汽车催化转化器流场仿真分析研究

摘要

本文研究的对象为发动机排气系统中用于降低汽车有害物质排放的重要装置——催化转化器。催化转化器内部气流的流动过程十分复杂，既存在湍流，传热等现象，又存在化学反应，内部流场的流动性不均匀，易产生涡流区域以及流动分离的现象，从而导致流动过程中流动压力损失过大以及部分区域催化剂得不到充分的利用，不仅不利于节能环保，而且在降低了催化效率的同时也缩短了催化剂的使用寿命。因流场流动不均而导致的载体径向温度梯度过大，还会在载体内部产生很大的热应力，使载体发生热变形甚至损坏。
　　基于上述问题，本课题针对催化转化器内部流场的流动特征进行了仿真分析，以减小催化转化器流场压力损失，改进催化载体内部流场流动均匀性为目标，从汽车催化转化器的内部流场压力损失与流动特性入手，采用Pro/E软件建立催化转化器的流场实体模型，利用fluent软件通过CFD数值仿真的方法，对催化转化器内部流场的流动特性进行仿真分析，讨论了空速、催化转化器入口小管、入口扩张管、催化载体位置、出口收缩管等参数对于催化转化器内部流场的压力损失以及流动均匀性的影响，并通过添加导流装置对其结构进行了优化改进。
　　经仿真验证可知，各参数的改变对于催化转化器内部流场的压力损失和流动均匀性均存在一定的影响，其中入口扩张管锥角的参数变化对于其内部流场的流动特性影响最大，在催化转化器入口扩张管处添加导流装置，可以有效地改善催化转化器内部流场的流动均匀性。
　　通过对催化转化器内部流场的仿真分析，得出了不同参数对于催化转化器内部流场流动特征的影响规律，为改善催化器的工作效率，延长催化器的工作寿命提供了参考依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文的研究目的和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的

1．1．3 研究意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究的内容及过程

第2章 催化转化器的结构及性能评价指标

2．1 催化转化器的结构

2．1．1 载体

2．1．2 催化剂

2．1．3 垫层

2．1．4 壳体

2．2 发动机排气系统的性能评价指标

2．2．1 转化效率

2．2．2 空燃比特性

2．2．3 起燃特征

2．2．4 空速特征

2．2．5 耐久性

2．2．6 流动特性

2．3 催化转化器压力损失的理论分析

2．3．1 载体压力损失分析

2．3．2 局部损失

2．3．3 沿程损失

2．4 催化转化器在体内的流动均匀性

2．6 本章总结

第3章 催化转化器模型建立及仿真

3．1 CFD技术简介

3．1．1 CFD技术

3．1．2 CFD数值方法

3．1．3 基于有限体积法控制方程的离散

3．2 催化转化器数值模型的建立

3．2．1 排气流速的计算

3．2．2 雷诺数与马赫数的计算

3．2．3 多孔载体压力损失模型

3．2．4 催化转化器内的流动模型

3．3 催化转化器原始模型的计算仿真

3．3．1 催化转化器的结构以及几何模型

3．3．2 流场实体模型的网格划分

3．3．3 Fluent计算仿真

3．4 本章总结

第4章 影响催化转化器性能的参数变化分析与结构优化

4．1 空速对转化器流场流动性能的影响分析

4．2 不同入口小管对于转化器流场流动性能的影响分析

4．3 不同扩张角度对于转化器流场流动性能的影响分析

4．4 不同入口大管长度对于转化器流场流动性能的影响分析

4．5 不同收缩角对于转化器流场流动性能的影响分析

4．6 催化转化器的结构优化

4．7 本章总结

第5章 总结与展望

致谢

参考文献