消声器触媒前端喇叭口流场数值模拟

谭礼斌，袁越锦，赵 哲

(陕西科技大学 机电工程学院，西安 710021)

触媒，也称为三元催化净化器，常安置于整车消声器内，用以催化发动机排气中的一氧化碳、 碳氢化合物以及氮氧化合物氧化还原成二氧化碳、 水以及氮气等无害产物，可以大幅减少尾气中的污染[1]。触媒具有净化有害气体的功能，是整车排气后处理中比较重要的装置，其工作运行的好坏直接影响产品的排放性能[2-3]。触媒的结构尺寸选型及焊接工艺对整车排放性能有直接的影响，且触媒受到高温废气高速冲击容易产生烧蚀现象，影响其正常使用寿命。随着计算机技术的迅速发展，基于虚拟仿真实验平台的产品设计与性能分析已逐渐成为工程机械行业的发展趋势[4]。高树灵等[5]采用温度场和应力场间接耦合的计算方法研究了三元催化器焊接过程温度场及残余应力分布情况；韩建军等[6]采用Fluent对某新型三元催化器结构的流阻特性进行了研究，表明气流均匀性越好，压降越低的结构性设计有利于延长三元催化器的使用寿命。基于CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)技术的数值模拟方法对触媒内部流场进行数值模拟分析，可快速获得相应的速度及压力等流场细节信息，为产品性能的评估提供理论支撑。目前常用的CFD分析求解软件有ANSYS CFD(Fluent & CFX)，STAR-CCM+，Comsol Multiphysics，FloEFD等。其中，STAR-CCM+集成几何前处理、网格划分、计算求解及后处理等功能于一体，是具有较高集成度的流体分析软件，已经在整车、发动机、旋转机械等领域得到了非常广泛的应用[7-8]。

本文以某消声器触媒结构为研究对象，基于计算流体动力学方法，采用CFD仿真分析软件STAR-CCM+11.06对消声器触媒前端喇叭口流场进行数值模拟研究，对比分析两种规格触媒(直径45，52 mm)中喇叭口长度、喇叭口形状对速度及压降的影响，获取喇叭口不同长度尺寸及形状下速度及压降分布规律，并对两种规格触媒结构前端喇叭口长度及形状提出选型建议。该研究结果可为触媒前端喇叭口尺寸参数的选择提供仿真数据支撑及理论指导。

1 物理模型

对两种触媒规格(45 mm-120 mm/300 mm, 52 mm-150 mm/300 mm)的流场进行数值模拟计算。具体尺寸为：45 mm规格触媒的进口段长150 mm，直径25 mm，过渡段长(喇叭口长度)为20 mm，与进口段相连的直径为35 mm，与触媒段相连的直径为45 mm；触媒段直径43 mm，长120 mm，出口段直径41 mm，长180 mm； 52 mm规格触媒的进口段长150 mm，直径25 mm，过渡段长(喇叭口长度)为20 mm，与进口段相连的直径为35 mm，与触媒段相连的直径为52 mm；触媒段直径50 mm，长150 mm，出口段与触媒段相连处直径52 mm，出口段直径52 mm，出口段喇叭口长度20 mm，直扩散段长度130 mm。 两种触媒规格的三维模型及网格模型如图1所示，采用相同网格参数进行网格划分，具体设置为基本尺寸1 mm，最小尺寸0.3 mm，边界层6层，边界层增长比1.3，边界层厚度0.6 mm，网格数量约为100万。图2为截面局部网格放大(进口段到过渡段间中截面放大)，网格是采用STAR-CCM+流体分析软件中的多面体网格技术和边界层网格技术划分获得，通过软件中网格质量检查功能(Mesh diagnostics)获得网格质量各评估指标都达到90%以上，网格质量较好。该计算域模型与整车及系统模型计算相比，比较简单，经网格无关性验证该网格具有较好的计算精度。触媒前端不同喇叭口形状如图3所示。

