多孔陶瓷催化劑載體的流動(dòng)特性

張任平，顏柳菁

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

多孔陶瓷催化劑載體的流動(dòng)特性

張任平，顏柳菁

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院 江西 景德鎮(zhèn) 333001)

建立了氣體在多孔陶瓷中流動(dòng)的三維模型，模型中考慮氣體在多孔陶瓷中流動(dòng)的粘性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)。數(shù)值模擬計(jì)算所需的粘性和慣性阻力系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)獲得。研究表明氣體在多孔陶瓷中流動(dòng)壓力線性下降，速度在入口處急劇下降，隨之下降較為緩慢，在不同截面處的分布趨勢基本相似。

多孔陶瓷；流動(dòng)；催化劑載體；尾氣凈化

0　引　言

多孔陶瓷是一種經(jīng)高溫?zé)?、體內(nèi)具有大量彼此相通并與材料表面也相貫通的孔道結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。根據(jù)成孔方法和孔隙結(jié)構(gòu)，多孔陶瓷可分為三類：(1)粒狀陶瓷； (2)泡沫陶瓷；(3)蜂窩陶瓷。泡沫陶瓷的氣孔率一般為80-90%，蜂窩陶瓷的氣孔率一般為70%左右，粒狀陶瓷結(jié)體的氣孔率一般為30-50%。多孔陶瓷在金屬熔體過濾凈化技術(shù)、精過濾技術(shù)、催化劑載體、敏感元件、隔膜材料和降低噪聲等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者對于多孔陶瓷的研究已經(jīng)做了大量的工作，如David等[1]準(zhǔn)靜態(tài)離散單元法(DEM)用來模擬部分燒結(jié)多孔陶瓷的彈性性能；夏建國等[2]綜述了多孔陶瓷應(yīng)用在汽車尾氣催化凈化器載體的研究進(jìn)展，著重介紹了近年來為提高凈化效率而新開發(fā)的多孔陶瓷載體材料；王一鳴等[3]提出了一種新型的多孔太陽墻采暖房, 其核心部分多孔太陽墻是由多孔陶瓷構(gòu)成， 在晴朗的冬季, 對多孔太陽墻采暖房的采暖性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究重點(diǎn)檢測了不同外界環(huán)境(主要是指太陽輻射照度和環(huán)境溫度) 下, 多孔太陽墻采暖房的采暖及儲(chǔ)熱性能；張志金等[4]以中間相瀝青添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的Si粉制備的炭泡沫預(yù)制體為坯體，在高溫感應(yīng)燒結(jié)爐中結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)工藝制備了SiC多孔陶瓷預(yù)制體。利用擠壓鑄造工藝制備了SiC多孔陶瓷增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。張志金等[5]以中間相瀝青添加55%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的Si粉混合物為原料，制備了含Si的炭泡沫模板；蔣兵等[6]綜述了多孔陶瓷孔徑及孔徑分布的常見測定方法，比較了各種測試方法的優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為電子顯微鏡圖像分析法是最直接有效的測定方法，并對多孔陶瓷的測試表征方法提出了展望。鮑遠(yuǎn)通等[7]實(shí)驗(yàn)研究多孔泡沫陶瓷的流動(dòng)阻力特性,測定了不同空氣溫度和流速下泡沫陶瓷的流動(dòng)阻力特性,獲得了泡沫陶瓷流動(dòng)阻力與氣流溫度、流速及孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。白鳳武等[8]建立了碳化硅泡沫陶瓷吸熱體在聚光輻射能流加熱條件下空氣與吸熱體骨架間的傳熱過程的數(shù)學(xué)物理模型，分析了吸熱體厚度、吸熱體孔徑大小對傳熱性能的影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)該類吸熱器提供了理論依據(jù)；李德波等[9]對甲烷氣體在泡沫陶瓷內(nèi)燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究；劉建建等[10]對采用新型SiC泡沫陶瓷填料的濕化器在加壓條件下的濕化性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了水氣比、進(jìn)口水溫、操作壓力以及進(jìn)口空氣溫度對濕化過程的影響；朱華清等[11]分析了泡沫陶瓷材料的吸聲性能缺陷及原因,研究有機(jī)修飾對泡沫陶瓷吸聲性能的影響。從以上的研究文獻(xiàn)可以看出，研究主要集中在多孔陶瓷的制備方法和物理性能，對于氣體在多孔陶瓷的流動(dòng)特性也只有實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道[7]，而有關(guān)氣體在多孔陶瓷的流動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究還非常缺乏。為此，本文以應(yīng)用于汽車尾氣處理的催化劑載體多孔陶瓷為研究對象，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的基本理論數(shù)值模擬了氮?dú)庠谘b有多孔陶瓷的汽車尾氣處理裝置中的流動(dòng)特性。

