体分析及仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2] 王福军.计算流体力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] John D，Anderson JR 著，姚朝辉，周强编 译.计算流体力学入门[M].北京：清华大学出版社，2010.

[4] 李岳林.汽车排放与噪声控制[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5] 杨伦，姚源.基于Fluent软件的三元催化器结构优化[J] .汽车工程师，2010，11：43-46.