基于STAR-CCM+的某型车SCR系统流场分析

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摘 要：
借助STAR-CCM+软件，分析了某型车SCR 后处理系统在额定工况下的压力场和速度场分布，以及不同尾气流量下排气背压的变化，得到排气背压随着尾气流量的变化，规律，最后利用最小二乘法，得到尾气流量与排气背压的关系式。

该方法为SCR 系统的设计提供了有效的理论依据。

关键词：STAR-CCM+ SCR 压力场 速度场 排气背压
Abstract With the help of the software STAR-CCM+, the pressure field and velocity field distribution of the SCR processing system for a vehicle are analyzed under the rated condition, and the variety of the exhaust back pressure in different exhaust flow is analyzed . The relationship between the exhaust flow and the exhaust back pressure
is obtained. The method provides a theoretical basis for the design of SCR system.
Key words STAR-CCM+; SCR; pressure field; velocity field; exhaust back pressure 基于STAR-CCM+的某型车SCR系统流场分析
Flow F ield A nalysis o f t he S CR S ystem f or a V ehicle B ased o n S TAR-CCM+ZHANG Ke-peng et al
中图分类号：U469.6.03 文献标识码：B 文章编号：1004-0226(2014)06-0093-04
1 前言
随着社会的发展，汽车的保有量快速增加，由此引发的空气、噪声污染也越来越引起社会的关注。

汽车的SCR(Selective Catalytic Reduction ，选择性催化还原)后处理系统是一种先进的车辆尾气后处理装置，在其设计过程中对排气背压有十分严格的要求，因为后处理系统的背压不仅与车辆的排气噪声有关，而且关乎到车辆的经济性和动力性。

若排气背压过大，会使排气不畅，导致气缸内气体无法正常排出，影响发动机的进气量，使其性能下降，进而影响整个车辆的油耗经济性。

如果依靠传统试验方法，不仅耗时耗力，也难以同时达到很好的效果，往往会顾此失彼。

如果借助数值模拟的方法，提前从理论的角度分析SCR 系统包括压力场、速度场等各种性能，可以大大缩短开发周期，提高[1-3]开发效率，同时避免设计过程的性能缺陷。

本文利用CFD 方法，对某型车SCR 系统总成进行了流场模拟计算，得到了SCR 系统排气总背压，并分析了各个部件的背压及不同尾气流量下的背
压，为该型车SCR 系统结构布置和设计提供预测性的意见。

2 SCR系统流场分析控制方程
车辆SCR 后处理系统内部结构一般比较复杂，内部流场也相应的不规律，属于紊流流场问题。

文中选用STAR-CCM+中提供的Realizable k -ε湍流模型进行数值计算。

湍流控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes 方程：连续方程：
(1)(2)
式中，u 、u 为平均速度分量，x 、x 为坐标分量，p 为流体微元体
i j i j 上的压力，μ为湍流有效黏性系数。

eff 由于在对Navier-Stokes 方程进行雷诺时均处理过程中，引入与湍流脉动值有关的新的变量项 （雷诺应力项）。

为了使方程组封闭，必须对雷诺应力做出假设，即建立应力表达式或引
第一作者：张克鹏，男，1985年生，工程师，
现从事工程车辆CAE 分析工作。

0=∂x i
∂u i
ρu 'u 'i j -x j u ∂x j
∂p
∂x i ∂u j ∂∂u i ∂∂∂)]([)(µeff u i j -
+=∂x j x j 动量方程：1 2 1
张克鹏 孔靓靓樊敏锋1. 陕西重型汽车有限公司 陕西西安 7102002. 汉阳专用汽车研究所 湖北武汉 430056
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入新的湍流模型方程，通过这些表达式或湍流模型，把湍流的脉动值与时均值联系起来。

研究表明，标准k-ε模型应用于时均应变率特别大的情况时，有可能导致出现负的正应力，为了使流动符合湍流流动的规律，需要对正应力进行某种数学约束。

从而提出了Realizable k-ε模型中关于k 和ε的输运方程。

湍流动能k 方程：
(3)
湍流动能耗散率ε方程：(4)
式中，为流体密度，为因平均速度梯度引起的湍流动能的产
ρG k k 生项。

(5)
湍流有效黏性系数μ：
eff ；µ；
t 2µ=μ+µ=ρC k /ε
eff t
µk G x j
t
i
G k
C µ
max(1C ;
;
k
E ij E ij 2
/1)
(21E ij
;
;
3
s
A )6(1
1
W ;
;
2
/1)(E ij E ij W U
;
;
式中， 是从角速度为
ω的参考系中观察到的时均转动速率张k 量，*对于无旋转流场，U 计算式根号中的第二项为零，这一项是专门[4-5]用来表示旋转的影响，也是Realizable k -ε模型的特点之一。

