1、车用催化转化器优化设计及CFD技术的应用,主要内容,CFD技术简介 CFD在催化转化器结构设计中的应用 CFD在催化转化器冷启动模拟中的应用 结束语,CFD技术简介,目前，我国对汽车排气系统的开发仍然主要依赖于大量试验和经验设计。 随着计算机技术的进步和相关理论基础如计算流体力学(CFD)、有限元分析(FEA)、边界元法(BEM)等的迅速发展，汽车排气系统的设计研究与计算机辅助工程(CAD)的关系日益紧密，CAD技术及其应用水平已经成为衡量一个企业生产技术现代程度的重要标志。,CAE/CAD/CFD的关系,流动性能分析 结构分析 振动与噪声分析,流体力学问题的求解途径,CFD求解过程,CFD软
2、件介绍,CFD软件(包括FLUENT，STAR-CD，PHEONICS，CFX等)在汽车排气系统研究设计得到了较多应用。 FLUENT软件是应用最广的商用计算流体力学软件，GAMBIT是它的前处理器。,GAMBIT的开发界面,CFD在催化转化器结构设计 中的应用,催化转化器内流动控制方程,连续性方程,动量守恒方程,性能优良的催化转化器一方面应当使排气气流均匀通过催化剂载体从而有效降低汽车排气污染物浓度；另一方面应当产生较低的排气背压，对发动机的动力性和燃油的经济性负面影响较小。,标准K-紊流模型,湍动能K和湍能耗散率的输运控制方程,催化转化器内湍流模型,Example1:CFD软件能够比较准确
3、地提供催化转化器的气流分布、压力分布、湍流等信息。,催化转化器气流轨迹图,CFD在结构设计中的应用实例,催化转化器压力云图,催化转化器湍动能等值图,Example2: CFD软件能够优化催化转化器的结构设计，如催化转化器的壳体结构(包括扩张管、收缩管等)、载体尺寸、辅助结构的尺寸及安装位置。,环形薄片的外观结构及安装位置示意图,(a)安装环形片前,(b)安装环形片后,载体后端横截面轴向速度的矢量分布,流动均匀性对催化器转化效率的影响,安装环形片前后催化器转化效率 实验值的对比(空速40000h-1),CFD在催化转化器冷启动模拟 中的应用,我国即将实施相当于欧的汽油车排放标准，欧测试相对于我国
4、现行的测试增加了冷启动排气污染物的收集。因此，如何改善冷启动过程中催化转化器对排气的转化率，是需要解决的主要问题。 通过CFD软件可以模拟在发动机排气条件下，冷起动过程中催化转化器的载体温度场、气体浓度场的变化以及气体的转化率等性能，还可考察各种因素(如载体壁厚、气体浓度等)对催化转化器冷起动性能的影响。,催化转化器冷启动的初边条件,入口气体温度随时间的变化,化学反应模型,催化剂载体温度场随时间的变化,初始阶段，最高温度出现在载体前端。 随时间推移，最高温度出现在载体后端并逐渐向前端移动。 最高温度与最低温度之差先增加、后减小。最后，整个载体温度趋于一致。,(a) t=5s,(b) t=30s
5、,(c) t=35s,(d) t=40s,(e) t=60s,(f) t=90s,CO浓度场随时间的变化,开始时，化学反应集中在载体前段。 随时间推移，化学反应区域逐渐向载体后段扩展，然后又从后段向载体前段集中。,载体壁厚对催化器冷起动性能的影响,载体升温速度更快，出现高温区域的时间更早，整个载体温度趋于一致的速度也加快。 出口端面的径向上存在明显的浓度梯度，靠近中心区域CO的浓度远远高于边缘区域的浓度。 催化转化器早起燃约15s。,CO浓度场 (t=25s),CO转化率随时间的变化,气体浓度对催化器冷起动性能影响,CO浓度增大一倍时催化器的冷起动性能催化转化器起燃后，载体的温度变得更高。CO
6、浓度增大对它自身的氧化反应抑制作用更加明显，催化转化器的起燃速度变慢。,不同气体浓度对转化率的影响,结束语,计算机技术及CFD技术的迅猛发展改变了催化转化器设计中以经验为主的传统设计方法。 快速建立相关数据库可以使催化转化器的设计开发事半功倍。 催化转化器设计包括了多个学科知识的应用。对企业或研发机构而言，应当培养起一支高水平的设计开发队伍以形成自我开发的能力。,1. 帅石金. 2000. 车用催化转化器流场和温度场的数值模拟与结构优化设计: 博士后研究报告. 北京: 清华大学 2. 宋金瓯. 2003. 排气系统总成优化设计及CAE技术的应用. 摩托车振动噪声和排放控制技术交流会. 3. 陶明涛. 2004. 车用催化转化器转化和流动性能研究及优化设计: 博士学位论文. 北京: 北京理工大学 4. 冯长根，陶明涛，王丽琼，王务林. 2004. 一种改善车用催化转化器性能的设计方法. 小型内燃机与摩托车 5. 陶明涛，姜鹏明，吴帮玉，王进. 2005. 催化转化器非稳态温度场的数值模拟. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版),参考文献,
