车用催化转换器气流特性分析
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（2）对于常规结构的催化转化器，在汽车底盘空 间允许的情况下，建议采用较小的入口扩张管锥角
参考文献 [1] 梁 呈.汽 油 车 催 化 转 化 器 流 场 研 究 与 结 构 优 化 设 计[D].长
沙 ：湖 南 大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ，2003:12-18. [2] 帅石金,王建昕.CFD在车用催化转化器结构优化设计中的
的流动特性模拟对比结果。 从图形可以看出，随着 扩张管锥角逐渐增大，其流速分布和压力损失变化 很 大 。 当 入 口 扩 张 管 锥 角 较 小(30°)时 ，气 流 在 管 壁 没 有发生边界层分离，此时流速分布比较均匀，压力损 失也小。 这是由于随着扩张管锥角的增大，气流在 管壁逐渐分离锥角越大，气流分离越严重，涡流区域 与强度增大，不仅使得局部损失加大，而且引起了流 速分布更加不均匀。 但角度增大到一定程度后，气
没有质量交换 。 ［1，6，7］
2 计算结果分析
来自百度文库
2.1 网格生成 本文研究3种不同入口扩张管角度的催化转换
器 ， 其 圆 锥 扩 张 管 角 度 分 别 为 80° 、60° 和 30° ， 其 三 维 网格如图1所示。
·106·
图1 3种入口扩张管角度的催化转换器三维网格
2.2 不同入口扩张角的催化转换器流场计算分析 因为催化器的轴对称性，仅给出催化器的二维
机,2001,134(4):25-28. [5] 方 瑞 华,苏 清 祖.车 用 催 化 器 载 体 蜂 窝 孔 内 气 流 分 析[J].汽
车 工 程 ,2001,23(2):124-126. [6] 陈 明 华,司 传 胜.基 于CFD 的 车 用 催 化 转 化 器 的 结 构 优 化
设 计 [J].中 国 制 造 业 信 息 化 ,2006,23(17):71-77. [7] 赵继业, 陈觉先. 利用CFD分析催化转化器不同设计因素
-
1 3
鄣uk 鄣xk
δij ）-ρu′i u′j
（3）
式 中 ： μ 为 分 子 动 力 粘 性 系 数 ； δij 为 Kroneker 数 ；
ρ u′iu′j 为雷诺应力张量；sij是流体变形速率张量 ，由
下式给出
sij=
1 2
（
鄣ui 鄣xj
+
鄣uj 鄣xi
）
（4）
1.2 湍流模型
采 用 标 准 的 k-ε 模 型 计 算 雷 诺 应 力 来 封 闭 上 述
1.92
-0.33
1.3 催化转换器载体流动模型
在此，仅对目前最常用有陶瓷蜂窝载体进行模
拟和分析。 蜂窝载体是由许多大小相同的方形管道
组成。 要详细了解这些管内的流动分布，就须对其
进行多维模拟，这种方法的优点是可以精确地模拟
载体内的气流。 但由于载体管道太细、太多，以直径
为100 mm的载体为例，就有约4 870个管道，要对这
k
μtSij 鄣ui - 2 鄣xj 3
μt 鄣ui +ρk 鄣xi
鄣ui 鄣xi
-
cε2 ρ ε2 +cε4 ρε 鄣ui
（8）
k
鄣xi
式中 ，μeff=μ+μt；cμ、σk、σε、cε1、cε2和cε4各项经验系数按
表1确定。
表1 经验系数表
cμ
σk
σε
cε1
cε2
cε4
0.09
1.0
1.22
1.44
流动控制方程，即有：
ρu′i u′j =-2μt sij +
2 3
（μt
鄣uk 鄣xk
+ρk）δij
（5）
式中μt为湍流粘性系数，由下式给出
2
μt=
cμ
ρk ε
（6）
式 中 ：k、ε 分 别 为 湍 动 能 和 湍 能 耗 散 率 ， 它 们 的 输 运
控制方程为：
收 稿 日 期 ：2009-07-20 基 金 项 目 ：厦 门 市 科 技 计 划 项 目 （3502Z20073030） 作者简介：许建民(1981- )，男，湖南邵阳人，助教，硕士，主要研究方向为汽车节能与排放控制。
的 影 响 [J].小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 ,2001,30(3):23-28.