SCR 后处理系统的计算模型中，由于内部有很多蜂窝孔，很容易生成旋流，所以计算中采用分离解算器，湍流模型选用稳态的Realizable k-ε湍流模型，模型中的系数均为默认值。

3 模型建立及边界条件
3.1 模型建立
计算模型为某型车SCR 后处理系统，采用CATIA 建立其三维模型，如图1所示，图中1为发动机连接SCR 后处理系统壳体的管道，即SCR 系统的排气管；2为SCR 系统壳体；3为SCR 系统排气尾管；4为壳体内薄壁多孔管；5为消声陶瓷蜂窝载体；6为薄壁隔板。

车辆尾气进入排气管，再通过壳体内薄壁多孔管流出，经薄壁隔板的两个孔流出后到达消声陶瓷蜂窝载体上端所在的腔体，从消声陶瓷蜂窝载体的上端流入下端，最后通过排气尾管排放到大气中。

为了便于考察模型细节处的流场情况及保证其计算的准确性，尽量保证计算模型与实际三维模型的一致性，并采用1:1实
际模型进行数值计算。

前处理在ANSA 软件中进行处理，最终形成Triangle 网格数为170 222，SCR 系统的面网格模型如图2所示。

(a) SCR后处理系统外部几何模型(b) SCR后处理系统内部几何模型
图1 SCR后处理系统的几何模型
图2 SCR后处理系统的面网格模型
在ANSA 软件中将SCR 系统的面网格转化为.stl 格式，导入
STAR-CCM+中进行下一步体网格的生成。

在STAR-CCM+中指定网格尺寸和边界层数及厚度。

由于STAR-CCM+特有的多面体网格具有较多优势，既能够保证计算精度，提高计算的收敛性和稳定性，又能控制网格总体数量，节约计算时间，所以网格类型选择Polyhedral 多面体网格，最终生成的体网格数约为284 456，如图3所示。

图3 SCR后处理系统的Polyhedral多面体网格模型
1.0
k
1.2 1.9
C 2
4.00
A ，
;
;
; 3.2 消声陶瓷蜂窝载体
由于陶瓷载体管道细且多，若将这些管道生成的体网格进行流体计算，计算机运算速度迟缓而且没有此必要。

从工程角度来[6]看，人们更多的是关心载体整体性能及对气流的影响。

由于蜂窝
4
5
6
k ijk ij
ij
2
~
k
ijk ij
;
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图4 SCR后处理系统的表面压力分布云图
图5 SCR后处理系统排气管表面压力分布云图
载体的管道具有相同的几何形状，且管道的直径远小于载体的直径，载体的气流可以认为是定常不可压层流，故可将蜂窝载体用当量连续法进行模拟，即把管道内的气流在整个载体内看作连续分布的气流。

载体内的流动假设为多孔介质内的流动，流体只沿轴向流动，不存在径向质量交换。

在STAR-CCM+中，多孔介质的压降公式可表示为：
（6）
式中，为流体经过多孔介质后的压降，Pa ；P 为多孔介质的惯i ∆p 4性阻力系数，kg/m ；v 为流体经过多孔介质的等效速度，m/s ；3P 为多孔介质的粘性阻力系数，kg/m ·s ；L 为多孔介质的轴向长v 度，m 。

将消声陶瓷蜂窝载体的上下两端面设置为Internal Interface Boundary ，整个按照封闭实体处理，在软件中将其设置为多孔介质，各性能按照多孔介质的参数设定即可。

4 额定工况SCR系统计算结果分析
4.1 边界条件的设定
该型车发动机额定工况为发动机转速1 900 r/min ，扭矩1 267 Nm ，尾气流量为1 465 kg/h 。

SCR 后处理系统在数值模拟过程中，排气管道来流方向的横截端面为入口边界，设定入口边界为流量入口，流量为g =1 465 kg/h ，湍流强度为0.01，湍流长度为0.01m ；出口边界为压力出口，出口压力为p =0 Pa(相对于大气
4
压)；消声陶瓷蜂窝载体的惯性阻力系数为3.842 kg/m ，粘性阻力
3系数为718.764 kg/(m s)。

