一款ORVR活性碳罐的設計與CFD數值模擬分析

翟豪瑞，葛曉宏，陳長秀，熊 新，提 艷

（1.鹽城工學院 汽車工程學院，鹽城 224051；2.廈門理工學院 機械與汽車工程學院，廈門 361024；3.廈門信源環保科技有限公司，廈門 361021）

0 引言

近幾年國內對汽車碳罐的內流場分析做出了很多的研究。劉鑫[1]用Fluent軟件，結合多孔介質模型，模擬了某汽車碳罐內部流場的流動特性。黃遠清[2]用Fluent流體軟件模擬了碳罐內部的通氣阻力。李岳林[3]結合試驗數據進行理論計算得出碳罐大氣口徑理論上的極限尺寸。陳家慶[4]用Fluent軟件模擬了機動車加油過程中氣液兩相流動特性的CFD數值。

1 ORVR活性碳罐結構設計

本產品為某款汽車新開發的ORVR活性碳罐，碳罐主要由以下部分組成：集液器、OBD檢測口、腔室隔板、擴散腔、支撐彈簧、無紡布、吸附口、脫附口和大氣通口等，如圖1所示。

圖1 ORVR活性碳罐的結構

2 Fluent多孔介質模型原理

本文采用定向損失模型對ORVR活性碳罐模擬。根據厄根公式[7,8]可以確定Fluent多孔介質中兩個重要 參數：

其中Dp為當量直徑，1/α為粘性阻力系數，ε為滲透率，C2為慣性阻力系數。

設定碳粉區域為多孔介質區域，其他區域為空氣域，不考慮通氣過程中空氣與活性碳、殼體和無紡布之間的熱交換。該碳罐采用的是BAX-1500碳粉，碳粉參數屬性如表1所示。

表1 BAX-1500碳粉材料屬性

根據表1碳粉材料的屬性，取孔隙率ε=0.35。將平均直徑DP=2.3mm帶入式(1)和式(2)，得出碳粉的粘性阻力系數1/α=2.79×108，阻力損失系數C=23070。

3 CFD仿真分析

3.1 模型前處理

流體域如圖2所示，分為空氣域和多孔介質碳粉域兩個區域。將吸附口、脫附口和大氣通口分別用T端、P端、A端命名，以方便后續仿真分析參數的設置。

圖2 流體域模型

3.2 參數設置

網格劃分完成后，統計數據得出網格總數為517萬多。在Fluent中進行仿真設置。分析得出T端和P端的表面積分別為：

其中v為速度；Q為流量；S為入口面積。

由式(3)可以分別得出不同流量下吸附入口和脫附出口的速度大小。其他具體參數設置如表2所示。

表2 不同區域仿真參數的設定

以Navier-Stokes方程作為流動控制方程。求解器類型選擇隱式、基于壓力求解器，算法采用SIMPLE計算法，各種流動方程均采用一階迎風格式離散。為確保收斂，殘差設置為0.0001，步數設置為1000步[9]。

3.3 吸附分析結果

從圖3(a)可以看出，燃油蒸汽均勻充滿整個碳粉區域，有利于碳粉對燃油蒸汽的充分吸收，提高碳粉利用率。從圖3(b)可以發現，吸附完成后碳罐內部最大的壓降差，即通氣阻抗值為765.9Pa，滿足小于1kPa的法規要求[5]，且內部壓降隨著燃油蒸汽路線呈層層遞減 關系。

圖3 吸附分析結果

從圖4中觀察導氣管處流線，燃油蒸汽通過導氣管均勻的、迅速的擴散到碳粉區域。再觀察腔室隔板處很明顯發現燃油蒸汽有一個繞流作用，腔室隔板阻斷燃油蒸汽直接排到大氣，而是增加它的路徑，增大（L/D）長徑比[6]，讓碳粉區域充分的吸收，增加碳粉的利用率。

圖4 導氣孔和腔室隔板處流線圖

3.4 脫附分析結果

觀察圖5中流線圖，可以發現燃油蒸汽的擴散方向很清晰，整個區域的流動非常順暢，碳罐內部燃油蒸汽脫附的干凈程度可以從流線圖的均勻程度看出，觀察發現流線圖均勻填滿整個碳粉區域，符合設計要求。

圖5 碳罐內部三維流線圖

從圖6(a)可以看出，碳粉區域吸附的燃油蒸汽在P端進行脫附，脫附速度大小為3.33m/s，與設定值大小一致。并且觀察油氣速度矢量可以看出脫附得非常干凈，這樣有利于下一次油氣的吸附。從圖6(b)可以看出，脫附壓降差最大值為680.2Pa，P端壓降最大，A端壓降最小，滿足小于1kPa要求，并且壓降分布均勻。

圖6 吸附分析結果

4 試驗驗證

為了驗證仿真的可靠性，模擬11組不同流量下碳罐內部的通氣阻抗值，且進行通氣阻抗實驗對比。通氣阻抗試驗平臺如圖7所示。

圖7 通氣阻抗試驗測試

將仿真數據與實驗驗證數據對比做成曲線圖，如圖8所示。

圖8 仿真和實驗數據對比

5 結論

由于計算仿真的時候沒有考慮無紡布產生的通氣阻抗，以及忽略了活性碳顆粒之間的間隙、裝碳量等其他因素，實驗數據比仿真數據偏大。隨著流量的不斷增大，吸脫附口和大氣口之間的壓差也隨著增大。試驗數據與仿真數據誤差控制在5%以內，驗證了仿真的可 靠性。

參考文獻：

[1]劉鑫.車輛燃油蒸發控制技術及碳罐內流場數值模擬研究[D].武漢:武漢理工大學,2011.

[2]黃遠清,王斐.碳罐內通氣阻力的數值模擬[J].北京汽車,2013，(06):32-35.

[3]李岳林,何興,吳剛,等.車輛活性碳罐三維數值模擬研究[J].汽車工程學報,2012,(6):421-430.

[4]陳家慶,張南,王金惠,等.機動車加油過程中氣液兩相流動特性的CFD數值模擬[J].環境科學,2011,32(12):3710-3716.

[5]HJ /T 390-2007.環境保護產品技術要求汽車燃油蒸發污染物控制系統(裝置)[S].

[6]許廣偉.燃油蒸發控制系統對車輛的影響及故障分析[J].赤子,2014(9):252-252.

[7]Nagarajan G,Kumar S M E,Chowdhury D G R.CFD analysis of air fiters for an off-highway vehicle[J]. SAE Paper,NO.2007-26-048.

[8]Cesareo de La Rosa Siqueira，Martin Poulsen Kessler，Fabio Moreira，et al. Three-dimensional numerical analysis of flow inside an automotive air filter[J]. SAE Paper,NO.2006-01-2629.

[9]鄭力銘.ANSYS Fluent 15.0流體計算從入門到精通[M].北京:電子工業出版社,2015.