Gas Flow Features of Automotive Catalytic Converters
XU Jian-min YUAN Zhi-qun REN Heng-shan LIU Jin-wu (Xiamen University of Technology, Xiamen 361024)
以认为是定常不可压层流。 当多孔介质具有很大阻
力时，可以忽略动量方程的对流项和扩散项，这时动
量方程就简化为：
鄣p 鄣xi
=－Kiu
（9）
Ki=αi V +βi
（10）
式中：Ki为渗透率，与当地速度 V 成正比；αi、βi为经
验常数，在气流方向由试验确定，在径向和周向取为
1×105， 即 认 为 气 流 只 沿 轴 向 流 动 ， 在 其 他 两 个 方 向
应 用 [J].汽 车 工 程 ，2000,22(2):129-133. [3] 帅 石 金,王 建 昕.斜 扩 张 管 催 化 器 流 场 三 维 数 值 模 拟 和 结
构 优 化 设 计 [J].燃 烧 科 学 与 技 术 ,2001,7(3):298-301. [4] 刘 军.汽 车 排 气 催 化 转 化 装 置 气 流 特 性 分 析 [J].车 用 发 动
么多个细管道生成多维网格进行流动计算，超出了
一般计算机的容量，是不可取的［2］。 事实上，从工程
的角度看，人们更多的是关心载体整体性能及其对
气流的影响。 由于蜂窝载体的管道具有相同的几何
形状，并且管道的直径远小于载体的直径，使得人们
可以把蜂窝载体作为多孔介质，用当量连续法进行
模拟。 由于载体管道尺寸非常小，载体内的气流可
（3）CFD不仅可以得到催化 转 换 器 内 部 气 体 流 动特性，还可以对整个排气系统的温度场、气体各成 分浓度场等进行研究。
图9 扩张角为80°的催化器压力分布图
3结论
（1） 气 流 在 扩 张 圆 锥 管 壁 面 附 近 出 现 分 离 产 生 较强的扰动，造成局部流动损失和载体前气流速度 沿径向分布不均匀；入口扩张管结构对催化器的流 动特性有很大影响，扩张角越大，催化器流速分布不 均匀性和压力损失增大。
Abstract：In this article, multi-dimensional numerical simulation about velocity field and pressure field of steady flows in the catalytic converters for three different entrance angle of the expansion tube is performed. Simulation results show that the entrance point of the expansion tube has a great impact on the flow of catalytic converters. Using a smaller angle of the entrance of the expansion tube, not only reduce the pressure loss, but also make more uniform velocity distribution. Key words：CFD；catalytic converters；the entrance angle of the expansion tube；velocity field；pressure field
力损失，而且可以使其内部速度分布更加均匀。
关键词：CFD； 催化转换器； 入口扩张管角度; 速度场; 压力场
中 图 分 类 号 ：U464
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1673-1980（2009）06-0105-04
