催化轉化器擴張管結構對氣流分布的影響

1、催化轉化器擴張管結構對氣流分布的影響馬無錫威孚力達催化凈化器公司摘要：本文采用 STAR CCM+對催化轉化器進行計算，分析不同擴張管結構的催化器內(nèi)氣流分布特性及分布情況，實現(xiàn)對催化轉化器結構的優(yōu)化設計。對擴張角度分別為 30°、60°及 90°的催化轉化器進行計算，發(fā)現(xiàn)擴張角度越大，均勻性系數(shù)越小，載體的利用率越低；擴張角越大，擴張管部分的壓損越大，催化轉化器的總壓損也越大。對 2 種長短不同的擴張管凈化器進行流體計算，發(fā)現(xiàn)增加擴張管的長度，有利于提高催化劑載體的均勻性，并可以降低催化凈化器的損失，有利于發(fā)動機的動力性能。對普通型和增強型擴張管的催化轉化器進行流

2、體計算，發(fā)現(xiàn)增強型擴張管催化器的均勻性更高，載體的利用率更高，壓損較小。：；擴張管；均勻性；壓損隨著我國汽車排放法規(guī)日趨嚴格，在汽車上安裝催化轉化器來降低發(fā)動機排氣有害物，已成為必然的選擇。常規(guī)結構的催化器，氣流往往集中在載體中心區(qū)域，而在載體邊緣地帶氣流量很小，造成氣流速度和溫度在中心區(qū)域很高，使催化劑在中心區(qū)域很快老化，而在邊緣地區(qū)又得不到充分利用，既減少了催化器的使用，又降低了它的轉化效率。由于溫度分布的不均勻，也會導致載體截面產(chǎn)生局部熱應力，容易使載體損壞。此外，因載體阻力和擴張管壁面氣流分離造成的損失，也影響發(fā)動機的動力性和性。本文研究通過催化轉化器擴張管的結構，以提高載體內(nèi)氣流速度

3、分布的均勻性，降低催化器的損失，從而減小對發(fā)動機動力性能的影響，催化轉化器的轉化效率，延長其使用。目前可以通過實驗的來研究催化轉化器內(nèi)氣體的速度分布特性，但是實驗會消耗大量的人力、物力，并且耗時長。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展和計算流體力學(CFD)的日益成熟，用 STAR CCM+對催化轉化器進行數(shù)值模擬日趨活躍。采用數(shù)值模擬的研究催化轉化器的流場速度分布、損失等問題，可以為催化轉化器的優(yōu)化設計提供指導，從而減少試驗工作量，縮短設計周期，模擬結果具有較強的指導意義。本文采用 STAR CCM+對催化轉化器進行計算，分析不同擴張管結構的催化器內(nèi)氣流分布特性及壓損分布情況，實現(xiàn)對催化轉化器結構的

4、優(yōu)化設計。1 模型幾何結構模型的幾何結構示意圖如圖 1 所示。載體為陶瓷蜂窩載體，為101.6mm×90mm ，載體目數(shù)為 600 孔/in2，壁4.3mil。圖 1 催化轉化器結構圖2 不同擴張角催化轉化器流場分析不同角度的擴張管會影響催化轉化器內(nèi)的氣流分布。本文擴張角度分別為 30°、60°及 90°的催化轉化器進行勻性及壓損的影響。2.1 模型及網(wǎng)格劃分計算，驗證擴張管角度對氣流均不同擴張角度的催化轉化器模型如圖 2 所示。（a）a=30°（b）a=60°（c）a=90°圖 2 不同擴張角度的催化轉化器模型不同擴張角度

5、的催化轉化器網(wǎng)格如圖 3 所示。（a）a=30°（b）a=60°（c）a=90°圖 3 不同擴張角度的催化轉化器網(wǎng)格2.2 計算結果均勻性系數(shù)2.2.1催化劑載體的均勻性越高，載體的利用率和轉化效率越高，能夠有效地降低污染物的排放。均勻性系數(shù)公式為： = 1 Ai|Vi V|2VA均勻性系數(shù)A載體截面積Ai單元 i 面積Vi單元 i 軸向速度V平均速度采用 STAR CCM+計算載體的均勻性，截取距離載體前端面 10mm處的載體截面作為觀察面，速度分布圖如圖 4 所示。（a）a=30°（b）a=60°（c）a=90°圖 4 不同擴張角

6、度的催化劑載體截面流速分布不同擴張角的催化轉化器的載體均勻性系數(shù)計算結果見表 1。表 1 不同擴張角的催化轉化器均勻性系數(shù)通過計算三種擴張角催化轉化器的載體度越大，均勻性系數(shù)越小。2.2.2 壓損分析均勻性系數(shù)，可發(fā)現(xiàn)，擴張角采用 STAR CCM+云圖如圖 5 所示。計算不同擴張角的催化轉化器的損失，分布（a）a=30°圖 5（b）a=60°不同擴張角度的催化轉化器（c）a=90°分布云圖擴張角度30°60°90°均勻性系數(shù)(-)0.9620.9510.947不同擴張角的催化轉化器的壓損計算結果見表 2。表 2 不同擴張角的催化轉化

