一種基于cfd技術(shù)分析三元催化轉(zhuǎn)化器的模擬分析方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)技術(shù)領(lǐng)域， 具體地，涉及一種基于CFD技術(shù)分析三元催化轉(zhuǎn)化器的模擬分析方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 從發(fā)動(dòng)機(jī)釋放出來的氣體通常含有劇毒，在排向大氣前需要凈化處理，三元催化 轉(zhuǎn)化器（Three-Way Catalytic Converter，TCC，簡稱三元催化器或催化器）就是用來降低 排放氣體毒性的一個(gè)設(shè)備。三元催化器內(nèi)包覆一枚或多枚催化劑載體，稱為三元催化體，其 材質(zhì)為陶瓷材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為多孔介質(zhì)，表面積十分龐大，因涂覆了一層高效活 性催化劑(注：文中"催化體"指涂覆有高效活性催化劑的載體，文中"催化器"指三元催化 器)，可與汽車尾氣之間發(fā)生最大可能的氧化還原反應(yīng)，達(dá)到凈化尾氣的目的，但同時(shí)也限 制氣體的流動(dòng)，增大了背壓。常用的催化體有兩種結(jié)構(gòu)：一種是各向同性，一種是單向。
[0004] 目前，國內(nèi)未見有基于CFD技術(shù)優(yōu)化車用催化轉(zhuǎn)化器的發(fā)明專利公開，但在汽車 設(shè)計(jì)相關(guān)企業(yè)內(nèi)部，存在基于CFD技術(shù)優(yōu)化車用催化轉(zhuǎn)化器的現(xiàn)象。但皆涉及使用復(fù)雜 的全英文FLUENT或Star CD等軟件進(jìn)行求解，前處理需要一種專門劃網(wǎng)絡(luò)的軟件，例如 GAMBIT和后處理又要使用一種專門軟件，如Tecplot，這樣一來模擬分析流程非常復(fù)雜和 繁瑣，對(duì)工程技術(shù)人員的技術(shù)背景和英文水平要求極高。而且，這些CFD技術(shù)的應(yīng)用，未涉 及到如何用一種直觀簡單方便快捷的軟件來高效率模擬車用催化轉(zhuǎn)化器，以便優(yōu)化催化器 外形結(jié)構(gòu)的方法。
[0005] 在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在操作過程復(fù)雜、適用范 圍小和可靠性低等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問題，提出一種基于CFD技術(shù)分析三元催化轉(zhuǎn)化器 的模擬分析方法，以實(shí)現(xiàn)操作過程簡單、適用范圍廣和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于CFD技術(shù)分析三元催化轉(zhuǎn) 化器的模擬分析方法，包括： a、 基于待處理的三元催化器，進(jìn)行CFD前處理； b、 基于CFD前處理的結(jié)果，進(jìn)行CFD求解； c、 基于CFD求解的結(jié)果，進(jìn)行CFD后處理。注：本專利中"催化體"或"三元催化體"指 涂覆有高效活性催化劑的載體，本專利中"催化器"指三元催化器或三元催化轉(zhuǎn)化器。三元 催化體是安裝在三元催化器內(nèi)的一個(gè)蜂窩狀陶瓷載體，該載體上涂覆了化學(xué)催化劑，用以 凈化有毒氣體。這三元催化體和催化體是同一物，三元催化器、三元催化轉(zhuǎn)化器或催化器是 同一物。催化體因自身材質(zhì)易脆裂，需要用襯墊和外殼包覆，因此"催化體外殼"專指包覆 在催化體外面的那一層不銹鋼外殼。
[0008] 進(jìn)一步地，所述步驟a，具體包括： (1) 確定模擬催化器的簡化模型； (2) 初始設(shè)置及邊界條件設(shè)置； (3) 網(wǎng)格劃分。
[0009] 進(jìn)一步地，所述步驟⑴，進(jìn)一步包括： 使用SolidWorks軟件CAD模塊，根據(jù)所需對(duì)含有三元催化體的整根三元催化器建立三 維結(jié)構(gòu)，并根據(jù)求解CFD前處理需要，對(duì)三元催化器的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化：1.對(duì)表面的小圓 角進(jìn)行了去除處理、小尖角進(jìn)行平滑處理；2.對(duì)三元催化器內(nèi)入口和出口進(jìn)行封閉處理； 3.對(duì)原則上沒有空氣流經(jīng)的部位進(jìn)行封閉處理等。進(jìn)一步地，所述步驟⑵，進(jìn)一步包括： 使用SolidWorks軟件CFD模塊Flow Simulation插件，根據(jù)所需模擬的實(shí)際情況，將 分析類型定義為內(nèi)部，流體選擇為空氣(汽車尾氣)，還可以定義流經(jīng)催化器內(nèi)氣體的物理 性質(zhì)、設(shè)置邊界條件和流場初始化； 定義求解目標(biāo)、設(shè)置收斂因子。
[0010] 進(jìn)一步地，所述步驟⑶，進(jìn)一步包括： 按三元催化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體情況劃分，將狹小通道、間隙及要觀察位置的網(wǎng)格細(xì)化，在 整個(gè)催化器內(nèi)空間劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟b，具體包括： 經(jīng)過相關(guān)參數(shù)設(shè)置后，開始迭代運(yùn)算，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)定義的求解目標(biāo)值的穩(wěn)定性判斷 收斂情況。這里，相關(guān)參數(shù)設(shè)置可以包括：（1)固體區(qū)與流體區(qū)物性參數(shù)均設(shè)為常數(shù)；（2) 流動(dòng)為定常流動(dòng)中的湍流；（3)忽略管內(nèi)壁的摩擦阻力；（4)忽略流體溫度的影響。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟c，具體包括： 對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，應(yīng)用后處理觀察催化器內(nèi)空氣流動(dòng)場，以流體在催化器內(nèi)的速度均 勻性、速度切片云圖、壓力切片云圖、流線軌跡、背壓來綜合預(yù)測催化體的凈化效率。