随着汽油机电子控制燃油喷射系统的不断完善 和无铅低硫汽油的燃用， 采用三元催化转化器是控 制汽车排放最理想和最重要的措施。 常规结构的催 化转化器在其扩张管段上，由于气流的扩散，导致流 速分布不均匀。 管道中心的流速高，使得气体流动集 中在载体中心区域，从而使该区域的流速过快，温度 过高，而载体边缘气流量小，温度又较低。 这就使得 载体中心区域的催化剂老化加快， 而边缘区域的催 化剂却不能充分发挥作用。 其结果既降低了催化转 化器的转化效率，又缩短了其使用寿命。 另外，由于 温度分布的不均匀，导致载体截面产生热应力，容易 使载体损坏 。 ［1，3］ 因此利用计算机流体动力学（CFD） 软件改进目前的催化转化器结构对于获得较好的流 动均匀性和较低的压力损失， 从而减小对发动机动 力性、经济性的影响，改善催化转化器的转化效率、 加快其起燃、 延长其使用寿命等方面具有重要的理 论意义和实践价值。 在催化转化器流动计算中，常用 的 计 算 软 件 有 STAR -CD, PHOENICS，FLUENT, STAR -CD, CFX, ANSYS等［1，4］。 在本文的研究中将采 用FLUENT软件进行仿真分析。 考察了无化学反应和 热传导的稳定流动问题， 采用数值模拟的方法研究 催化器流场的速度分布特性和压力损失情况。
流在入口扩张管内逐渐形成射流，流体对壁面形状 不敏感，扩张管锥角对流速分布的影响变小，一压力 损失的变化也不大。 图7、图8、图9为3种不同入口扩 张 角 （30° 、60° 和 80° ） 结 构 催 化 器 的 压 力 分 布 模 拟 对 比图。 得出计算结果，3种不同入口扩张角（30°、60° 和80°）结构催化器的压力损失分别为2 900、3 400、 3 900Pa。 说明随着入口扩张管角度的逐渐增大，催 化转换器载体造成的损失压力越大。
流动结果。 图2为催化器圆锥扩张管的局部放大速 度矢量图。 从图中可以清楚地看出，在锥管壁面附 近气流出现了分离，并产生涡流。 涡流一方面造成 气流的局部压力损失，另一方面造成催化器气体流 动分布不均匀，对催化器转化效率和使用寿命带来 不利影响。
图2 催化器入口扩张管的局部放大速度矢量图
图3为催化器流场的压力等值图，从等压图的分 布可以看出，在载体内，气流压力是层层递减的，说 明载体造成了压力损失。
第 11 卷 第 6 期
重庆科技学院学报（自然科学版）
2009 年 12 月
车用催化转换器气流特性分析
许建民 袁志群 任恒山 刘金武 （厦门理工学院，厦门 361024）
摘 要：用CFD软件对三种不同入口扩张管角度的催化转换器的速度场、压力场进行了三维稳态流动数值模拟。 模
拟结果显示，入口扩张管的角度对催化转换器的气流分布有很大影响，采用较小角度的入口扩张管，不仅可减少压
1 流动数学模型
1.1 流动控制方程 对稳定可压多维流动，有以下雷诺平均的质量、
动量恒方程：
鄣 鄣xj
（ρuj）=0
（1）
鄣 鄣xj
（ρuiju－τij）=－
鄣p 鄣xij
+si
（2）
其 中 ：si为 源 项 ，这 里 表 示 催 化 器 载 体 阻 力 ；τij为 应 力 张量，对牛顿流有
τij
=2μ（sij
·105·
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
鄣 鄣 鄣
鄣xj
ρμjk- μeff 鄣k σκ 鄣xj
=μtsij 鄣ui -ρε鄣xj
鄣 鄣 2
3
μt 鄣ui +ρk 鄣xi
鄣ui 鄣xi
（7）
鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣
鄣xj
ρμjε－ μeff 鄣ε σε 鄣xj
ε =cε1
·108·
图3 催化器流场的压力等值图 为了研究扩张管角度对催化器流动的影响，对
图1所示结构的催化器，保持其他结构尺寸不变，仅 改变入口扩张角进行数值模拟。 图4、图5、图6分别 为3种不同入口 扩 张 角 （30°、60°和80°）结 构 催 化 器
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
图4 入口扩张管角度为30°的速度分布及速度矢量场
图5 入口扩张管角度为60°的速度分布及速度矢量场
图6 入口扩张管角度为80°的速度分布及速度矢量场
·107·
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
图7 扩张角为30°的催化器压力分布图
图8 扩张角为60°的催化器压力分布图
