基于CFD数值模拟的汽车排气系统结构分析_谷芳

第25卷(2007)第4期内　燃　机　学　报T ransaction s of CS I CEV o.l 25(2007)N o .4　文章编号:1000-0909(2007)04-0358-0625-058　 收稿日期:2006-10-21;修回日期:2007-01-11。

基金项目:天津市科委科技攻关项目(043185111-8);天津市应用基础研究计划项目(07J CYBJ C06700)。

作者简介:谷　芳,博士后,E -m ail :gu fang76@163.co m 。

基于CFD 数值模拟的汽车排气系统结构分析谷　芳1,2,刘伯潭2,李洪亮2,潘书杰2(1.天津大学化学工程联合国家重点实验室,天津300072;2.天津市机动车尾气催化与净化工程中心,天津300457)摘要:采用台架试验与计算流体力学(CFD )数值模拟相结合的方法,对某款汽车排气系统进行结构优化,以降低其排气背压。

根据台架试验结果,划分了原排气系统中紧耦合催化转化器、二级催化转化器、主消声器和副消声器等各部件对整个排气背压的贡献量。

通过CFD 数值计算,详细分析了原排气系统中的流动特性,找到各部分排气背压的产生原因。

结合台架试验和CFD 的分析结果,对原始方案进行了针对性的结构优化。

优化方案的排气背压比原始方案的排气背压平均下降了40%左右,最大排气背压由原来的90kPa 下降到改进后的51kP a 左右,达到了设计要求。

关键词:排气系统;计算流体力学;优化设计中图分类号:TK 402 文献标志码:AStructural Analyses for the Veh icle Exhaust Syste m Based on CFD Sm i ulationGU Fang 1,2,LI U Bo -tan 2,L IH ong -li a ng 2,PAN Shu -ji e2(1.S tate K ey L aboratory of Chem ical Enginee ri ng ,T ian jin U niversity ,T ian jin 300072,China ;2.T i anji n Eng inee ri ng Center fo r C ata l y tic P urifica tion o f V eh icle Exhaust ,T ian ji n 300457,China )Ab st ract :The str uct ural opti m al designs ai m ed t o decr ease t he high back -pr essur e of a vehic l e exhaust syste m were acco m plished w it h the benc h test and co mputa tiona l fl uid dyna m ics (CFD )si m u l ation .Based on the r esu lts o f benc h test for the pri m ar y exhaust syst e m ,contributions fr o m the close coupling cata l ytic convert e r ,t he t wo -stage catalytic converter ,t he m ain m uffler and t he auxiliar y muffler for the whole bac k -pressure were c l assified .A nd the flo w c har acteristics o f the pri m ar y exhaust syste m were a lso analyzed in de t a ils by CFD si m u l a tion ,which r evea l ed the m ain r easons of the high exhaust back -pres -sure .Based on t he results of t he benc h test and the CFD si m u l a tion ,a se ries of directed designs f o r the exhaust syst e m w er e proposed .Therefore ,bac k -pr essure of t he opti m al exhaust syst e m decreases by 40%aver age l y than that of the pri m ar y one .The highest exhaust back -pressur e decreases fr o m 90kPa to 51kPa .K ey words :Exhaust syste m ;Co m putational flui d dyna m ic ;O pti m a l desi gn引言 采用数值模拟与台架试验相结合的方法来开发汽车排气系统,可以减少试验量,缩短设计周期,降低设计成本[1]。

为此,本文以降低排气背压为设计目标,讨论了基于台架试验和三维CFD (Co m pu tational F l u id Dyna m ics ,计算流体力学)数值计算的某款汽车排气系统优化设计过程。

三维CFD 模拟技术在汽车排气系统优化设计中的成功应用,必将为现代汽车零配件的优化设计开辟新的思路和方向。

1　原始方案图1是某款汽车排气系统的结构图,主要包括:排气管、紧耦合催化转化器、二级催化转化器、主消声器和副消声器等部件。

其中,二级催化转化器为椭圆截面载体、主消声器为阻抗结合式消声器,副消声器为阻DOI 牶牨牥牣牨牰牪牫牰牤j 牣cn ki 牣nrjxb 牣牪牥牥牱牣牥牬牣牥牥牨式消声器。

