论文范文汽油机三元催化器内流场与热应力分析

　　摘 要：为了探究汽油机三元催化转化器中流场以及热应力情况，对锥形扩张管净化器内部流场进行计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)计算，得到净化器内部尾气的速度、压力和温度分布。研究结果表明，高流速下，净化器内部流场均匀性差，扩张直管近壁面处流速较高;排气弯管的弧度直接影响进入净化器气流的均匀性以及气固两相共轭传热时，载体温度分布极不均匀。在不考虑化学反应的情况下，基于单向流固耦合数值模拟，发现净化器段管壳所受的热应力较小，热应力较大区域主要集中于进出气端锥上，且进出气端锥圆周处的应力分布很不均匀。

　　关键词：论文,净化器,计算流体动力学(CFD),流固耦合,热应力

　　Abstract：In order to study internal flow field and thermal stress for the three-way catalyst in gasoline engine， the internal flow distribution of the catalyst with a tapered expansion pipe and a flared expansion pipe is researched. CFD simulations are carried out to calculate the velocity profile， pressure field and temperature field. The results show that the internal flow field uniformity is poor for high flow rate and velocity on the wall surface of the expansion tube and the radian of the bent exhaust pipe has an important impact on flow uniformity. For a gas-solid conjugate heat transfer， the temperature distribution uniformity of the carriers is extremely poor. Based on the numerical simulation of fluid-structure interaction， as the chemical reaction is ignored， the thermal stress of the catalyst shell is lower， the thermal stress mainly focuses on the inlet and outlet cones， and the stress distribution of the circumference of the inlet and outlet cones is inhomogeneous.

　　Key words：catalyst; computational fluid dynamics; fluid structure interaction; thermal stress

　　目前，我国已经进入世界汽车产销大国的行列。随着汽车行业的高速发展，汽车在给人们带来便利与舒适的同时也在破坏着环境，于是严格的排放法规随之而来 [1]。目前，三效净化器是最有效的机外净化手段之一。通过载体部分的废气流动状态如果不均匀，就会使净化器中的载体得不到充分利用，不仅转化效率下降，而且载体高温区域老化加快，使用寿命缩短，净化器的作用得不到最大化的利用。所以，对净化器中气流状态的研究就变得十分重要[2]。

　　现阶段对净化器CFD的研究主要集中在净化器内部流场的二维和三维数值模拟，分析流场结构、速度分布及压力损失，但较少考虑到高温气体对净化器固态结构的热冲击影响。净化器受热应力后所产生的热变形及热应力对其使用寿命有很大影响。本文对净化器内部流动进行稳态CFD分析，并应用流固耦合数值模拟技术，对净化器的固态结构进行热应力及热变形分析，为后续净化器的设计制造及性能试验提供依据与参考。

　　1 数学模型

　　2 净化器模型与前处理

　　2.1 网格划分

　　净化器模型分流体域和固体域两部分。流体模型采用混合网格划分[4]，排气弯管核心采用六面体划分，边界层采用棱柱网格划分层数为5层，并且在棱柱网格与六面体网格之间采用金字塔网格进行过渡，净化器和排气直管采用六面体划分，并且固体模型同样采用六面体网格划分。采用六面体网格可以提高计算时的收敛速度和精度。图1描述了净化器三维网格划分情况。流体网格共计节点数为266 791个，单元数为285 042个;固体网格共计节点数为66 640个，单元数为74 592个。

　　2.2 计算条件的设定

　　本文以某款车用发动机为原型，发动机以转速n =3 000 r/min运转，其尾气流速v =66.5 m/s，温度 T =693 K，环境换热系数ζ =12.5 W/m2K。使用以上边界条件进行CFD计算，然后将其计算结果导入ANSYS进行热应力分析，即将流场的计算结果作为计算热应力的初始条件，施加于净化器壳体内壁，之后，在净化器壳体两端面添加位移约束。

　　3 CFD分析

　　图2描述了排气系统速度矢量分布情况。由图2可见，气流在扩张管壁面附近出现了强烈的漩涡，且扩张管上壁附近的漩涡程度强于扩张管下壁附近的漩涡，该漩涡使进入载体的气流均匀性变差(与文献[5]一致)。出现此现象的原因在于：流入净化器扩张管的气流出现了偏心，严重影响了气流分布的均匀性。从流过内壁面的气流速度矢量可知，速度矢量分布规则整齐，可以很好地捕捉边界层的信息，这是由于壁面存在很好的边界层网格。 　　为了更加清晰地观察内部气流分布情况，在载体前10 mm(a-a)、后10 mm(b-b)以及载体中心(c-c)分别径向取点50个，得到净化器内部气流径向速度分布情况，如图3所示。由图3可知，a-a断面处气流分布极不均匀，最高流速分布偏离轴心且近壁流速较高(与文献[6]一致)。出现近壁面处流速较高的原因在于：进入净化器的气流在通过涡旋区时被挤压，在来流与涡流相互的剪切作用下，涡流区将部分中心气流直接分离，迫使其进入边缘通道。c-c断面处气流均匀性优于b-b断面处且呈现出较好的均匀性，原因在于气流通过载体区时遇到较大的沿程阻力损失，使气体流经此处时，气流的均匀性很大程度得以改善。因此，增加载体区域的长度有利于提高气流的均匀性，继而提高尾气在载体内部的转化效率。

