碳罐内通气阻力的数值模拟

黄远清，王 斐

Huang Yuanqing，Wang Fei

（北京汽车研究所有限公司，北京 100079）

碳罐内通气阻力的数值模拟

黄远清，王 斐

Huang Yuanqing，Wang Fei

（北京汽车研究所有限公司，北京 100079）

将碳罐内的活性炭和无纺布定义为多孔介质，通过在三维流体软件（Fluent）里模拟仿真，得到多组仿真数据，然后将其与试验数据进行综合分析，验证了仿真的正确性，并验证了碳罐的通气阻力满足HJ/T390-2007标准。

多孔介质；碳罐；通气阻力

0 引 言

汽车的多种有害排放物是造成空气污染的重要污染源，随着人们环保意识的日益提高，各种针对汽车排放的法规相继出台，为了控制燃油蒸发污染物的产生，我国从1995年开始在汽油车上强制安装燃油蒸发控制系统。碳罐作为燃油蒸发控制系统中的关键部件，其性能好坏对整个系统起着关键作用。目前，国内对碳罐的设计和研究主要以试验和经验为主，但随着计算机技术的发展，多孔介质理论的成熟，利用计算机进行仿真已成为对碳罐设计和研究的重要工具。传统的试验方法费时费力，利用计算机仿真能够很好模拟碳罐内部的流场分布情况，从而降低设计开发的成本，缩短开发周期，提高设计和开发的效率。文中利用多孔介质理论和计算机技术对碳罐的压降进行深入的探索。

1 多孔介质

通常所说的多孔介质是指多孔固体骨架构成的空隙空间中充满单相或多相的复合介质，多孔介质具有一个共性高度发达的孔隙结构和特殊的表面特性，由于活性炭和无纺布的内部结构和表面特性也都符合多孔介质的基本特征，故在进行模拟仿真中将活性炭区域和无纺布区域定义为多孔介质结构[1，4]。

1.1 质量守恒方程和动量守恒方程

在多孔介质模型中，质量守恒方程[2]如式（1）

式中，ρg为气体密度；ε为孔隙率；为速度矢量；Sm为质量源项，表示在单位体积下的质量随时间的变化率，kg/（m3s）。

在Fluent中，多孔介质是在动量方程中附加了动量损失。多孔介质中的动量守恒方程[2]如式（2）

在Fluent中，对于多孔介质模型，多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项；另一部分是惯性损失项。

式中，Si为i向（x，y，z）的动量源项，|v|为速度的大小，D和C是规定的矩阵。对于简单的均匀多孔介质，D、C转化为简单的对角矩阵，源项简化为

1.2 尔格方程

对于高速流体通过多孔介质时，需要将达西定律进一步扩展，考虑流体过程中的粘性阻力和惯性阻力，得出尔格方程[2]，其中公式如式（5）

式中，μ为动力粘度；vs为表观速度；ε 为孔隙率；DP为粒子直径；L为流动方向的长度。对于低速流体通过多孔介质时，可以忽略惯性阻力的影响。

将式（4）、式（5）对照得到粘性阻力系数和惯性阻力系数，分别为

2 仿真的前处理

利用Pro/E对某新型汽车的碳罐的三维模型进行处理，其中忽略弹簧对流体的阻力影响，得到碳罐的三维流体计算域。将流体计算域分成空气、多孔介质活性炭和多孔介质无纺布3个区域，以便针对不同的区域进行网格划分和不同参数的设置。碳罐的流体计算域的结构如图1所示。

将划分好的三维流体计算域导入Hypermesh中进行网格划分和参数设置，其中网格结构主要采用非结构化的四面体网格，将计算域完全划分后，网格总数约为170万个。碳罐的流体域网格如图2所示。

将划分好的网格导入流体仿真软件Fluent进行仿真设置[3]。将活性炭区域和无纺布区域设置为多孔介质区域，根据HJ/T390-2007标准，将吸脱附口设置为速度入口，大气口设置为压力出口，不考虑通气过程中空气与活性炭、壳体和无纺布间的热交换，壁面设置为固壁条件和绝热，流体材料设置为标准大气压下的空气。基于压力求解器，选择标准K~ε湍流模型，算法采用Simple计算法。