对改善流速分布，减小催化转化器的压力损失有利， 同时还可以延长催化转换器的使用寿命。
参考文献 [1] 梁 呈.汽 油 车 催 化 转 化 器 流 场 研 究 与 结 构 优 化 设 计[D].长
沙 ：湖 南 大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ，2003:12-18. [2] 帅石金,王建昕.CFD在车用催化转化器结构优化设计中的
的流动特性模拟对比结果。 从图形可以看出，随着 扩张管锥角逐渐增大，其流速分布和压力损失变化 很 大 。 当 入 口 扩 张 管 锥 角 较 小(30°)时 ，气 流 在 管 壁 没 有发生边界层分离，此时流速分布比较均匀，压力损 失也小。 这是由于随着扩张管锥角的增大，气流在 管壁逐渐分离锥角越大，气流分离越严重，涡流区域 与强度增大，不仅使得局部损失加大，而且引起了流 速分布更加不均匀。 但角度增大到一定程度后，气
没有质量交换 。 ［1，6，7］
2 计算结果分析
来自百度文库
2.1 网格生成 本文研究3种不同入口扩张管角度的催化转换
器 ， 其 圆 锥 扩 张 管 角 度 分 别 为 80° 、60° 和 30° ， 其 三 维 网格如图1所示。
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图1 3种入口扩张管角度的催化转换器三维网格
2.2 不同入口扩张角的催化转换器流场计算分析 因为催化器的轴对称性，仅给出催化器的二维
机,2001,134(4):25-28. [5] 方 瑞 华,苏 清 祖.车 用 催 化 器 载 体 蜂 窝 孔 内 气 流 分 析[J].汽
车 工 程 ,2001,23(2):124-126. [6] 陈 明 华,司 传 胜.基 于CFD 的 车 用 催 化 转 化 器 的 结 构 优 化
设 计 [J].中 国 制 造 业 信 息 化 ,2006,23(17):71-77. [7] 赵继业, 陈觉先. 利用CFD分析催化转化器不同设计因素
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鄣uk 鄣xk
δij ）-ρu′i u′j
（3）
式 中 ： μ 为 分 子 动 力 粘 性 系 数 ； δij 为 Kroneker 数 ；
ρ u′iu′j 为雷诺应力张量；sij是流体变形速率张量 ，由
下式给出
sij=
1 2
（
鄣ui 鄣xj
+
鄣uj 鄣xi
）
（4）
1.2 湍流模型
采 用 标 准 的 k-ε 模 型 计 算 雷 诺 应 力 来 封 闭 上 述
1.92
-0.33
1.3 催化转换器载体流动模型
在此，仅对目前最常用有陶瓷蜂窝载体进行模
拟和分析。 蜂窝载体是由许多大小相同的方形管道
组成。 要详细了解这些管内的流动分布，就须对其
进行多维模拟，这种方法的优点是可以精确地模拟
载体内的气流。 但由于载体管道太细、太多，以直径
为100 mm的载体为例，就有约4 870个管道，要对这
k
μtSij 鄣ui - 2 鄣xj 3
μt 鄣ui +ρk 鄣xi
鄣ui 鄣xi
-
cε2 ρ ε2 +cε4 ρε 鄣ui
（8）
k
鄣xi
式中 ，μeff=μ+μt；cμ、σk、σε、cε1、cε2和cε4各项经验系数按
表1确定。
表1 经验系数表
cμ
σk
σε
cε1
cε2
cε4
0.09
1.0
1.22
1.44
流动控制方程，即有：
ρu′i u′j =-2μt sij +
2 3
（μt
鄣uk 鄣xk
+ρk）δij
（5）
式中μt为湍流粘性系数，由下式给出
2
μt=
cμ
ρk ε
（6）
式 中 ：k、ε 分 别 为 湍 动 能 和 湍 能 耗 散 率 ， 它 们 的 输 运
控制方程为：
收 稿 日 期 ：2009-07-20 基 金 项 目 ：厦 门 市 科 技 计 划 项 目 （3502Z20073030） 作者简介：许建民(1981- )，男，湖南邵阳人，助教，硕士，主要研究方向为汽车节能与排放控制。
的 影 响 [J].小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 ,2001,30(3):23-28.
