一种基于cfd技术分析三元催化转化器的模拟分析方法
【专利说明】
[0001]
技术领域
[0002] 本发明涉及计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术领域， 具体地，涉及一种基于CFD技术分析三元催化转化器的模拟分析方法。
【背景技术】
[0003] 从发动机释放出来的气体通常含有剧毒，在排向大气前需要净化处理，三元催化 转化器（Three-Way Catalytic Converter，TCC，简称三元催化器或催化器）就是用来降低 排放气体毒性的一个设备。三元催化器内包覆一枚或多枚催化剂载体，称为三元催化体，其 材质为陶瓷材料，内部结构非常复杂，为多孔介质，表面积十分庞大，因涂覆了一层高效活 性催化剂(注：文中"催化体"指涂覆有高效活性催化剂的载体，文中"催化器"指三元催化 器)，可与汽车尾气之间发生最大可能的氧化还原反应，达到净化尾气的目的，但同时也限 制气体的流动，增大了背压。常用的催化体有两种结构：一种是各向同性，一种是单向。
[0004] 目前，国内未见有基于CFD技术优化车用催化转化器的发明专利公开，但在汽车 设计相关企业内部，存在基于CFD技术优化车用催化转化器的现象。但皆涉及使用复杂 的全英文FLUENT或Star CD等软件进行求解，前处理需要一种专门划网络的软件，例如 GAMBIT和后处理又要使用一种专门软件，如Tecplot，这样一来模拟分析流程非常复杂和 繁琐，对工程技术人员的技术背景和英文水平要求极高。而且，这些CFD技术的应用，未涉 及到如何用一种直观简单方便快捷的软件来高效率模拟车用催化转化器，以便优化催化器 外形结构的方法。
[0005] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在操作过程复杂、适用范 围小和可靠性低等缺陷。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于CFD技术分析三元催化转化器 的模拟分析方法，以实现操作过程简单、适用范围广和可靠性高的优点。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于CFD技术分析三元催化转 化器的模拟分析方法，包括： a、 基于待处理的三元催化器，进行CFD前处理； b、 基于CFD前处理的结果，进行CFD求解； c、 基于CFD求解的结果，进行CFD后处理。注：本专利中"催化体"或"三元催化体"指 涂覆有高效活性催化剂的载体，本专利中"催化器"指三元催化器或三元催化转化器。三元 催化体是安装在三元催化器内的一个蜂窝状陶瓷载体，该载体上涂覆了化学催化剂，用以 净化有毒气体。这三元催化体和催化体是同一物，三元催化器、三元催化转化器或催化器是 同一物。催化体因自身材质易脆裂，需要用衬垫和外壳包覆，因此"催化体外壳"专指包覆 在催化体外面的那一层不锈钢外壳。
[0008] 进一步地，所述步骤a，具体包括： (1) 确定模拟催化器的简化模型； (2) 初始设置及边界条件设置； (3) 网格划分。
[0009] 进一步地，所述步骤⑴，进一步包括： 使用SolidWorks软件CAD模块，根据所需对含有三元催化体的整根三元催化器建立三 维结构，并根据求解CFD前处理需要，对三元催化器的三维结构进行简化：1.对表面的小圆 角进行了去除处理、小尖角进行平滑处理；2.对三元催化器内入口和出口进行封闭处理； 3.对原则上没有空气流经的部位进行封闭处理等。进一步地，所述步骤⑵，进一步包括： 使用SolidWorks软件CFD模块Flow Simulation插件，根据所需模拟的实际情况，将 分析类型定义为内部，流体选择为空气(汽车尾气)，还可以定义流经催化器内气体的物理 性质、设置边界条件和流场初始化； 定义求解目标、设置收敛因子。
[0010] 进一步地，所述步骤⑶，进一步包括： 按三元催化器内部结构具体情况划分，将狭小通道、间隙及要观察位置的网格细化，在 整个催化器内空间划分结构化网格。
[0011] 进一步地，所述步骤b，具体包括： 经过相关参数设置后，开始迭代运算，系统会根据当定义的求解目标值的稳定性判断 收敛情况。这里，相关参数设置可以包括：（1)固体区与流体区物性参数均设为常数；（2) 流动为定常流动中的湍流；（3)忽略管内壁的摩擦阻力；（4)忽略流体温度的影响。
