蒙勝1，鄧寧2，陳璟 3，吳國(guó)勇4,5,6

1　柳州海特迪楨瑟汽車(chē)部件有限公司　技術(shù)生產(chǎn)部，廣西　柳州　545006；

2　柳州城市職業(yè)學(xué)院　機(jī)電與汽車(chē)工程系，廣西　柳州　545036；

3　柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣西　柳州　545005；

4　廣西科技師范學(xué)院食品與生化工程學(xué)院，廣西　來(lái)賓　546100；

5　柳州市豪杰特化工機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣西　柳州　545005；

6　柳州蓓蒂芬科技有限公司技術(shù)中心，廣西　柳州　545000

摘要：雙動(dòng)力汽車(chē)，是一種高效低耗的汽車(chē)，配有兩套發(fā)動(dòng)機(jī)--電動(dòng)引擎與汽油引擎。從發(fā)動(dòng)機(jī)釋放出來(lái)的氣體通常含有劇毒，在排向大氣前需要凈化處理，需要三元催化器來(lái)降低排放氣體毒性。應(yīng)用SolidWorks軟件的Flow Simulation插件對(duì)一款典型的汽車(chē)排氣管三元催化器進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析，設(shè)計(jì)了2個(gè)CFD項(xiàng)目：（1）催化體為各向同性的多孔介質(zhì)；（2）催化體為單向的多孔介質(zhì)。通過(guò)CFD模擬仿真，獲得了在相同邊界條件下，兩種CFD項(xiàng)目不同的速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)；預(yù)測(cè)了兩種催化體的背壓、直觀地觀察到催化體內(nèi)流體的分布，間接反映出兩種催化體對(duì)汽車(chē)尾氣的凈化效率，以便于在實(shí)際中，對(duì)不同排放要求的車(chē)型，選擇合適的催化體。

前言

雙動(dòng)力汽車(chē)，是一種高效低耗的汽車(chē)，配有兩套發(fā)動(dòng)機(jī)——電動(dòng)引擎與汽油引擎。同時(shí)，這種汽車(chē)還采用一種特殊系統(tǒng)來(lái)捕捉剎車(chē)時(shí)產(chǎn)生的能量并將其存貯到車(chē)載電池中。從發(fā)動(dòng)機(jī)釋放出來(lái)的氣體通常含有劇毒，在排向大氣前需要凈化處理，三元催化轉(zhuǎn)化器（Three-Way Catalytic Converter，TCC，簡(jiǎn)稱(chēng)三元催化器或催化器）就是用來(lái)降低排放氣體毒性的一個(gè)設(shè)備。三元催化器內(nèi)包覆一枚或多枚催化劑載體，其材質(zhì)為陶瓷材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為多孔介質(zhì)，表面積十分龐大，因涂覆了一層高效活性催化劑（注：文中“催化體”指涂覆有高效活性催化劑的載體，文中“催化器”指三元催化器），可與汽車(chē)尾氣之間發(fā)生最大可能的氧化還原反應(yīng)，達(dá)到凈化尾氣的目的，但同時(shí)也限制氣體的流動(dòng)，增大了背壓。常用的催化體有兩種結(jié)構(gòu)：一種是各向同性，一種是單向。本文采用專(zhuān)業(yè)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析軟件SolidWorks Flow Simulation對(duì)氣流經(jīng)過(guò)一典型三元催化器過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)復(fù)雜的催化體結(jié)構(gòu)，應(yīng)用“多孔介質(zhì)”功能。本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)CFD項(xiàng)目（詳見(jiàn)表1），定義了“各向同性”及“單向”兩種的催化體，在相同邊界條件下，獲得了不同的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)；預(yù)測(cè)了兩種催化體的背壓、直觀地觀察到催化體內(nèi)流體的分布，間接反映出兩種催化體對(duì)汽車(chē)尾氣的凈化效率，以便于在實(shí)際中，對(duì)不同排放要求的車(chē)型，選擇合適的催化體[1-6,8]。

