雙排氣系統三效催化轉化器性能仿真分析

李光明，鄒汝紅，李煜，黃啟科

(1.邵陽學院機械與能源工程學院，湖南邵陽 422004；2.高效動力系統智能制造湖南省重點實驗室，湖南邵陽 422004)

0 引言

20世紀90年代，隨著有限元方法的出現，在排氣系統的CFD研究上， JEONG等[1]對自動催化劑的設計進行優化，從反應流體動力學和化學反應的同步觀點出發，利用催化劑的多維性能預測和湍流反應流模擬相結合的方式來評價該方法的優越性。帥石金等[2]通過簡化蜂窩載體模型完成了對催化轉化器流場的數值模擬；宋金甌等[3]根據催化轉化器在工作狀態下的瞬態特征提出了改進方案；黃震等人[4]通過研究多種催化轉化器的數值模擬結果，對其中的氣流流動機制和影響速度場分布的因素進行了歸納總結。

三效催化轉化器是汽油車上最常用的排氣系統催化凈化裝置之一，在這個裝置中，汽油車排氣中的三種主要污染物 CO、HC、NOx能同時被高效率地轉化。在轉化過程中，溫度場、壓力場和速度場對三效催化轉化器轉化污染物的性能有很大的影響。本文作者從流場仿真出發，基于CFD理論和排氣系統理論，利用ANSYS CFX軟件對雙排氣系統內部流場進行模擬分析，根據雙排氣系統溫度場和速度場的模擬結果，從而得到溫度場和速度場對三效催化轉化器性能的影響，具有較好的理論和實際意義。

1 雙排氣系統三效催化轉化器仿真模型

1.1 控制方程的建立

在雙排氣系統中三效催化轉化器的流場模擬中，主要用到能量方程、動量方程、質量守恒方程和k-ε湍流方程。

1.1.1 能量方程

(1)

1.1.2 質量守恒方程

(2)

1.1.3 動量方程

(3)

1.1.4k-ε湍流方程

(1)k方程

(4)

式中：k為湍動能；ε為湍動耗散率；ρm為氣相密度，其表達式為

ρm=αs+(1-αs)ρg

(5)

μt,m為湍流黏度，其表達式為

(6)

(2)ε方程

(7)

1.2 網格模型的建立

圖1為雙排氣系統三效催化轉化器網格模型，文中網格劃分一共劃分了44 180個節點和203 955個網格。

圖1 網格模型

1.3 仿真設置與流程

在Basic Setting下的Location處選擇b36，在流體材料設置處把流體設置為Air Ideal Gas(理想氣體)，在Heat Transfer(熱傳遞屬性)欄選擇Thermal Energy(熱能)。在Turbulence湍流模型處選擇K-Epsilon模型。將Mass And Momentum(流量和質量)設置為Mass Flow Rate(質量流量),將入口質量流量設置為0.072 kg/s，湍流強度為中等強度(5%)。將Heat Transfer設置為Static Temperature(靜態溫度),入口溫度等于750 ℃。將Mass And Momentum設置為Average Static Pressure(平均靜壓力),Relative Pressure(相對壓力)設置為一個標準大氣壓101.325 kPa。將傳熱系數設置為15 W/(m2·K)，外界溫度設置為25 ℃。

Solver Control求解控制界面，將最大迭代次數設置為1 500步，相應變量的收斂殘差設為0.000 001。

2 仿真分析結果與討論

雙排氣系統三效催化轉化器的溫度場分布情況如圖2所示。由圖2可知，排氣系統三效催化轉化器的溫度分布都沒有均勻分布，且溫度分布情況與各管氣流流量和管徑有關。

圖2 雙排氣系統三效催化轉化器溫度場分布

氣流經過排氣歧管時溫度從進口溫度1 023 K降低至938.3 K，但由于排氣前管集合了排氣歧管各支管的氣流，溫度較排氣歧管會有所升高；排氣中管的支管溫度較總管會有所降低。直徑較大的三效催化轉化器和消聲器的溫度都較低，三效催化轉化器與排氣中管的連接處和排氣中管與消聲器的連接處的溫度都有升高。從圖中還可以看出排氣前管的溫度最高，達到980.8 K，消聲器的溫度最低。從總體來看，溫度還是沿著排氣管逐漸降低。

雙排氣系統中三效催化轉化器的壓力場分布情況如圖3所示。從圖3中可以看出，壓力在排氣系統進口處最大，沿著排氣管逐漸下降，到達出口處時壓力達到最小。從圖中還能看出壓力損失主要集中在排氣歧管和排氣前管。排氣系統在圖中狀態下總壓降為7 500 Pa，氣流經過排氣歧管時最大壓力達到了105 500 Pa。經過排氣前管時出現了一個比較大的壓力損失，并且出現了明顯的分層現象，壓力分布非常不均勻，壓力損失達到了2 200 Pa。氣流經過三效催化轉化器時亦存在壓力分布不均勻的現象，其壓力損失為800 Pa。排氣中管和消聲器及其尾管部分的壓力分布均勻，壓力損失較小，其中消聲器進出口處的管道直徑變細是其產生壓降的原因之一，壓降為800 Pa。

圖3 雙排氣系統三效催化轉化器壓力場分布

排氣系統中三效催化轉化器的速度場分布情況通過速度流線圖(圖4)和速度矢量圖(圖5)表示。

圖4 雙排氣系統三效催化轉化器速度場流線

圖5 雙排氣系統三效催化轉化器速度場矢量

從流線圖中可以看出，氣流從排氣歧管進入到排氣前管后速度會升高，從排氣中管總管進入支管后速度會降低。在排氣系統中排氣前管內的速度是最大的，在管道彎角處達到了90.92 m/s,結合流線圖，排氣前管彎角處的速度方向并沒有沿著管道方向。氣流在三效催化轉化器和消聲器中，高速氣流與壁面發生碰撞以及氣流轉向流動等原因，產生了很多大小不等的渦流，而渦流是造成氣流產生能量損失的一個重要原因，這也就解釋了三效催化轉化器和消聲器的壓力損失會比較大的原因。兩消聲器的流線密度不同，說明排氣系統在排氣時并不會平均分配氣流。其余部位速度分布均勻，沒有出現紊流現象。

3 結束語

文中通過使用ANSYS CFX軟件對雙排氣系統進行了流場分析，得到了雙排氣系統中溫度，壓力和速度的分布情況。根據分析結果得到雙排氣系統的總壓力損失為7 500 Pa；排氣前管的壓力分布不均勻，壓力損失達到2 200 Pa且出現了排氣不暢的現象，把三效催化轉化器放到整個排氣系統中進行仿真研究，這對三效催化轉化器轉化性能的提升研究具有很重要的意義。