汽油機(jī)三元催化器內(nèi)流場(chǎng)與熱應(yīng)力分析

劉智鑫

（江蘇大學(xué) 汽車學(xué)院，江蘇，鎮(zhèn)江 212013）

目前，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入世界汽車產(chǎn)銷大國(guó)的行列。隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車在給人們帶來(lái)便利與舒適的同時(shí)也在破壞著環(huán)境，于是嚴(yán)格的排放法規(guī)隨之而來(lái)[1]。目前，三效凈化器是最有效的機(jī)外凈化手段之一。通過(guò)載體部分的廢氣流動(dòng)狀態(tài)如果不均勻，就會(huì)使凈化器中的載體得不到充分利用，不僅轉(zhuǎn)化效率下降，而且載體高溫區(qū)域老化加快，使用壽命縮短，凈化器的作用得不到最大化的利用。所以，對(duì)凈化器中氣流狀態(tài)的研究就變得十分重要[2]。

現(xiàn)階段對(duì)凈化器CFD的研究主要集中在凈化器內(nèi)部流場(chǎng)的二維和三維數(shù)值模擬，分析流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、速度分布及壓力損失，但較少考慮到高溫氣體對(duì)凈化器固態(tài)結(jié)構(gòu)的熱沖擊影響。凈化器受熱應(yīng)力后所產(chǎn)生的熱變形及熱應(yīng)力對(duì)其使用壽命有很大影響。本文對(duì)凈化器內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD分析，并應(yīng)用流固耦合數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)凈化器的固態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力及熱變形分析，為后續(xù)凈化器的設(shè)計(jì)制造及性能試驗(yàn)提供依據(jù)與參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 流動(dòng)方程

流體運(yùn)動(dòng)遵守的基本定律是質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律[1，3]。由它們可以分別得到連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程。

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

采用k-ε模型，k和ε分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率，其方程為

1.2 熱彈性模型

在熱彈性模型中，彈性體因?yàn)闇囟鹊淖兓涿恳晃⒃w要膨脹或收縮，產(chǎn)生熱應(yīng)變。熱彈性位移方程為

等效應(yīng)力方程為

1.3 流固耦合方程

流固耦合遵循最基本的守恒原則，所以在流固耦合交界面處，應(yīng)該滿足流體與固體的應(yīng)力、位移、熱流量、溫度等變量的相等或守恒，即滿足以下4個(gè)方程：

式中，下標(biāo)f表示流體，下標(biāo)s表示固體。

2 凈化器模型與前處理

2.1 網(wǎng)格劃分

凈化器模型分流體域和固體域兩部分。流體模型采用混合網(wǎng)格劃分[4]，排氣彎管核心采用六面體劃分，邊界層采用棱柱網(wǎng)格劃分層數(shù)為5層，并且在棱柱網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格之間采用金字塔網(wǎng)格進(jìn)行過(guò)渡，凈化器和排氣直管采用六面體劃分，并且固體模型同樣采用六面體網(wǎng)格劃分。采用六面體網(wǎng)格可以提高計(jì)算時(shí)的收斂速度和精度。圖1描述了凈化器三維網(wǎng)格劃分情況。流體網(wǎng)格共計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為266 791個(gè)，單元數(shù)為285 042個(gè)；固體網(wǎng)格共計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)為66 640個(gè)，單元數(shù)為74 592個(gè)。

2.2 計(jì)算條件的設(shè)定

本文以某款車用發(fā)動(dòng)機(jī)為原型，發(fā)動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，其尾氣流速v=66.5 m/s，溫度T=693 K，環(huán)境換熱系數(shù)ζ=12.5 W/m2K。使用以上邊界條件進(jìn)行CFD計(jì)算，然后將其計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行熱應(yīng)力分析，即將流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為計(jì)算熱應(yīng)力的初始條件，施加于凈化器殼體內(nèi)壁，之后，在凈化器殼體兩端面添加位移約束。

3 CFD分析

圖2描述了排氣系統(tǒng)速度矢量分布情況。由圖2可見(jiàn)，氣流在擴(kuò)張管壁面附近出現(xiàn)了強(qiáng)烈的漩渦，且擴(kuò)張管上壁附近的漩渦程度強(qiáng)于擴(kuò)張管下壁附近的漩渦，該漩渦使進(jìn)入載體的氣流均勻性變差（與文獻(xiàn)[5]一致）。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于：流入凈化器擴(kuò)張管的氣流出現(xiàn)了偏心，嚴(yán)重影響了氣流分布的均勻性。從流過(guò)內(nèi)壁面的氣流速度矢量可知，速度矢量分布規(guī)則整齊，可以很好地捕捉邊界層的信息，這是由于壁面存在很好的邊界層網(wǎng)格。

為了更加清晰地觀察內(nèi)部氣流分布情況，在載體前10 mm（a-a）、后10 mm（b-b）以及載體中心（c-c）分別徑向取點(diǎn)50個(gè)，得到凈化器內(nèi)部氣流徑向速度分布情況，如圖3所示。由圖3可知，a-a斷面處氣流分布極不均勻，最高流速分布偏離軸心且近壁流速較高（與文獻(xiàn)[6]一致）。出現(xiàn)近壁面處流速較高的原因在于：進(jìn)入凈化器的氣流在通過(guò)渦旋區(qū)時(shí)被擠壓，在來(lái)流與渦流相互的剪切作用下，渦流區(qū)將部分中心氣流直接分離，迫使其進(jìn)入邊緣通道。c-c斷面處氣流均勻性優(yōu)于b-b斷面處且呈現(xiàn)出較好的均勻性，原因在于氣流通過(guò)載體區(qū)時(shí)遇到較大的沿程阻力損失，使氣體流經(jīng)此處時(shí)，氣流的均勻性很大程度得以改善。因此，增加載體區(qū)域的長(zhǎng)度有利于提高氣流的均勻性，繼而提高尾氣在載體內(nèi)部的轉(zhuǎn)化效率。