1　數(shù)值模擬前提及模型簡(jiǎn)化

1.1　數(shù)值模擬前提

本數(shù)值模擬基于封閉狀態(tài)下的CFD湍流模型，分析對(duì)象是基于完好無(wú)損條件下催化器內(nèi)的空氣流體，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，設(shè)置選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程模式計(jì)算，并對(duì)計(jì)算對(duì)象作如下假設(shè)：（1）固體區(qū)與流體區(qū)物性參數(shù)均設(shè)為常數(shù)；（2）流動(dòng)為定常流動(dòng)中的湍流；（3）忽略管內(nèi)壁的摩擦阻力；（4）忽略流體溫度的影響[5]。

1.2　簡(jiǎn)化模型創(chuàng)建

催化器的真實(shí)模型含有進(jìn)氣管、前后端錐、催化體、隔熱襯墊、催化劑外殼、氧傳感器、波紋管、中間管等部件，相對(duì)復(fù)雜，因CFD的分析對(duì)象為流體，需對(duì)原始模型進(jìn)行簡(jiǎn)化及封閉處理，處理前后模型如圖1所示。

2　前處理

2.1　多孔介質(zhì)及邊界條件設(shè)置

表1　CFD分析方案

Tab.1　CFD analysis scheme

多孔性是指總的流體體積與整個(gè)多孔介質(zhì)的體積之間的比率，可在多孔介質(zhì)的通道中調(diào)控流動(dòng)速度。多孔性為0.5，表示多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)50%都是流體。因汽車(chē)中常用各向同性及單向兩種結(jié)構(gòu)，則建立兩個(gè)項(xiàng)目：1. 滲透類(lèi)型為各向同性，多孔性設(shè)為0.5（催化體在各個(gè)方向上多孔性皆為0.5）；2. 滲透類(lèi)型為單向（類(lèi)似蜂窩煤的結(jié)構(gòu)，但孔隙極密），多孔性設(shè)為0.5（介質(zhì)僅在軸向多孔性為0.5）。此外，其他邊界條件及參數(shù)均設(shè)為：以SGMW四缸1.5L排量的汽車(chē)為例，進(jìn)氣溫度880℃，進(jìn)氣290kg/h（即0.0806kg/s），邊界層為湍流，出口方式選擇壓力出口[1-4]。

2.2　網(wǎng)格劃分及求解

因結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，取消“自動(dòng)設(shè)置”選項(xiàng)，將“細(xì)小固體特征細(xì)化級(jí)別”設(shè)為3級(jí)，“細(xì)化流體網(wǎng)格”設(shè)為2級(jí)，啟用狹長(zhǎng)通道細(xì)化，其中網(wǎng)格數(shù)目為6，細(xì)化級(jí)別為4級(jí)。因結(jié)構(gòu)相同，在相同的設(shè)置下，兩個(gè)項(xiàng)目劃分的網(wǎng)格數(shù)相同，用SolidWorks Flow Simulation畫(huà)出的均是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為95萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，詳見(jiàn)表2，使用高配置流體分析工作站（8核處理器+16G內(nèi)存、固態(tài)硬盤(pán)及專(zhuān)業(yè)顯卡）計(jì)算，CPU時(shí)間均達(dá)5200s左右。

3　結(jié)果分析

3.1　氣流速度場(chǎng)分析

3.1.1 催化器內(nèi)的速度場(chǎng)分布

圖2是兩個(gè)項(xiàng)目催化器內(nèi)部流體速度場(chǎng)分布云圖，從圖中可知，項(xiàng)目1和項(xiàng)目2的氣流速度在整體上趨勢(shì)相近，無(wú)太大區(qū)別。經(jīng)分析，最大速度區(qū)域皆位于氧傳感器周?chē)@與實(shí)際情況非常吻合，因傳氧感器只有當(dāng)氣流速度達(dá)到150m/s以上才能進(jìn)行探測(cè)工作。為方便分析背壓及速度，用A1代表催化器入口面，A2代表催化器出口面，S0代表催化體前端面，S4代表催化體后端面面，如圖2(a)所示。

3.1.2 催化體速度場(chǎng)分布

圖3是兩個(gè)項(xiàng)目催化體軸截面速度場(chǎng)帶矢量的云圖，圖4是對(duì)兩個(gè)項(xiàng)目制作多個(gè)徑向截面速度切片，所取切片位置示于圖3(a)中，與S0分別相距10mm（S1）、20mm（S2）、30mm（S3），以便觀察氣體在催化體內(nèi)部的流動(dòng)特性。