根据HJ/T390-2007标准设置入口的空气速率为1.4 m/s，压力出口的压力为0 Pa。

该碳罐采用国外某公司生产的活性炭。该活性炭的材料属性如表1所示。

表1 活性炭材料属性

将活性炭参数分别代入式（6）、式（7）中得到

由于无纺布也符合多孔介质的基本特征，将无纺布同样设置为多孔介质，在仿真中对阻力系数和孔隙率采用经验值，其中粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为10 000和1 000，孔隙率为0.7[4]。

3 结果分析

3.1 仿真结果

图3、图4为经过吸脱附口和大气口的中心轴线的截面，图3为速度分布矢量云图，图4为压力分布云图。

从图3可以看出吸脱附口和大气口的速度较大，在无纺布和活性炭区域中速度较小，空气从吸脱附口进入后在平衡腔中迅速扩散进入无纺布和活性炭区域，在大气口时空气快速聚集从大气口流出。在吸脱附口的速度约为1.4m/s，在大气口处的速度约为1.3m/s，与计算的速度一致。

从图4可以看出压力分布呈下降趋势。在吸脱附口处压力最大，在大气口处压力最小，即为1个标准大气压。从图中可以得到吸脱附口和大气口的压差为83.7 Pa。

图5、图6为分别经过吸脱附口、大气口的中心轴线并与图3、图4中截面垂直的截面，两者均为压力分布云图，与图4压力分布云图具有一致性。

根据仿真结果可以看出，吸脱附口与大气口的压差为83.7 Pa，远小于标准中规定的980 Pa。

3.2 试验结果

根据HJ/T 390-2007标准中通气阻力的测试，选用6个此类型碳罐，将空气从吸脱附口流入，从大气口流出。当达到10 L/min稳定流量时，测量吸脱附口和大气口之间的压差，并记录数据如表2。

表2 6个不同碳罐的压差值

从测试的数据可以得到6个碳罐的通气阻力值均远小于标准中规定的值。由于仿真中忽略了一些内部阻力因素，如弹簧、内部传热、活性炭表观密度及摩擦损失等，导致仿真中的数据和试验数据有细小的差别。但是无论是试验测试还是软件仿真，所测得的吸脱附口和大气口的压差均满足HJ/T 390-2007标准的规定值。

在不同的流量下，分别进行试验测试与软件仿真，得到了两组数据，如图7所示。

随着流量的不断增大，吸脱附口和大气口之间的压差也随着增大。当流量较小时，试验数据和仿真数据的值相差较小；当流量较大时，试验数据和仿真数据的值相差较大。

从图7可以看到仿真数据曲线和试验数据的曲线很接近，表示仿真的结果和试验的结果较为接近。由于仿真中不能考虑活性炭颗粒之间的间隙、装炭量等其他因素，导致仿真数据比试验数据略大，但是足以说明仿真结果的可靠性和正确性。

4 结 论

通过将活性炭和无纺布处理为多孔介质，进行了通气阻力的仿真，并进行了6组试验，得到了试验数据。试验和仿真同时验证了碳罐的通气阻力满足HJ/T 390-2007标准，并将不同流量下的试验数据和仿真结果进行比较，验证了仿真的正确性，为碳罐结构的进一步优化和修改提供了较好的参考。

[1] 童亮.碳基储氢材料多孔结构中传输与吸附的模拟与优化[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[2] 吴金随.多孔介质里流动阻力分析[D]．武汉：华中科技大学，2007．

[3] 温正，石良辰，任毅如，等.FLUENT流体计算应用教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[4] BAI X，ISAAC K M，BANERJEE R，et a1.Multidimensional，Time—Accurate CFD Simulation of Adsorption／Desorption in a Carbon Canister[J]．SAE Paper 2003（NO．011003）．

U464.149.02

A

2013-05-13

1002-4581（2013）06-0032-04