该排气系统最原始状态无紧耦合催化转化器,符合国家欧Ⅱ排放标准。

为应对国家欧Ⅲ排放标准,增加了紧耦合催化转化器。

这种改造方式直接导致了与之匹配的发动机排气背压增大,降低了发动机的动力性和经济性。

为此,提出对该款排气系统进行结构优化以降低其排气背压,并设定最终优化方案的设计排气背压为50kPa。

图1　排气系统结构示意图F i g .1　S chematic s ke tch of the exhaust s ystem2　试验研究为考察现有排气系统的运行状态,并初步判断排气系统中存在的问题,首先进行了发动机台架试验。

图2给出该款排气系统以及几种初步改进方案的背压试验数据。

分析发现,原排气系统的背压最高可达90kPa 左右,远远超出了50kPa 的设计目标。

方案3虽然是几种方案中的最优,但背压仍没有达到50kPa 的设计目标,然而这一测试结果为后面的结构优化提供了一定的指导方向。

图2　最大功率点全油门全负荷发动机背压试验数据F ig .2　T he b en ch te st da ta of th e backp ressure at them ax i m um p o wer and fu ll throttle 按照排气系统主要零部件划分了排气背压贡献图(如图3)。

主要有紧耦合催化转化器、二级催化转化器、主消声器和副消声器,忽略排气管道的影响。

图中p 1、p 2、p 3和p 4分别表示各部分的排气背压。

图3　排气系统背压贡献图F i g .3　The backpress u re con tri bu tion of th e exhaust syste m 主消声器产生的背压为　p 3=20kPa (方案0)(1)副消声器产生的背压为　p 4=12kPa (方案0)(2)图4、图5和式(1)、式(2)表明,紧耦合催化转化器和二级催化转化器产生的背压较大。

这主要由催化器载体形式以及扩张管张角设计不合理造成。

主消声器比副消声器的背压大很多,可考虑重点改进主消声器内部结构以降低此处的排气背压。

图4　紧耦合催化转化器背压F i g .4　Backp ressure of the c lose coup li ng ca tal y ti c converter图5　二级催化转化器背压F i g .5　Backpressure of the t wo stage catalytic conver ter359 2007年7月 谷　芳等:基于CFD 数值模拟的汽车排气系统结构分析 台架试验找到了原排气系统背压产生的主要部位,但对各部位背压产生的主要原因尚不明了,要详细了解排气系统内的气流特性还需借助其它手段。

为此,采用三维CFD 数值模拟对排气系统内的气流特性进行了详细的数值描述。

3　排气系统数值模拟3.1　排气系统网格划分图6为排气系统的网格生成图,模型采用了混合网格。

结构简单的排气管路、催化转化器载体等部分采用结构化的六面体网格,结构复杂的消声器采用非结构化的四面体网格。

这样即能保证计算精度又提高了计算效率。

模型划分网格的数量和大小应以不影响最终计算结果为基本依据,经过多次试算,最终确定网格总数为1654118个。

图6　排气系统网格生成图F ig .6G r i d s formation of t h e exhaust syste m3.2　模型假设 模型假设为:(1)排气系统中的气流为稳态、湍流流动的理想气体;(2)催化转化器中的载体和消声器中的吸声材料按多孔介质处理;(3)催化转化器载体部分无化学反应,且化学反应热按源项处理;(4)排气系统中的气流物理性质均匀一致,物性参数根据废气成分,按混合原则求算。

3.3　计算模型问题计算的控制方程包括:连续方程、动量守恒方程、标准k -ε湍流模型和能量守恒方程[2]。

计算采用有限体积法把计算区域划分为离散的控制体网格,在每个控制体上积分控制方程,形成计算变量的代数方程。

流体运动通用控制方程为(ρΥ)t+div (ρu Υ)=div (ΓΥrad Υ)+S Υ(3)式中:Υ为通用变量;u 为速度矢量;ΓΥ和S Υ分别为广义扩散系数和广义源项;ρ为混合气密度,kg /m 3。

当Υ取不同值时式(3)就可以表达为连续方程、动量守恒方程、湍流模型和能量守恒方程。

上述方程具体形式可参考文献[2]～文献[6]。

3.4　物性参数的选择一般情况下,发动机排出的废气主要由N 2、CO 2、H 2O 以及少量HC 、NO 、CO 、SO 2等气体组成。

排气管中混合气体的物性参数,按照气体混合规则计算。

排气系统进出口温度相差较大,因此,在温度的影响下排气系统不同位置的混合气物性也有较大差别。