由圖3(a)可知：氣流從入口進(jìn)入，與催化體前端面相遇，因各向同性催化體在各個(gè)方向上多孔性皆為0.5，則絕大部分氣流集中從催化體前端中部進(jìn)入，隨后從中部向催化體各方向擴(kuò)散。圖4(a)(i)-(iii)也證實(shí)了這一流動(dòng)特性。

由圖3(b)可知：氣流從入口進(jìn)入，與催化體前端面相遇，因單向催化體只在軸向上多孔性為0.5（可想象成“蜂窩煤”狀），氣流僅能沿軸向方向流動(dòng)，因此僅有一部分氣流能直接流入催化體，其他部分氣流在催化體前端向邊緣擴(kuò)散，從周邊進(jìn)入催化體，在催化體內(nèi)單向流動(dòng)。圖4(b)(i)-(iii)正好證實(shí)了這點(diǎn)。

對(duì)比圖4(a)(i)-(iii)及圖4(b)(i)-(iii)，顏色的深度（紅色最大、藍(lán)色最小）代表流速，可觀察到：（1）方案1-各向同性催化體：S1面上，高速氣流幾乎全部集中在催化體中部；S2面上，催化體中部速度有所下降，并向圓周擴(kuò)散；S3面上，氣流分布至催化體的各個(gè)部分，已非常均勻，可認(rèn)為氣流在該截面內(nèi)已擴(kuò)散得比較完全；（2）方案2-單向催化體：S1、S2、S3三個(gè)面無(wú)太大區(qū)別，氣流在各截面均勻分布。需要注意的是，各向同性和單向的催化體各有優(yōu)勢(shì)：各向同性催化體的多孔介質(zhì)，允許流體向各個(gè)方面擴(kuò)散，因此流動(dòng)相對(duì)自由，這樣可讓催化劑有更多的時(shí)間與尾氣接觸，提高凈化效率，但因進(jìn)氣時(shí)高速氣流集中在催化體的中部，對(duì)催化劑有強(qiáng)大的沖擊，易產(chǎn)生催化體入口端中部磨損；單向催化體：氣流進(jìn)入催化體前被強(qiáng)制分流各個(gè)位置再進(jìn)入催化體，催化體內(nèi)是如蜂窩煤狀的獨(dú)立流道，因此催化體內(nèi)的氣體可一直保持均勻流動(dòng)，這類(lèi)催化體的磨損也相對(duì)均勻。兩種催化體的流動(dòng)性在3.2流線軌跡及表4均勻性指數(shù)中得到進(jìn)一步證實(shí)[9-10]。

3.2 流線軌跡

圖5是用“流動(dòng)軌跡”的方式直觀地顯示內(nèi)部流體速度場(chǎng)分布，從圖中顏色可看出流體的速度，而箭頭表示出流體的運(yùn)動(dòng)軌跡，Flow Simulation還可以做出動(dòng)畫(huà)，能更直觀模擬出流體從進(jìn)到出的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。項(xiàng)目1和項(xiàng)目2氣體流動(dòng)區(qū)別，詳見(jiàn)圖5中紅圈位置所示：（1）項(xiàng)目1：氣流首先直接從催化體端面的中部進(jìn)入，然后再在催化體內(nèi)向周邊擴(kuò)散，但總體仍是沿軸向（紅箭頭方向）流動(dòng)；（2）項(xiàng)目2：氣體在流進(jìn)入催化體前被強(qiáng)制分流各個(gè)位置再進(jìn)入催化體內(nèi)的獨(dú)立流道，已進(jìn)入催化體的氣體可一直保持均勻流動(dòng)，這與實(shí)際情況非常吻合的。氣流從兩種催化體流出后的狀態(tài)幾乎一致，沒(méi)有太大差別。