圖4為排氣系統(tǒng)的壓力分布情況。由圖4可以看出壓力通過(guò)載體層層遞減，載體前端的高靜壓區(qū)分布呈“U”形，最高靜壓為3.95 kPa，高靜壓區(qū)的存在導(dǎo)致了載體前端疲勞損壞。

圖5描述了凈化器載體內(nèi)部氣相和固相溫度分布情況。由圖5可知，氣相與固相溫度分布極不均勻，高溫區(qū)呈心形分布，溫度由內(nèi)而外逐漸減小[7-8]。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因在于進(jìn)入凈化器的速度分布極不均勻（呈現(xiàn)出如圖2所示的速度分布情況），凈化器擴(kuò)張管上半部分存在多個(gè)較強(qiáng)烈的漩渦，致使熱量交換較為強(qiáng)烈，而下半部分直接受高溫氣體沖刷，熱損失較少。溫度過(guò)高區(qū)域中，催化劑容易劣化，引起轉(zhuǎn)化率下降，縮短使用壽命，同時(shí)，載體外圍區(qū)域的溫度又過(guò)低，使這部分催化劑得不到充分利用，造成總體轉(zhuǎn)化效率降低。因此，溫度分布不均勻不但會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力，造成載體變形和損壞，而且降低尾氣的轉(zhuǎn)化效率。

為了比較清晰地觀察載體區(qū)域內(nèi)氣相與固相的溫度分布情況，以截面b-b為例，得到凈化器載體區(qū)內(nèi)氣相與固相徑向溫度分布情況，如圖6所示。由圖6可知，受速度分布的影響，高溫區(qū)偏離中心，且邊緣溫度相對(duì)較低，溫度分布不均勻（與文獻(xiàn)[9]和[10]一致）。是由壁面的粘性阻力和熱損失所致。除此之外，氣相的溫度高于固相的溫度，因?yàn)闅庀嘞蚬滔鄠鳠釙r(shí)，屬于強(qiáng)迫對(duì)流傳熱。

4 熱應(yīng)力及熱變形分析

圖7描述了凈化器熱變形的分布情況。由圖7可知，載體入口直管處的變形最大可達(dá)0.499 mm，載體部分變形較小在0.229～0.304 mm之間，載體出口直管處的最大變形量可達(dá)0.449 mm，載體入口直管與載體出口直管最大熱應(yīng)力分別為732 MPa和728 MPa。在載體的直管段上，入口和出口處沿殼體徑向方向的溫度梯度較大，導(dǎo)致熱應(yīng)力的集中。

為了更加清晰地得到凈化器進(jìn)出氣端錐等效應(yīng)力與熱變形分布情況，取進(jìn)出氣端錐處的圓周周長(zhǎng)為研究對(duì)象，如圖8所示。由圖8可知，進(jìn)出氣端錐圓周處的熱應(yīng)力分布極不均勻，最大熱應(yīng)力與最小熱應(yīng)力呈現(xiàn)出較大差值。可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)和停車時(shí)，溫度變化更為劇烈，所造成的熱應(yīng)力和熱變形會(huì)更大，凈化器的進(jìn)出氣端錐更加容易遭到損壞。因此，改進(jìn)端錐結(jié)構(gòu)以及改善氣流分布的均勻性，增加熱疲勞壽命變得至關(guān)重要。

5 結(jié)論

（1）較好的邊界層網(wǎng)格可以很好地捕捉邊界層處信息，從而提高運(yùn)算精度，增加可信性。

（2）載體前端的均勻性決定了載體內(nèi)部的均勻性且排氣彎管的弧度直接影響進(jìn)入凈化器內(nèi)的氣流分布情況。增加擴(kuò)張管前排氣彎管的弧度以及直管的長(zhǎng)度，有利于改善進(jìn)入凈化器內(nèi)的氣流的均勻性。

（3）擴(kuò)張直管近壁面處流速較高，原因在于：進(jìn)入凈化器的氣流在通過(guò)渦旋區(qū)時(shí)被擠壓，在來(lái)流與渦流相互的剪切作用下，渦流區(qū)將部分中心氣流直接分離，迫使其進(jìn)入邊緣通道。

（4） 通過(guò)氣固兩相共軛傳熱可知，載體固體域直接受到高溫氣體的沖刷，但是載體外圍區(qū)域的溫度又過(guò)低，使這部分凈化劑得不到充分利用，造成總體轉(zhuǎn)化效率降低。

（5）在不考慮化學(xué)反應(yīng)的情況下，基于單向流固耦合數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)凈化器管殼所受的熱應(yīng)力較小，熱應(yīng)力較大區(qū)域主要集中于進(jìn)出氣端錐上，且端錐圓周處的熱應(yīng)力分布極不均勻。原因在于錐形凈化器進(jìn)出氣端錐溫度梯度較大。

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