[0013] 本發(fā)明各實(shí)施例的基于CFD技術(shù)分析三元催化轉(zhuǎn)化器的模擬分析方法，由于包 括：基于待處理的三元催化器，進(jìn)行CFD前處理；基于CFD前處理的結(jié)果，進(jìn)行CFD求解；基 于CFD求解的結(jié)果，進(jìn)行CFD后處理；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中操作過程復(fù)雜、適用范圍小 和可靠性低的缺陷，以實(shí)現(xiàn)操作過程簡單、適用范圍廣和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
[0014] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變 得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。
[0015] 下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0016] 附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí) 施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中： 圖1為本發(fā)明中三元催化器模型簡化；（a)處理前：催化器外部結(jié)構(gòu)模型；（b)處理后： 催化器內(nèi)部流體模型； 圖2為本發(fā)明中速度場云圖；（a)項(xiàng)目1 :各向同性；（b)項(xiàng)目2 :單向； 圖3為本發(fā)明中催化體軸向速度切片；（a)項(xiàng)目1 :各向同性；（b)項(xiàng)目2:單向； 圖4為本發(fā)明中催化體徑向速度切片；（a)項(xiàng)目I :各向同性；（i) SI面；（ii)S2面； (iii)S3 面；（b)項(xiàng)目 2 :單向；（i)Sl 面；（ii)S2 面；（iii)S3 面； 圖5為本發(fā)明中內(nèi)部流場的流動(dòng)軌跡；（a)項(xiàng)目1 :各向同性；（b)項(xiàng)目2 :單向。
[0017] 結(jié)合附圖，本發(fā)明實(shí)施例中附圖標(biāo)記如下： 1-入口；2-前端錐；3-催化體外殼（內(nèi)包覆催化體）；4_后端錐；5-氧傳感器；6-波紋 管；7-中間管；8-出口；9-隔熱襯墊；10-催化體。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí) 施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，如圖1-圖5所示，提供了一種基于CFD技術(shù)分析三元催化轉(zhuǎn) 化器的模擬分析方法。
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)方案，涉及一種基于計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)技術(shù)對(duì)催化器結(jié)構(gòu)選擇的模擬分析方法，尤其針對(duì)汽車行業(yè)常見的兩 種催化體，各向同性及單向催化體，進(jìn)行選擇。需要先對(duì)三元催化器進(jìn)行三維建模，再應(yīng)用 CFD軟件(本發(fā)明以SolidWorks Flow Simulation軟件為例）對(duì)三元催化器內(nèi)的流體構(gòu)建 網(wǎng)格，根據(jù)實(shí)際情況定義氣體物理性質(zhì)、設(shè)置初始條件和邊界條件，求解后，應(yīng)用后處理觀 察催化器內(nèi)空氣流動(dòng)場，以流體在催化器內(nèi)的速度均勻性、速度切片云圖、壓力切片云圖、 流線軌跡、背壓來綜合預(yù)測催化體的凈化效率。
[0021] 本發(fā)明的技術(shù)方案，采用CFD技術(shù)模擬催化器內(nèi)氣流情況，預(yù)測催化器內(nèi)凈化效 果來判斷催化體及催化器總體設(shè)計(jì)的合理性，利用分析、比較和評(píng)價(jià)，選出最優(yōu)方式，可改 善設(shè)計(jì)，指導(dǎo)現(xiàn)場凈化效果的設(shè)置，對(duì)設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)牡胤教岢鲂薷囊庖姟?br>[0022] 本發(fā)明的技術(shù)方案，可預(yù)測了三元催化器的背壓、并可直觀地觀察到催化體內(nèi)流 體的分布，可間接反映出催化體對(duì)汽車尾氣的凈化效率，以便于在實(shí)際中，對(duì)不同排放要求 的車型，選擇合適的催化體。
[0023] 本發(fā)明的技術(shù)方案，僅需要使用一款軟件一一So IidWorks，首先使用其CAD模塊進(jìn) 行三維建模，再使用其CFD模塊進(jìn)行前處理(結(jié)構(gòu)簡化、網(wǎng)格劃分)、求解器計(jì)算、后處理(速 度場、壓力場及均勻性分析)，操作簡單快捷！ 本發(fā)明的技術(shù)方案，屬車用零部件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，也可屬于計(jì)算機(jī)軟件分析領(lǐng)域，特別是提 出了一種基于CFD技術(shù)分析催化器效果的模擬分析，主要應(yīng)用于催化體選擇、催化器凈化 效果預(yù)測、催化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
[0024] 本發(fā)明的技術(shù)方案，采用CFD技術(shù)，可預(yù)測出催化器內(nèi)有毒氣體軌跡運(yùn)動(dòng)，通過 SolidWorks Flow Simulation軟件實(shí)現(xiàn)有毒氣體的濃度場分布情況。
[0025] 本發(fā)明的技術(shù)方案，基于先進(jìn)CFD技術(shù)對(duì)催化器內(nèi)流場預(yù)測和驗(yàn)證，再通過樣機(jī) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，最終定型，實(shí)現(xiàn)了減少物理樣機(jī)的制作次數(shù)和成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周 期，還提高了產(chǎn)品的綜合性能與質(zhì)量，充分體現(xiàn)了運(yùn)用CFD技術(shù)分析優(yōu)勢，在汽車行業(yè)，具 有實(shí)用性。
[0026] 具體地，本發(fā)明的技術(shù)方案，提供了一種基于CFD技術(shù)的催化器結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬分 析方法；采用SolidWorks軟