图1 触媒物理模型

图2 截面局部网格放大

图3 触媒前端喇叭口形状

2 数学模型

选用STAR-CCM+11.06中Realizablek-ε湍流模型进行消声器触媒内部流场数值模拟研究。模拟不考虑温度，数值求解过程仅需要求解流体连续性方程和动量方程。STAR-CCM+模拟分析就是求解相应的控制方程，计算完成即可获得相应的流场模拟信息。相应的数学模型方程及湍流模型方程如下：

1) 连续方程[9]：

(1)

式中：ui为平均速度分量，m/s；xi为坐标分量，m。

2) 动量方程(N-S方程)[9]：

(2)

式中：ui，uj为平均速度分量，m/s；xi，xj为坐标分量，m；p为流体微元体上的压力，Pa；μeff为湍流有效黏性系数，Pa·s。

3)k-ε湍流模型方程[9]：

(3)

式中：Gk为速度梯度产生的湍动能项；Gb为浮力产生的湍动能项；YM为脉动扩张项；C1ε，C2ε，C3ε为经验常数；σk,σε分别为与湍动能k和耗散率相对应的Prandtl数；Sk和Sε为用户自定义的源项。

3 模型求解

将触媒段处理为多孔介质区域。根据实验测试结果计算得到触媒的阻力特性(惯性阻尼系数和黏性阻尼系数)，进口边界设置为质量流量入口，其大小由GT-POWER软件通过一维仿真计算获得(6000 r/min、100%油门)，值为12.8 g/s；出口边界设置为压力出口，值为0 Pa。45 mm触媒的触媒段多孔介质相关参数设置为惯性阻尼51.395 kg/m4，黏性阻尼574.028 kg/(m3·s)；52 mm触媒的触媒段多孔介质相关参数设置为惯性阻尼44.082 kg/m4，黏性阻尼476.847 kg/(m3·s)。其余固体壁面为无滑移壁面边界，计算域壁面函数采用STAR-CCM+推荐的Two Layer All Y+Wall Treatment模型。流体介质为气体，密度设置为0.435 kg/m3，动力黏度为0.000 018 9 Pa·s 。流场模拟计算时采用压力与速度耦合的方法进行求解计算，并采用二阶迎风格式对动量、湍流强度(k)及湍流耗散率(ε)进行离散化，使计算结果达到最佳的求解精度和收敛速度[10]。STAR-CCM+流体计算软件自动求解连续性方程、N-S方程及k-ε两方程湍流模型方程，计算完成后即可获得相应的流场细节信息。

4 数值模拟结果分析

4.1 速度分布

图4为45 mm规格的触媒在不同喇叭口长度尺寸下入口截面合成速度对比。从图中可以看出，喇叭口长度增长，最大速度减小。随着喇叭口长度的增加，速度逐渐趋于平稳，速度变化的梯度会有所减小，从而引起最大速度值的减小。

图5为45 mm规格触媒在不同喇叭口长度下入口截面合成速度对比。从图中可以看出，喇叭口越长，气流扩散得越好，触媒入口截面气体合成速度的最大值越小，且高速区域分布的范围也越小，这样就降低了高速废气对触媒的烧蚀破坏，提高了触媒的寿命。80，100 mm两种喇叭口长度尺寸下的合成速度间的差异减小。图6为45 mm触媒在长斜面喇叭口形状下的合成速度分布，结合图5，对比相同长度的喇叭口可知，采用长斜面喇叭口可以减小合成速度，降低废气对触媒部件的破坏。图7为45 mm规格触媒入口截面轴向速度分布云图，由图可以看出，喇叭口的长度及形状对触媒进口处截面的轴向速度大小及分布几乎没有影响。