1　物理模型及網(wǎng)格劃分

以多孔陶瓷為催化劑載體的汽車尾氣處理裝置如圖1所示，由殼體、載體和催化劑三部分組成。在其中間部分裝有多孔陶瓷，在多孔陶瓷中附有催化劑， 因多孔陶瓷表面的催化劑對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣中的污染物CO、HC和NOx等有害氣體進(jìn)行氧化和還原，將其轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的CO2、 H2O和N2氣體排入環(huán)境中。多孔陶瓷區(qū)的長度為200 mm，寬度為70．7 mm，高度為101．2 mm。多孔陶瓷的氣孔率為38．6%，平均孔徑為45 μm，滲透率0．3679 μm2。計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2　理論模型

2.1控制方程

氮?dú)庠诙嗫滋沾闪鲃?dòng)受基本守恒定理的支配，過程滿足質(zhì)量、動(dòng)量守恒。計(jì)算湍流時(shí)采用k-εr湍流計(jì)算模型，相關(guān)的控制方程可以表示如下。

質(zhì)量守恒方程(又稱連續(xù)性方程)：

該方程是質(zhì)量守恒方程的一般形式，它適用于可壓流動(dòng)和不可壓流動(dòng)。Sm是自定義源項(xiàng)。

圖1　裝有多孔陶瓷的汽車尾氣處理裝置Fig.1 Automobile exhaust gas purifier with porous ceramic catalyst carrier

圖2　計(jì)算模型的網(wǎng)格示意圖Fig.2 The mesh diagram of the calculation model

在慣性(非加速)坐標(biāo)系中i方向上的動(dòng)量守恒方程為：

其中，p是靜壓，τij是應(yīng)力張量，ρgi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力。

多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程具有附加的動(dòng)量源項(xiàng)。源項(xiàng)由兩部分組成，一部分是粘性損失項(xiàng)(Darcy)；另一個(gè)是內(nèi)部損失項(xiàng)：

其中，Si是i向(x, y, 或z向)動(dòng)量源項(xiàng)，Dij和Cij是規(guī)定的矩陣，v 是速度大小。在多孔介質(zhì)單元中，動(dòng)量損失對于壓力梯度有貢獻(xiàn)，壓降和流體速度（或速度方陣）成比例。

對于簡單的均勻多孔介質(zhì)：

式中，α是滲透性系數(shù)，C2是慣性阻力系數(shù)，也就是將Dij和Cij矩陣均簡化為對角矩陣，他們對角上的元素分別為1/α和C2，其它元素都是0。

2.2慣性和粘性阻力系數(shù)的計(jì)算過程

(1)通過實(shí)驗(yàn)測定不同進(jìn)口速度時(shí)通過多孔介質(zhì)的壓力降；

(2)多孔介質(zhì)的厚度為△n，根據(jù)多孔介質(zhì)內(nèi)速度的壓降實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合得到通過多孔介質(zhì)的壓降和進(jìn)口速度的關(guān)系式；

(3)動(dòng)量方程的簡化形式就是將壓降與源項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)，因此可得：

(4)通過式(5)和擬合關(guān)系式進(jìn)行比較，可以計(jì)算得到粘性和慣性阻力系數(shù)。

2.3邊界條件和數(shù)值計(jì)算

裝有多孔陶瓷的汽車尾氣處理裝置進(jìn)口速度為22．6m/s，紊流強(qiáng)度為10%，水力直徑為28．284 mm。出口為壓力出口邊界條件，表壓為0，回流紊流強(qiáng)度為5%，水力直徑為33．137 mm。中間部分為多孔陶瓷區(qū)，粘性和慣性阻力系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算而得。為減小擴(kuò)散誤差, 采用二階迎風(fēng)格式離散控制方程?；诳刂迫莘e有限差分法和求解壓力耦合方程的半隱式(SIMPLE)算法求解控制方程式，當(dāng)相關(guān)變量殘差滿足要求，并且進(jìn)出口質(zhì)量守恒，即認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。

