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歧管式催化转化器流场分析及结构优化研究

作　者: 孙鲁青
导　师: 安伟
学　校: 江南大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 歧管式催化转化器流动特性结构改进数值模拟
分类号: U464.13
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 112次
引　用: 2次
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内容摘要

目前,机动车三元催化转化是控制车辆排放污染的主流技术,催化转化器是车辆排气系统中的一项关键配套装置。随着排放法规的日趋严格,对其性能的要求越来越高,结构设计也更复杂,结构对于催化转化器性能的影响也越来越明显,传统的设计思想已无法满足要求。本课题的研究正是在这样的背景下,依托国内催化转化器生产的龙头企业—无锡威孚力达催化净化器有限责任公司,开展利用先进模拟技术分析催化转化器的内部流动特性,指导产品的结构设计。本文在充分分析目前国内外机动车排放控制现状及后处理技术的基础上,结合实际的产品研发,进行了以下几方面的研究工作:(1)研究了催化转化器的流动特性,对流体运动控制方程进行了合理的简化,建立了针对特定问题的数学模型及参数计算模型,为CFD软件应用的可靠性提供了理论支持。仿真结果表明:过程收敛性较好,结果精度较高。(2)通过常规三元催化转化器的稳态流场分析及0-20s的瞬态转化效果分析,找出了影响流动特性的主要因素;同时积累了适用于催化转化器的边界条件和参数设置,试验结果表明:本文建立的模拟分析方法具有很高的可靠性和普遍性。该分析方法在华晨2.0T发动机催化转化器的实例中得到应用,通过提出的三种结构改进方案,成功解决了由于结构不合理导致的国标12小时耐久试验中载体脱落的问题。(3)利用最新的1D-3D耦合技术对福田486歧管式催化转化器进行了流动仿真计算,分析了歧管式催化转化器对整个发动机进排气系统的影响。根据分析结果及设计要求对原模型进行了优化,并在发动机试验台架上进行了试验验证,试验结果表明:优化后的模型可大大改善气体的流动特性,提高催化转化效率、缩短起燃时间,同时还提高了发动机的性能。论文的研究成果在实际生产中得到了成功应用,为歧管式催化转化器的设计和改进提供了依据和方向,同时也可为其它同类产品的研发提供借鉴。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 论文研究的目的和意义  7-9
  1.2 催化转化器研究  9-14
    1.2.1 催化转化器的结构和位置  9-10
    1.2.2 三元催化剂结构及工作原理  10-11
    1.2.3 歧管式催化转化器  11-12
    1.2.4 催化转化器的研究现状  12-14
  1.3 论文的主要研究内容  14-15
第二章催化转化器模拟计算的数学模型  15-25
  2.1 计算流体动力学基础  15-19
    2.1.1 流体动力学控制方程  15-17
    2.1.2 传统CFD 数值方法简介  17
    2.1.3 时空守恒元与解元方法  17
    2.1.4 基于有限体积法控制方程的离散  17-18
    2.1.5 SIMPLE 算法  18-19
  2.2 湍流计算模型  19-21
  2.3 管道压力损失计算模型  21-22
  2.4 后处理化学反应模型  22-23
  2.5 其它计算模型  23-24
  2.6 本章小结  24-25
第三章常规催化转化器流场分析及试验验证  25-38
  3.1 AVL_FIRE 软件  25-26
  3.2 常规催化转化器三维模型的建立  26-29
    3.2.1 网格生成技术  26
    3.2.2 计算网格分类  26-27
    3.2.3 FIRE 网格生成模块  27
    3.2.4 常规催化转化器的网格划分  27-28
    3.2.5 边界条件的设置  28
    3.2.6 入口边界  28
    3.2.7 出口边界  28-29
    3.2.8 载体部分参数设置  29
    3.2.9 壁面边界  29
    3.2.10 后处理边界  29
  3.3 计算及结果分析  29-33
    3.3.1 气体流动性分析  29-30
    3.3.2 流动均匀性系数  30-31
    3.3.3 压力损失  31
    3.3.4 温度梯度  31-32
    3.3.5 废气转化分析  32-33
  3.4 气体稳态试验的验证  33-34
  3.5 模拟仿真的实际应用  34-37
    3.5.1 产品概况  34
    3.5.2 流场分析结果  34-35
    3.5.3 直径比对流场均匀性的影响  35-36
    3.5.4 扩张角对流场均匀性的影响  36
    3.5.5 出气口位置对流场均匀性的影响  36
    3.5.6 结构改进方案  36-37
  3.6 本章小结  37-38
第四章歧管式催化转化器1D-3D 耦合计算及结构改进  38-47
  4.1 歧管式催化转化器的一维和三维分析流程  38
  4.2 发动机进排气系统的一维BOOST 模型的建立  38-40
    4.2.1 AVL_BOOST 软件介绍  38-39
    4.2.2 一维BOOST 模型的参数设置  39-40
    4.2.3 模型的描述及试验验证  40
  4.3 原模型及优化后模型  40-41
  4.4 边界条件与初始条件  41-42
  4.5 瞬态计算结果及分析  42-46
    4.5.1 流场总体分析  42-43
    4.5.2 流动均匀性分析  43-44
    4.5.3 压力分布  44-45
    4.5.4 壁面温度分布  45-46
    4.5.5 歧管式催化转化器设计流程  46
  4.6 本章小结  46-47
第五章发动机台架评价试验  47-53
  5.1 试验评价台架的搭建  47
  5.2 废气转化效果试验  47-48
  5.3 排气背压试验  48-49
  5.4 三元催化转化器起燃特性试验  49-50
  5.5 发动机性能试验  50-52
  5.6 综合评价  52-53
第六章论文总结和展望  53-55
  6.1 总结  53-54
    6.1.1 论文完成的主要工作  53
    6.1.2 论文的创新点  53
    6.1.3 论文的不足之处  53-54
  6.2 展望与思考  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-60
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  60

歧管式催化转化器流场分析及结构优化研究

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