SCR 后处理系统固壁面采用无滑移边界条件，求解过程中各松弛因子：速度项为0.7，压力项为0.3。

4.2 计算结果及分析
4.2.1 表面压力分析
通过STAR-CCM+软件求得该型车SCR 后处理系统在额定工况下的排气背压为6.682 kPa 。

图4为该模型整体表面压力分布云图，图5为SCR 系统的排气管的表面压力分布云图。

从图4、5可以看出，SCR 后处理系统在排气管有转弯外侧位置表面压力较大，这是由于尾气从发动机排出后高速进入排气管，遇到转弯位置时，气流冲击该位置所形成较大的正压所致，同时在其转弯内侧位置有负压形成。

图6为消声陶瓷蜂窝载体的表面压力分布云图。

从图6可知，消声陶瓷蜂窝载体的上端表面压力较大，这是由于尾气从薄壁多孔管出来，经过薄壁隔板的两个孔到达SCR
后处理系统的上端腔
体后，首先到达消声陶瓷蜂窝载体的上端，然后通过消声陶瓷蜂
窝载体的小孔后到达消声陶瓷蜂窝载体的下端，此过程中有较大
压力损失。

图7为排气尾管处的表面压力分布云图。

从图7可知，排气尾管前端的压力较大，这是由于尾气从SCR 后处理的下端腔体流出时，流体流经口径突然变小，气流速度突然增大，压力也随之较大。

4.2.2 SCR后处理系统速度流场分析
图8为SCR 后处理系统在排气系统的气流流速流线图。

从图中
图6 SCR后处理系统陶瓷载体表面压力分布云图
图7 SCR后处理系统排气尾管表面压力分布云图
L
v P v v P i p +-=∆
可以看出，气流排气流动过程中，在转弯位置处速度较大；进入SCR系统壳体上部腔体后，气流经过陶瓷载体时分布不均匀，偏向排气尾管的一侧分布较多。

从图6可以看出，陶瓷载体上端偏向排气尾管一侧的表面压力较大，证明有较多的气流经过。

从SCR后处理系统气流流速流线图也可以看出，在排气尾管处气流速度较大，这是因为气流流动过程中，管径突然变小所致。

4.3 不同工况下SCR后处理系统背压分析
排气系统的背压是考察排气系统性能优劣的一项重要指标。

通过STAR-CCM+的模拟，采用与前面相同的分析方法，根据发动机工作过程的典型工况，计算SCR后处理系统在典型工况下的压降，如表1所示。

图8 SCR后处理系统气流流速流线图
表1 不同工况下的SCR后处理系统排气背压
发动机转速，r/min尾气流量，kg/h排气背压，Pa
1 280779
2 382.85
1 516 1 084 4 318.58
1 753 1 223 4 936.02
1 900 1 465 6 682.24
2
y=0.002 014x+1.627 85x (7)
式中，y为排气背压，Pa；x为尾气流量，kg/h。

得到该拟合公式便于进行不同尾气流量下排气背压的计算。

5 结语
a. 采用STAR-CCM+软件对某型车SCR后处理系统进行流动性能的数值计算，获得详细的流动信息，为SCR后处理系统的结构优化设计提供充分的理论指导，也大大降低实际的试验工作量。

b. 计算得到不同流量下SCR系统与排气背压关系式，此关系式可应用于不同工况的工程计算。

参考文献
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收稿日期：2014-02-17
图9 SCR后处理系统尾气流量与排气背压关系拟合曲线
由分析结果，利用最小二乘法对计算结果进行拟合，图9为不
同尾气流量与排气背压之间的拟合关系，排气背压的关系式如下：
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更正启事
本刊2014年03月版《经销商偷梁换柱 给我用了冒牌车桥》一文延伸阅读中曾就
如何分辨真假富华车桥进行了相关报道。

近日，本刊编辑部接到了广东富华机械集团
有限公司的来信，由于该公司内部一些变动，文章内容所报道的鉴别方法与现在富华
车桥的鉴别存在一定差异(见右图)，特此更正。

真假富华车桥鉴别方法应如下：
1.认准广东富华车桥英文logo为“Fuwa ，由广东佛山顺德富华工厂（广东富华
工程机械制造有限公司）和江门台山富华重工（广东富华重工制造有限公司）生产。

2.通过车桥防伪合格证查询真伪。

①图层防伪合格证：刮开防伪图层，→拨打4008830315，按提示语音输入密码，
→完成查询；或发送密码至135********，→收到查询短信，→完成查询；或登录广
东富华公司网站/进行查询；
②二维码合格证：通过手机微信、QQ、易信等扫描二维码直接查询。

3.拨打广东富华公司热线400-0318-333或0757-********进行咨询，按要求提供车
桥特征照片，发彩信至联系人手机或将照片发送至富华售后服务邮箱sh@。

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