Gas Flow Features of Automotive Catalytic Converters
XU Jian-min YUAN Zhi-qun REN Heng-shan LIU Jin-wu (Xiamen University of Technology, Xiamen 361024)
以认为是定常不可压层流。 当多孔介质具有很大阻
力时，可以忽略动量方程的对流项和扩散项，这时动
量方程就简化为：
鄣p 鄣xi
=－Kiu
（9）
Ki=αi V +βi
（10）
式中：Ki为渗透率，与当地速度 V 成正比；αi、βi为经
验常数，在气流方向由试验确定，在径向和周向取为
1×105， 即 认 为 气 流 只 沿 轴 向 流 动 ， 在 其 他 两 个 方 向
应 用 [J].汽 车 工 程 ，2000,22(2):129-133. [3] 帅 石 金,王 建 昕.斜 扩 张 管 催 化 器 流 场 三 维 数 值 模 拟 和 结
构 优 化 设 计 [J].燃 烧 科 学 与 技 术 ,2001,7(3):298-301. [4] 刘 军.汽 车 排 气 催 化 转 化 装 置 气 流 特 性 分 析 [J].车 用 发 动
么多个细管道生成多维网格进行流动计算，超出了
一般计算机的容量，是不可取的［2］。 事实上，从工程
的角度看，人们更多的是关心载体整体性能及其对
气流的影响。 由于蜂窝载体的管道具有相同的几何
形状，并且管道的直径远小于载体的直径，使得人们
可以把蜂窝载体作为多孔介质，用当量连续法进行
模拟。 由于载体管道尺寸非常小，载体内的气流可
（3）CFD不仅可以得到催化 转 换 器 内 部 气 体 流 动特性，还可以对整个排气系统的温度场、气体各成 分浓度场等进行研究。
图9 扩张角为80°的催化器压力分布图
3结论
（1） 气 流 在 扩 张 圆 锥 管 壁 面 附 近 出 现 分 离 产 生 较强的扰动，造成局部流动损失和载体前气流速度 沿径向分布不均匀；入口扩张管结构对催化器的流 动特性有很大影响，扩张角越大，催化器流速分布不 均匀性和压力损失增大。
Abstract：In this article, multi-dimensional numerical simulation about velocity field and pressure field of steady flows in the catalytic converters for three different entrance angle of the expansion tube is performed. Simulation results show that the entrance point of the expansion tube has a great impact on the flow of catalytic converters. Using a smaller angle of the entrance of the expansion tube, not only reduce the pressure loss, but also make more uniform velocity distribution. Key words：CFD；catalytic converters；the entrance angle of the expansion tube；velocity field；pressure field
力损失，而且可以使其内部速度分布更加均匀。
关键词：CFD； 催化转换器； 入口扩张管角度; 速度场; 压力场
中 图 分 类 号 ：U464
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1673-1980（2009）06-0105-04