　　图4为排气系统的压力分布情况。由图4可以看出压力通过载体层层递减，载体前端的高静压区分布呈“U”形，最高静压为3.95 kPa，高静压区的存在导致了载体前端疲劳损坏。

　　图5描述了净化器载体内部气相和固相温度分布情况。由图5可知，气相与固相温度分布极不均匀，高温区呈心形分布，温度由内而外逐渐减小[7-8]。出现此现象的原因在于进入净化器的速度分布极不均匀(呈现出如图2所示的速度分布情况)，净化器扩张管上半部分存在多个较强烈的漩涡，致使热量交换较为强烈，而下半部分直接受高温气体冲刷，热损失较少。温度过高区域中，催化剂容易劣化，引起转化率下降，缩短使用寿命，同时，载体外围区域的温度又过低，使这部分催化剂得不到充分利用，造成总体转化效率降低。因此，温度分布不均匀不但会导致热应力，造成载体变形和损坏，而且降低尾气的转化效率。

　　为了比较清晰地观察载体区域内气相与固相的温度分布情况，以截面b-b为例，得到净化器载体区内气相与固相径向温度分布情况，如图6所示。由图6可知，受速度分布的影响，高温区偏离中心，且边缘温度相对较低，温度分布不均匀(与文献[9]和[10]一致)。是由壁面的粘性阻力和热损失所致。除此之外，气相的温度高于固相的温度，因为气相向固相传热时，属于强迫对流传热。

　　4 热应力及热变形分析

　　图7描述了净化器热变形的分布情况。由图7可知，载体入口直管处的变形最大可达0.499 mm，载体部分变形较小在0.229～0.304 mm之间，载体出口直管处的最大变形量可达0.449 mm，载体入口直管与载体出口直管最大热应力分别为732 MPa和728 MPa。在载体的直管段上，入口和出口处沿壳体径向方向的温度梯度较大，导致热应力的集中。

　　为了更加清晰地得到净化器进出气端锥等效应力与热变形分布情况，取进出气端锥处的圆周周长为研究对象，如图8所示。由图8可知，进出气端锥圆周处的热应力分布极不均匀，最大热应力与最小热应力呈现出较大差值。可见，发动机在冷启动和停车时，温度变化更为剧烈，所造成的热应力和热变形会更大，净化器的进出气端锥更加容易遭到损坏。因此，改进端锥结构以及改善气流分布的均匀性，增加热疲劳寿命变得至关重要。

　　5 结论

　　(1)较好的边界层网格可以很好地捕捉边界层处信息，从而提高运算精度，增加可信性。

　　(2)载体前端的均匀性决定了载体内部的均匀性且排气弯管的弧度直接影响进入净化器内的气流分布情况。增加扩张管前排气弯管的弧度以及直管的长度，有利于改善进入净化器内的气流的均匀性。

　　(3)扩张直管近壁面处流速较高，原因在于：进入净化器的气流在通过涡旋区时被挤压，在来流与涡流相互的剪切作用下，涡流区将部分中心气流直接分离，迫使其进入边缘通道。

　　(4) 通过气固两相共轭传热可知，载体固体域直接受到高温气体的冲刷，但是载体外围区域的温度又过低，使这部分净化剂得不到充分利用，造成总体转化效率降低。

　　(5)在不考虑化学反应的情况下，基于单向流固耦合数值模拟，发现净化器管壳所受的热应力较小，热应力较大区域主要集中于进出气端锥上，且端锥圆周处的热应力分布极不均匀。原因在于锥形净化器进出气端锥温度梯度较大。

　　参考文献(References)：

　　许建民，易际明，刘金武，等. 双载体净化转化器流场和压力损失分析[J].西华大学学报(自然科学版)，2010，29(4)：48-51.

　　Xu Jianming，Yi Jiming，Liu Jinwu，et al. Analysis of Flow and Pressure Loss for Dual Carrier Catalytic Converter [J]. Journal of Xihua University (Natural Science Edition)，2010，29(4)：48-51. (in Chinese)

　　帅石金，王建昕，庄人隽. 汽车催化转化器结构优化设计应注意的几个问题[J]. 汽车技术，2000(1)：15-18.

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　　ture optimization design[J]. Journal of automotive tech-nology，2000(1)：15-18. (in Chinese)

　　王一江，董尧清. 进气管内EGR分布的CFD模拟计算[J]. 小型内燃机与摩托车，2011 (1)：5-9.

　　Wang Yijiang，Dong Xiaoqing. CFD Simulation of EGR Distribution in the Intake Manifold [J]. Small internal combustion engine and motorcycle，2011(1)：5-9.(in Chinese) 　　黄键，林晓辉，严世榕. 基于FLUENT 的柴油机排气歧管内流场的数值模拟[J]. 福州大学学报(自然科学版)，2010，38(1)：80-85.

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