图5 45 mm触媒时不同喇叭口长度状态的入口截面合成速度云图

图6 45 mm触媒时长斜面喇叭口状态的入口截面合成速度云图

图7 45 mm触媒时入口截面轴向速度云图

图8、图9为52 mm触媒在不同喇叭口长度尺寸和喇叭口形状时的速度对比。由图可以看出，最大合成速度随着喇叭口长度的增加而有明显的减小，喇叭口长度增长，最大合成速度减小。最大轴向速度随着喇叭口长度的增长而几乎不变。无台阶长斜面喇叭口最大合成速度及轴向速度略低于长斜面喇叭口最大合成速度及轴向速度值。

由于轴向速度变化差异不大，因此，针对52 mm仅查看不同喇叭口长度尺寸下的合成速度分布云图。图10为52 mm触媒在不同喇叭口长度尺寸下入口截面合成速度云图，由图可以明显地看出，随着喇叭口长度的增加，合成速度最大值减小。喇叭口长100和120 mm时最大合成速度值间差异不大，且速度分布基本相同。图11为52 mm触媒在100 mm喇叭口长度下有无台阶的流速对比，无台阶的喇叭口整个流场比较顺畅，速度分布均匀，因此，在条件允许时尽量使喇叭口与排气管平滑过渡，避免出现台阶产生较大的能量损失。图12为触媒入口截面速度均匀性对比。从图中可以看出，随着喇叭口的长度增长，触媒的均匀性略有改善。

图10 52 mm触媒时入口截面合成速度云图

图11 52 mm触媒喇叭口长100 mm时的流速云图

4.2 压降分布

图13—15分别为45 mm触媒不同喇叭口长度下压降分布、52 mm触媒长斜面喇叭口不同喇叭口长度下压降分布及52 mm触媒无台阶长斜面喇叭口不同喇叭口长度下压降分布。从图中可以看出，前端压降及触媒压降随着喇叭口长度的增加，未产生明显的变化。对于无台阶长斜面的喇叭口形状，喇叭口进口处无台阶，气流在触媒前端的流动比有台阶的更稳定顺畅，且相同长度的喇叭口，无台阶的压降比有台阶的要小。说明台阶处产生的能量损失非常大。喇叭口长度越长，对应的前端压降及触媒压降越小，造成这种现象的原因是喇叭口长度越长，流速随着喇叭口长度的增长而变得越来越平稳，不会造成较大的速度梯度，因此对应的压降略有减小。

4.3 选型建议

针对45 mm触媒结构，触媒入口截面最大合成速度随喇叭口长度的增加而减小，高速区域分布的范围也减小，降低了高速废气对触媒的烧蚀破坏，可提高触媒的使用寿命，80及100 mm喇叭口长度下最大合成速度值差异不大，且长斜面喇叭口形状有利于气流顺畅的流动，产生较小的压降。因此，建议对 45 mm 触媒采用长斜面喇叭口，且喇叭口长度最好不小于 80 mm。

同理，针对52 mm触媒结构，从速度均匀性、最大合成速度值、气流流动顺畅度及压降等方面综合考虑，建议 52 mm 触媒喇叭口的长度不小于 100 mm，且在条件允许时尽量使喇叭口与排气管平滑过渡，避免出现台阶产生较大的能量损失。

5 结论

1) 触媒前端喇叭口结构对触媒段最大合成速度及压降影响较大，最大合成速度值随着喇叭口长度的增长而减小，最大轴向速度及压降变化不明显。采用长斜面喇叭口可以减小合成速度的大小，降低废气对触媒部件的破坏。45 mm触媒喇叭口长度达到80 mm及以上，最大合成速度趋于定值；52 mm触媒喇叭口长度达到100 mm及以上，最大合成速度趋于定值。

2) 针对45 mm触媒结构，依据合成速度变化规律，建议采用长斜面喇叭口，且喇叭口长度最好不小于 80 mm；针对52 mm触媒结构，建议 52 mm 触媒喇叭口的长度不小于100 mm，且在条件允许时尽量使喇叭口与排气管平滑过渡，避免出现台阶产生较大的能量损失。