随着汽油机电子控制燃油喷射系统的不断完善 和无铅低硫汽油的燃用， 采用三元催化转化器是控 制汽车排放最理想和最重要的措施。 常规结构的催 化转化器在其扩张管段上，由于气流的扩散，导致流 速分布不均匀。 管道中心的流速高，使得气体流动集 中在载体中心区域，从而使该区域的流速过快，温度 过高，而载体边缘气流量小，温度又较低。 这就使得 载体中心区域的催化剂老化加快， 而边缘区域的催 化剂却不能充分发挥作用。 其结果既降低了催化转 化器的转化效率，又缩短了其使用寿命。 另外，由于 温度分布的不均匀，导致载体截面产生热应力，容易 使载体损坏 。 ［1，3］ 因此利用计算机流体动力学（CFD） 软件改进目前的催化转化器结构对于获得较好的流 动均匀性和较低的压力损失， 从而减小对发动机动 力性、经济性的影响，改善催化转化器的转化效率、 加快其起燃、 延长其使用寿命等方面具有重要的理 论意义和实践价值。 在催化转化器流动计算中，常用 的 计 算 软 件 有 STAR -CD, PHOENICS，FLUENT, STAR -CD, CFX, ANSYS等［1，4］。 在本文的研究中将采 用FLUENT软件进行仿真分析。 考察了无化学反应和 热传导的稳定流动问题， 采用数值模拟的方法研究 催化器流场的速度分布特性和压力损失情况。
流在入口扩张管内逐渐形成射流，流体对壁面形状 不敏感，扩张管锥角对流速分布的影响变小，一压力 损失的变化也不大。 图7、图8、图9为3种不同入口扩 张 角 （30° 、60° 和 80° ） 结 构 催 化 器 的 压 力 分 布 模 拟 对 比图。 得出计算结果，3种不同入口扩张角（30°、60° 和80°）结构催化器的压力损失分别为2 900、3 400、 3 900Pa。 说明随着入口扩张管角度的逐渐增大，催 化转换器载体造成的损失压力越大。
流动结果。 图2为催化器圆锥扩张管的局部放大速 度矢量图。 从图中可以清楚地看出，在锥管壁面附 近气流出现了分离，并产生涡流。 涡流一方面造成 气流的局部压力损失，另一方面造成催化器气体流 动分布不均匀，对催化器转化效率和使用寿命带来 不利影响。
图2 催化器入口扩张管的局部放大速度矢量图
图3为催化器流场的压力等值图，从等压图的分 布可以看出，在载体内，气流压力是层层递减的，说 明载体造成了压力损失。
第 11 卷 第 6 期
重庆科技学院学报（自然科学版）
2009 年 12 月
车用催化转换器气流特性分析
许建民 袁志群 任恒山 刘金武 （厦门理工学院，厦门 361024）
摘 要：用CFD软件对三种不同入口扩张管角度的催化转换器的速度场、压力场进行了三维稳态流动数值模拟。 模
拟结果显示，入口扩张管的角度对催化转换器的气流分布有很大影响，采用较小角度的入口扩张管，不仅可减少压
1 流动数学模型
1.1 流动控制方程 对稳定可压多维流动，有以下雷诺平均的质量、
动量恒方程：
鄣 鄣xj
（ρuj）=0
（1）
鄣 鄣xj
（ρuiju－τij）=－
鄣p 鄣xij
+si
（2）
其 中 ：si为 源 项 ，这 里 表 示 催 化 器 载 体 阻 力 ；τij为 应 力 张量，对牛顿流有
τij
=2μ（sij
·105·
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
鄣 鄣 鄣
鄣xj
ρμjk- μeff 鄣k σκ 鄣xj
=μtsij 鄣ui -ρε鄣xj
鄣 鄣 2
3
μt 鄣ui +ρk 鄣xi
鄣ui 鄣xi
（7）
鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣
鄣xj
ρμjε－ μeff 鄣ε σε 鄣xj
ε =cε1
·108·
图3 催化器流场的压力等值图 为了研究扩张管角度对催化器流动的影响，对
图1所示结构的催化器，保持其他结构尺寸不变，仅 改变入口扩张角进行数值模拟。 图4、图5、图6分别 为3种不同入口 扩 张 角 （30°、60°和80°）结 构 催 化 器
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
图4 入口扩张管角度为30°的速度分布及速度矢量场
图5 入口扩张管角度为60°的速度分布及速度矢量场
图6 入口扩张管角度为80°的速度分布及速度矢量场
·107·
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
图7 扩张角为30°的催化器压力分布图
图8 扩张角为60°的催化器压力分布图
对改善流速分布，减小催化转化器的压力损失有利， 同时还可以延长催化转换器的使用寿命。