3　結(jié)果分析與討論

圖3給出了多孔陶瓷中不同截面的速度分布。如圖所示，當(dāng)氣體流過多孔陶瓷時(shí)，中心的速度較高，截面速度分布形成一個(gè)菱形的形狀，選取的三個(gè)截面的速度分布趨勢非常相似，可見氣體在多孔陶瓷中流動(dòng)時(shí)速度變化不是特別大。

圖4給出了多孔陶瓷中不同截面的壓力分布。如圖所示，壓力在整個(gè)長度方向變化特別明顯，氣體流過多孔陶瓷后，壓力明顯下降，在長度方向的不同位置處，壓力分布趨勢也相差非常大，在多孔陶瓷的進(jìn)口和中間部分，截面中間部分的壓力呈菱形分布，四周壓力較低；在多孔陶瓷的出口位置，截面的壓力呈條紋形分布。

圖3　多孔陶瓷中不同截面的速度分布Fig.3 The gas velocity distribution in different cross-sections in porous ceramic

圖4　多孔陶瓷中不同截面的壓力分布Fig.4　The gas flow pressure distribution in different cross-sections of porous ceramic

圖5 給出了汽車尾氣處理裝置截面y=35 mm位置速度矢量分布圖。如圖所示，進(jìn)口速度最大，當(dāng)氣體進(jìn)入到多孔陶瓷段時(shí)，速度分布比較平均，整個(gè)過程速度在緩慢減小。圖6給出了氣體流過過孔陶瓷時(shí)中心線的速度分布。如圖所示，當(dāng)氣體流過多孔陶瓷的起始段，速度急劇下降，隨之速度下降非常緩慢，直到氣體流出多孔陶瓷時(shí)，速度有些許回升。氣體流過多孔陶瓷時(shí)中心線的壓力變化如圖7所示，壓力變化呈線性分布，從入口到出口壓力線性下降。

圖5　截面y=35 mm速度矢量分布圖Fig.5 The velocity vector distribution at y=35mm in the cross-section

圖6　多孔陶瓷中心線速度軸向分布Fig.6 The axial distribution of centerline velocity for porous ceramic

圖7　多孔陶瓷中心線壓力軸向分布Fig.7 The axial distribution of centerline pressure for porous ceramic

4　結(jié)　論

本文以多孔陶瓷應(yīng)用于汽車尾氣處理的催化劑載體，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基本理論數(shù)值研究了氮?dú)庠谘b有多孔陶瓷的汽車尾氣處理裝置的流動(dòng)特性。研究表明：

(1)當(dāng)氣體流過多孔陶瓷時(shí)，中心的速度較高，截面速度分布形成一個(gè)菱形的形狀，選取的三個(gè)截面的速度分布趨勢非常相似；氣體流過多孔陶瓷的起始段，速度急劇下降，隨之速度下降非常緩慢，直到氣體流出多孔陶瓷時(shí)，速度有些許回升；

(2) 壓力在整個(gè)長度方向變化特別明顯，氣體流過多孔陶瓷后，壓力明顯下降，在長度方向的不同位置處，壓力分布趨勢也相差非常大，在多孔陶瓷的進(jìn)口和中間部分，截面中間部分的壓力呈菱形分布，四周壓力較低；在多孔陶瓷的出口位置，截面的壓力呈條紋形分布。

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Flow Characteristics of Porous Ceramic Catalyst Carrier

ZHANG RenpingYAN Liuqing
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333001, Jiangxi, China)

A three-dimensional model is developed for predicting the gas flow in porous ceramic, where the viscous and inertial losses are accounted for. Viscous and inertial resistance coefficients are calculated through the experimental data, and the resultant data are used for the model calculation. The study indicates that the gas flow pressure in porous ceramic decreases linearly, the gas velocity demonstrates a sharp decline at the entrance, then declines more slowly; the gas velocity distribution shows a similar trend in different cross-sections.

porous ceramics; flow; catalyst carrier; exhaust gas purification

date: 2015-03-15.Revised date: 2015-03-18.

TQ174.75

A

1006-2874(2015)03-0017-05

10.13958/j.cnki.ztcg.2015.03.004

2015-03-15。

2015-03-18。

通信聯(lián)系人：張任平，男，博士。

Correspondent author:ZHANG Renping, male, Doctor.

E-mail:rpzhang@126.com