[0012] 进一步地，所述步骤c，具体包括： 对结果进行分析，应用后处理观察催化器内空气流动场，以流体在催化器内的速度均 匀性、速度切片云图、压力切片云图、流线轨迹、背压来综合预测催化体的净化效率。
[0013] 本发明各实施例的基于CFD技术分析三元催化转化器的模拟分析方法，由于包 括：基于待处理的三元催化器，进行CFD前处理；基于CFD前处理的结果，进行CFD求解；基 于CFD求解的结果，进行CFD后处理；从而可以克服现有技术中操作过程复杂、适用范围小 和可靠性低的缺陷，以实现操作过程简单、适用范围广和可靠性高的优点。
[0014] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
[0015] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0016] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中： 图1为本发明中三元催化器模型简化；（a)处理前：催化器外部结构模型；（b)处理后： 催化器内部流体模型； 图2为本发明中速度场云图；（a)项目1 :各向同性；（b)项目2 :单向； 图3为本发明中催化体轴向速度切片；（a)项目1 :各向同性；（b)项目2:单向； 图4为本发明中催化体径向速度切片；（a)项目I :各向同性；（i) SI面；（ii)S2面； (iii)S3 面；（b)项目 2 :单向；（i)Sl 面；（ii)S2 面；（iii)S3 面； 图5为本发明中内部流场的流动轨迹；（a)项目1 :各向同性；（b)项目2 :单向。
[0017] 结合附图，本发明实施例中附图标记如下： 1-入口；2-前端锥；3-催化体外壳（内包覆催化体）；4_后端锥；5-氧传感器；6-波纹 管；7-中间管；8-出口；9-隔热衬垫；10-催化体。
【具体实施方式】
[0018] 以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019] 根据本发明实施例，如图1-图5所示，提供了一种基于CFD技术分析三元催化转 化器的模拟分析方法。
[0020] 本发明的技术方案，涉及一种基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD)技术对催化器结构选择的模拟分析方法，尤其针对汽车行业常见的两 种催化体，各向同性及单向催化体，进行选择。需要先对三元催化器进行三维建模，再应用 CFD软件(本发明以SolidWorks Flow Simulation软件为例）对三元催化器内的流体构建 网格，根据实际情况定义气体物理性质、设置初始条件和边界条件，求解后，应用后处理观 察催化器内空气流动场，以流体在催化器内的速度均匀性、速度切片云图、压力切片云图、 流线轨迹、背压来综合预测催化体的净化效率。
[0021] 本发明的技术方案，采用CFD技术模拟催化器内气流情况，预测催化器内净化效 果来判断催化体及催化器总体设计的合理性，利用分析、比较和评价，选出最优方式，可改 善设计，指导现场净化效果的设置，对设计不当的地方提出修改意见。
[0022] 本发明的技术方案，可预测了三元催化器的背压、并可直观地观察到催化体内流 体的分布，可间接反映出催化体对汽车尾气的净化效率，以便于在实际中，对不同排放要求 的车型，选择合适的催化体。
[0023] 本发明的技术方案，仅需要使用一款软件一一So IidWorks，首先使用其CAD模块进 行三维建模，再使用其CFD模块进行前处理(结构简化、网格划分)、求解器计算、后处理(速 度场、压力场及均匀性分析)，操作简单快捷！ 本发明的技术方案，属车用零部件设计领域，也可属于计算机软件分析领域，特别是提 出了一种基于CFD技术分析催化器效果的模拟分析，主要应用于催化体选择、催化器净化 效果预测、催化器结构设计等。
[0024] 本发明的技术方案，采用CFD技术，可预测出催化器内有毒气体轨迹运动，通过 SolidWorks Flow Simulation软件实现有毒气体的浓度场分布情况。
[0025] 本发明的技术方案，基于先进CFD技术对催化器内流场预测和验证，再通过样机 进行实验检测，最终定型，实现了减少物理样机的制作次数和成本，缩短了产品开发的周 期，还提高了产品的综合性能与质量，充分体现了运用CFD技术分析优势，在汽车行业，具 有实用性。
[0026] 具体地，本发明的技术方案，提供了一种基于CFD技术的催化器结构优化模拟分 析方法；采用SolidWorks软