三效催化转化器起燃特性的试验研究与数值模拟

论文摘要

研究发动机冷启动阶段的三效催化转化器起燃特性,对减少汽车尾气污染排放具有重要的实际意义。通过试验对催化转化器起燃特性进行研究是一个比较普遍的方法,但催化转化器的内部流场是十分复杂的,仅仅依靠试验来研究催化转化器起燃特性既费时又费力。随着计算机技术以及计算流体力学(CFD)的快速发展,数值模拟成了进行催化转化器研究的一个有效工具。本文介绍了近年来我国汽车尾气排放控制现状以及三效催化转化器的基本构造,阐述了国内外对催化转化器内部流动数值模拟研究状况。为了更好地改善催化转化器冷启动阶段的起燃特性,本文研究设计了一种三工况模拟法试验方案,通过发动机台架试验,研究了催化转化器的起燃时间特性,并详细分析了催化转化器的起燃特性的影响因素。在大量研习国内外参考文献的基础上,本文在分析催化转化器载体内部发生的传热、传质现象,以及分析催化转化器内部化学反应机理的基础上,运用气体、固体的质量和能量守恒定律,建立了三效催化转化器内的气相能量守恒、质量守恒和固相能量守恒、质量守恒等数学模型以及化学反应模型。运用计算流体力学软件FLUENT对所建立的三效催化转化器载体的模型进行求解,对催化转化器进行了全面的数值模拟,从而得到了催化转化器载体温度场的变化规律、气体组分在孔道内的浓度分布和各种组分的转化效率随时间的变化规律,模拟值与试验值能很好的吻合。验证了所建数学模型的正确性与利用FLUENT软件对催化转化器起燃特性进行数值模拟的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究目的及意义
• 1.2 车用催化转化器综述
• 1.3 催化转化器内部流动数值模拟研究状况
• 1.3.1 无化学反应的流动模拟
• 1.3.2 有反应的流动与传热的数值模拟
• 1.3.3 国内催化转化器流动的研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 计算流体力学及FLUENT 软件简介
• 2.1 计算流体力学基础知识
• 2.1.1 计算流体力学概述
• 2.1.2 计算流体力学的工作步骤
• 2.1.3 计算流体力学的特点
• 2.1.4 计算流体力学的应用领域
• 2.1.5 计算流体力学的分支
• 2.1.6 流体力学控制方程
• 2.2 FLUENT 软件的简介
• 2.2.1 FLUENT 的特点
• 2.2.2 FLUENT 程序求解问题
• 2.3 本章小结
• 第三章 三效催化转化器起燃特性试验研究
• 3.1 催化转化器起燃特性的评价指标
• 3.2 催化转化器起燃特性试验研究
• 3.2.1 发动机台架试验组成及原理
• 3.2.2 试验方法
• 3.2.3 催化转化器起燃时间特性分析
• 3.3 三效催化转化器起燃特性和转化效率的影响因素
• 3.3.1 空速对催化转化器起燃特性的影响
• 3.3.2 排气温度对催化转化器起燃特性的影响
• 3.3.3 催化剂担载模式对冷启动起燃特性的影响
• 3.3.4 扩张管夹角对催化转化器起燃特性的影响
• 3.3.5 载体结构参数对催化转化器起燃特性和转化效率的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 催化转化器数学模型的建立
• 4.1 催化转化器的传热、传质模型
• 4.1.1 一维单孔道内传热、传质数学模型的建立
• 4.1.2 整个载体内传热、传质数学模型的建立
• 4.1.3 数学模型参数符号
• 4.2 催化转化器内化学反应模型的建立
• 4.2.1 三效催化转化器的工作原理
• 4.2.2 催化转化器催化反应动力学模型
• 4.2.3 催化转化器化学反应建模
• 4.3 本章小结
• 第五章 催化转化器起燃过程的数值模拟
• 5.1 计算模型的前处理
• 5.2 数值模拟的边界条件
• 5.2.1 入口边界条件
• 5.2.2 出口边界条件
• 5.2.3 壁面边界条件
• 5.2.4 模拟参数的设定
• 5.3 模型的CFD 数值模拟
• 5.3.1 求解器的选择
• 5.3.2 计算模型的确定
• 5.3.3 组分模型的设置
• 5.3.4 定义材料
• 5.3.5 边界条件设置
• 5.3.6 求解控制参数的设置
• 5.3.7 流场的解的初始化
• 5.4 模拟结果分析
• 5.4.1 组分浓度分布
• 5.4.2 催化转化器载体温度场的变化
• 5.4.3 转化效率随时间的变化
• 5.5 本章小节
• 结论及展望
• 1、主要结论
• 2、论文不足与展望
• 参考文献
• 致谢