基于Fluent的柴油機排氣系統(tǒng)的流場分析

胡樂樂，李桂銀

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

目前，隨著汽車尾氣排放等空氣污染問題的日趨嚴重，國家對于尾氣排放標準的要求越來越嚴格。我國在2013年7月1日起就柴油車全面實施國Ⅳ標準［1］?，F(xiàn)在降低有害氣體的排放，已經(jīng)不能僅僅依靠機內(nèi)措施，因此排氣后處理技術(shù)和機內(nèi)凈化措施相結(jié)合已經(jīng)成為未來解決柴油機排放問題的主要技術(shù)手段［2］。本文的研究對象為目前非常有應用前景的排氣后處理技術(shù)，即選擇性催化還原（SCR）技術(shù)的一款催化轉(zhuǎn)化器。SCR是實現(xiàn)柴油機超低氮氧化物排放最有效的后處理方法之一，目前世界范圍內(nèi)很多地區(qū)已經(jīng)開始在重型柴油車上應用SCR技術(shù)，它能有效地排除發(fā)動機尾氣中的氮氧化物，且催化劑對燃油中的硫不敏感，因此具備在中國大規(guī)模推廣的良好前景［3］。

1 催化轉(zhuǎn)化器的幾何模型

發(fā)動機排出的廢氣從進氣入口進入，通過催化劑后發(fā)生催化反應對尾氣進行凈化處理，將其中的有害氣體轉(zhuǎn)化為能達到環(huán)保要求的無害氣體，最后從排氣口排出。圖1為催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)，催化劑的前端安裝著排氣溫度傳感器，用于監(jiān)測尾氣的溫度，后端安裝著氮氧化物濃度傳感器，檢測凈化后尾氣中的氮氧化物含量，兩者將檢測到的信號傳送至ECU，從而確定尿素水溶液的噴射量，以達到最佳的尾氣凈化結(jié)果。由于催化劑載體的體積已經(jīng)確定，催化劑載體和錐管在結(jié)構(gòu)上還有35 mm的空間，同時不同的入口錐角對流場有一定的影響［4］。因此本文對催化轉(zhuǎn)化器入口管錐角α的大小進行研究，通過數(shù)值模擬分析其大小對流場流動均勻性產(chǎn)生的影響，并從3種方案（30°，40°，45°）中選出最優(yōu)的方案。

圖1 催化轉(zhuǎn)化器的結(jié)構(gòu)

利用Pro／E，針對不同的入口管錐角，建立不同的催化轉(zhuǎn)化器三維模型，并按錐角的大小將3種模型命名為30，40，45。3種催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)部流場模型比較相似，如圖2所示。

圖2 催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)部流場模型

2 計算模型及其邊界

2.1 網(wǎng)格模型

對3種模型分別進行網(wǎng)格劃分，采用四面體和六面體混合網(wǎng)格，并對邊界進行網(wǎng)格膨脹細化。每種情況網(wǎng)格約為70萬個。

2.2 求解設置及邊界條件

將網(wǎng)絡劃分后的模型導入Flueut進行求解，本文采用的是穩(wěn)態(tài)計算模式。求解方法為分離求解法，與耦合求解法相比，具有耗時少同時節(jié)省計算資源等優(yōu)點。在求解過程中，使用κ－ε求解，湍流模型為標準模型。采用壓力與速度耦合算法，二階迎風格式求解。

邊界條件如下：入口質(zhì)量流量為600 kg／h，入口溫度為673 K，氣體材料為理想氣體，湍流強度為10%，水力直徑為Φ60 mm；出口壓力為0.11 MPa，溫度為500 K，湍流強度為5%，水力直徑為Φ55 mm；壁面換熱系數(shù)為20 W／（m2·K），環(huán)境溫度為300 K；催化劑載體的慣性阻尼系數(shù)為18.4 m－1，黏性阻尼系數(shù)為7×107m－2。計算中，將催化劑載體等效為多孔介質(zhì)，由于載體通道內(nèi)的雷諾數(shù)大于1 000，因此載體內(nèi)部的氣體流動可作為層流處理［4］。

3 計算結(jié)果分析

3.1 評價準則

本文關(guān)注的是催化劑載體前端的速度分布和催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部的流場分布。

SAE（美國汽車工程師協(xié)會）曾經(jīng)提出一個統(tǒng)計值UI（速度分布均勻性系數(shù)），它可以直觀地反映催化劑載體前的速度分布均勻性［5］，其定義如下：

其中：n為載體前端面的網(wǎng)格單元數(shù)；ui為排氣時催化劑載體前端面第i個單元的流速為平均流速；Ai為載體前端面第i個單元的面積。UI越大說明催化劑載體利用的越合理，一般推薦UI值不低于0.85［6］。

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)計算，對應于不同的錐角，載體前的速度分布分別如圖3、圖4、圖5所示。載體前的速度分布均勻性系數(shù)UI見表1。由表1可以看出，UI值均大于0.85，但模型30的效果最好。因此，選擇30°的入口錐角，載體前速度分布均勻性系數(shù)最高，催化劑利用情況最好，同時催化劑的使用效率最高，汽車的排放性能也最好。

圖3 模型30催化劑載體前速度分布

圖4 模型40催化劑載體前速度分布

圖5 模型45催化劑載體前速度分布

表1 UI值

4 結(jié)論

本文對一款應用于柴油機上的催化轉(zhuǎn)化器的流場進行了分析，研究了不同的進氣錐角對催化劑利用率的影響。對于分析催化劑前的速度分布，利用數(shù)值模擬的方法比試驗的方法有很多優(yōu)勢，如用時短、易操作、成本低，而且能夠減少大量重復的試驗工作，使排氣管道的設計更科學合理。

［1］ 趙鵬.SCR技術(shù)在柴油發(fā)動機排放控制中的應用［J］.石油商技，2012，30（5）：12－14.

［2］ 帥石金.柴油機尿素SCR催化器優(yōu)化設計［J］.車用發(fā)動機，2007（1）：44－47.

［3］ 趙彥光.柴油機SCR系統(tǒng)尿素溶液噴霧特性的試驗研究［J］.內(nèi)燃機工程，2012，33（4）：22－27.

［4］ 黃鑫.汽車催化轉(zhuǎn)化器流場仿真分析研究［D］.沈陽：東北大學，2010：41－44.

［5］ 趙鳳啟，李守成，時巖.基于CFD數(shù)值模擬的氧傳感器位置研究［J］.機械，2013（1）：41－44.

［6］ 錢多德，姚煒.汽油機排氣歧管內(nèi)流場CFD模擬［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2010，119（5）：30－32.