7、器壓損由表 2 可見，擴張角越大，擴張管部分的壓損越大，催化轉化器的總壓損也越大。3 不同長度擴張管催化轉化器流場分析擴張管的長度不同會對催化轉化器內(nèi)的氣流造成一定的影響，本文針對 2 種長短不同的擴張管凈化器進行流體計算，驗證擴張管的長度對氣流分布均勻性及3.1 網(wǎng)格模型損失的影響。網(wǎng)格模型如圖 6 所示。（a）長擴張管（b）短擴張管圖 6 不同長度擴張管的催化凈化器3.2 計算結果3.2.1 流線分布圖擴張角度30°60°90°總壓損（kPa）19.53820.95421.744擴張管壓損（kPa）2.8143.7334.314對長短兩種擴張管凈化器進行流體計

8、算，得到流線分布如圖 7 所示。（a）長擴張管（b）短擴張管圖 7 不同長度擴張管的催化凈化器流線分布圖由速度流線圖分析得出，擴張管的長度越長，氣流在載體前的擴散效果越好，混合得更加充分。3.2.2 均勻性及壓損通過流體3 所示。計算，得到不同長度擴張管的催化凈化器的計算結果，如表表 3 不同長度擴張管的催化凈化器計算結果可見，增加擴張管的長度，有利于提高催化劑載體的均勻性，并可以降低催化凈化器的損失，有利于發(fā)動機的動力性能。4 普通型與增強型擴張管催化轉化器流場分析4.1 模型對比工況均勻性系數(shù)(-)壓損(kPa)長擴張管0.96219.538短擴張管0.95120.954增強型擴張管催化器

9、是依據(jù)氣體動力學原理提出的設計思想，其主要目的是減小擴張管的局部損失。本文對普通型和增強型擴張管的催化轉化器進行流體計算。普通型擴張管催化轉化器的擴張角為 30°，如圖 8a 所示。增強型擴張管的結構特點是：氣流首先流經(jīng)一個小角度（20°）的圓錐過渡管，在接近載體（距載體前端面 15 mm）擴至整個載體表面，如圖 8b 所示。除擴張管外，兩者的其它結構參數(shù)和計算條件相同。（a）普通型擴張管（b）增強型擴張管圖 8 普通型與增強型擴張管催化轉化器4.2 計算結果4.2.1 均勻性距離載體前端面 10mm 處的載體截面的速度分布如圖 9 所示。（a）普通型擴張管（b）增強型擴張

10、管圖 9 載體截面流速分布圖經(jīng)過計算得到普通型擴張管與增強型擴張管的均勻性系數(shù)分別為0.962、0.967，增強型擴張管催化器的均勻性更高，載體的利用率更高。損失4.2.2（a）普通型擴張管（b）增強型擴張管圖 10分布云圖算，兩種形式擴張管的催化轉化器的壓損如表 4 所示。表 4 兩種擴張管的催化轉化器壓損經(jīng)過計算得出，普通型擴張管與增強型擴張管相比，增強型擴張管催化器的壓損較小，動力性能較好。5 結論（1）本文擴張角度分別為 30°、60°及 90°的催化轉化器進行計算。發(fā)現(xiàn)擴張角度越大，均勻性系數(shù)越小，載體的利用率越低；擴張角越大，擴張管部分的壓損越大，催化

11、轉化器的總壓損也越大。（2）本文2 種長短不同的擴張管凈化器進行流體計算，驗證擴張管的長度對氣流分布均勻性及損失的影響。發(fā)現(xiàn)增加擴張管的長度，有利于提高催化劑載體的均勻性，并可以降低催化凈化器的損失，有利于類型普通型擴張管增強型擴張管總壓損（kPa）19.53818.778擴張管壓損（kPa）2.8141.921發(fā)動機的動力性能。（3）本文對普通型和增強型擴張管的催化轉化器進行流體計算。算發(fā)現(xiàn)，增強型擴張管催化器的均勻性更高，載體的利用率更高；增強型擴張管催化器的壓損較小，動力性能較好。參考文獻：. 車用催化器內(nèi)部的數(shù)值模擬與結構優(yōu)化D. 上海：上海交1通大學，2002.，. 車用催化轉化器內(nèi)氣體的均勻性J.清華2大學，2000，40（5）.,昕.CFD 在車用催化轉化器結構優(yōu)化設計中的應用J.汽車工3程，2000,22(2):129-133.,昕.斜擴張管催化器流場三維數(shù)值模擬和結構優(yōu)化設計J.燃4燒科學與技術,