3.3　背壓、速度及均勻性分析

表3　各表面靜壓

Tab.3　Pressures

對(duì)催化器入口（A1）、催化體前端面（S0）、催化體后端面（S4）、出口（A2）四個(gè)表面的靜壓平均值提取、列表，可計(jì)算出相應(yīng)的理論背壓值，由表3可見(jiàn)，兩種催化體的背壓僅相差-8.96Pa，兩種催化器的總背壓相差695.53Pa。進(jìn)一步細(xì)化，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目1和項(xiàng)目2在A1面上相差695.53Pa，項(xiàng)目1和項(xiàng)目2在S0面上相差-78.86 Pa，A1-S0相當(dāng)于是入口至催化體前端面的背壓，這個(gè)值相差774.39 Pa。解釋如下：1.兩種催化體的背壓相差僅-8.96Pa，可認(rèn)為沒(méi)有太大區(qū)別；2.催化體之前的背壓相差774.39 Pa，是由氣體進(jìn)入催化體受阻而產(chǎn)生的，氣體進(jìn)入各向同性的催化體受到阻力比單向催化體的大，雖然氣體在進(jìn)入項(xiàng)目1（單向催化體）前被強(qiáng)制分流，但一旦進(jìn)入，在單向催化體內(nèi)流動(dòng)就會(huì)很順暢。因此，分析與實(shí)際情況相符[7]。

表4　氣流軸向速度及總速度

Tab.4　Axial and total velocity

對(duì)催化器入口（A1）、催化體前端面（S0）、催化體后端面（S4）、出口（A2）四個(gè)表面的軸向速度及總速度平均值提取，列于表4中，可觀察到兩種催化體的軸向速度幾乎無(wú)相差別，但總速度可明顯觀察到在S0面上各向同性的總速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單向的總速度，可解釋為在各向同性的催化體前端面內(nèi)的一小段區(qū)間內(nèi)，氣體不光是向軸向流動(dòng)，還向周邊流動(dòng)，因此總速度值大，分析與實(shí)際情況相符。

表5　氣流均勻性指數(shù)

Tab.5　Flow uniformity index

對(duì)催化器入口（A1）、催化體前端面（S0）、催化體后端面（S4）、出口（A2）四個(gè)表面的氣流均勻性提取，列于表5中，可觀察到A1面因?yàn)槭侨肟冢虼司鶆蛐越赃_(dá)到0.9997，對(duì)項(xiàng)目1而言：S0面上，各向同性的催化體因高速氣流集中在中部，所以均勻性很差，僅為0.4825，越往后部，氣流擴(kuò)散得越均勻，因此S4均勻性提高至0.8778；對(duì)項(xiàng)目2而言：所有面上的均勻性都達(dá)到0.9以上，這與圖4(a)(i)的結(jié)果一致，與實(shí)際情況非常符合[1-10]。

4　結(jié)論

（1）一般認(rèn)為，氣體流入催化體越均勻，達(dá)到的凈化效果越佳，從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看，單向催化體內(nèi)氣流的均勻性較佳。

（2）對(duì)催化器的應(yīng)用而言，各向同性和單向的催化體各有優(yōu)勢(shì)：各向同性催化體的多孔介質(zhì)，允許流體擴(kuò)散更好自由，從而導(dǎo)致流動(dòng)速度更低，這樣可讓催化劑有更多的時(shí)間與尾氣接觸，提高凈化效率。

（3）從使用壽命而言，各向同性催化體前端中部長(zhǎng)期受到高速氣流的沖擊，易于磨損，而單向催化體強(qiáng)制速度分布均勻，從而使催化體的磨損也更均勻。

（4）使用CFD技術(shù)，運(yùn)用SolidWorks Flow Simulation模擬氣流進(jìn)入催化器后流體場(chǎng)，預(yù)測(cè)了兩種催化體的背壓、速度和均勻性，間接反映出兩種催化體對(duì)汽車(chē)尾氣的凈化效率，以便于在實(shí)際中，對(duì)不同排放要求的車(chē)型，選擇合適的催化體。

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[基金項(xiàng)目]本文獲2016年廣西科技計(jì)劃（合同編號(hào)：桂科AC16380013，氧化石墨烯的清潔制備工藝研究及在汽車(chē)塑料應(yīng)用性能評(píng)價(jià)）、2015年廣西高校科研項(xiàng)目（KY2015YB399，物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)融合和安全問(wèn)題關(guān)鍵技術(shù)研究）的資助。

[作者簡(jiǎn)介] 蒙勝(1986—)，男，壯族，廣西柳州，機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)，助理工程師，主要從事汽車(chē)消排系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等研究。

[通訊作者] 陳璟（1984—），女，漢族，廣西柳州人，材料加工工程專(zhuān)業(yè)碩士，講師，主要從事流體分析CFD、模具優(yōu)化設(shè)計(jì)等研究，1936307477@qq.com。