多形状多结构参数三效催化转化器数值模拟及应用研究

摘要

三效催化转化器的转化效率受发动机闭环控制系统中空燃比波动的影响。通常，空燃比波动能加宽选择窗口，且空燃比波动幅值越大，选择窗口越宽。20世纪70年代末认为空燃比波动可以拓宽选择窗口，但会牺牲最高转化效率；到20世纪80年代中后期，发现通过催化剂配方的改进可以将动态条件下的最高转化效率维持较高水平。因此，对三效催化转化器的数值模拟中应加入储放氧模型。另外，圆柱形载体的性能优势已经得到了认可，但是，有时受底盘空间限制，为了便于安装，也采用椭圆柱形或跑道形这样的非圆柱形载体。 本文首先以计算流体力学知识为基础，建立了三效催化转化器的三维流动数学模型，并运用计算流体力学软件FLUENT来求解模型。在模型计算中，对三个不同入口扩张角的催化转化器进行了模拟，得到了三效催化转化器内沿径向的速度分布图。模拟结果与实验值对比，两者吻合良好，为将该模型用于三效催化转化器多维流动的模拟及流动与反应耦合研究打下基础。 在充分了解储放氧助催化剂的微观结构和特点的基础上，建立了储放氧反应模型，并对空燃比单阶阶跃和空燃比漂移条件下的三效催化转化器进行了数值模拟。所得瞬态CO出口浓度随时间的变化趋势与实验值基本吻合，较稳态和准稳态模型，能更好地反映催化剂上的工作过程。 在建立催化转化器传热传质以及化学反应模型的基础上，利用FLUENT软件，对三效催化转化器进行了数值模拟计算，并对以椭圆形为代表的非圆柱形载体催化转化器，分析了椭圆率、载体长度与载体截面积耦合、载体孔密度与孔壁厚耦合对三效催化转化器性能的影响，为三效催化转化器的结构设计提供一定的依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外催化器研究概述

1.2.1催化器研制的发展

1.2.2催化器数值模拟研究的发展

1.3课题来源及论文研究内容

第2章催化转化器流动模型与数值模拟

2.1计算流体力学简介

2.2三效催化转化器三维流动数学模型的建立

2.3三效催化转化器内的流动模拟

2.3.1试验装置和条件

2.3.2几何模型

2.3.3模型求解

2.3.4计算结果及对比

2.4小结

第3章催化转化器化学动力学模型与数值模拟

3.1催化转化器传热传质模型

3.1.1准稳态传热传质模型

3.1.2非稳态传热传质模型

3.2催化转化器催化反应机理模型

3.2.1催化转化器内的化学反应

3.2.2化学反应模型

3.3僵化转化器储放氧模型

3.3.1催化转化器内的储放氧现象

3.3.2储放氧模型

3.4化学动力学模型的数值计算

3.4.1 FLUENT的求解过程

3.4.2模型验证

3.4.3计算结果及分析

3.5小结

第4章非圆柱形催化转化器结构影响因素分析

4.1载体几何参数的影响

4.1.1载体截面椭圆率的影响

4.1.2载体长度与截面参数的综合影响

4.2载体孔道的影响

4.3小结

第5章三效催化转化器数值模拟和优化设计的应用

5.1研究成果的应用

5.2产品性能测试

结论

参考文献

附录

致谢