黃遠清，王 斐

Huang Yuanqing，Wang Fei

（北京汽車研究所有限公司，北京 100079）

碳罐內通氣阻力的數(shù)值模擬

黃遠清，王 斐

Huang Yuanqing，Wang Fei

（北京汽車研究所有限公司，北京 100079）

將碳罐內的活性炭和無紡布定義為多孔介質，通過在三維流體軟件（Fluent）里模擬仿真，得到多組仿真數(shù)據(jù)，然后將其與試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析，驗證了仿真的正確性，并驗證了碳罐的通氣阻力滿足HJ/T390-2007標準。

多孔介質；碳罐；通氣阻力

0 引 言

汽車的多種有害排放物是造成空氣污染的重要污染源，隨著人們環(huán)保意識的日益提高，各種針對汽車排放的法規(guī)相繼出臺，為了控制燃油蒸發(fā)污染物的產(chǎn)生，我國從1995年開始在汽油車上強制安裝燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)。碳罐作為燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)中的關鍵部件，其性能好壞對整個系統(tǒng)起著關鍵作用。目前，國內對碳罐的設計和研究主要以試驗和經(jīng)驗為主，但隨著計算機技術的發(fā)展，多孔介質理論的成熟，利用計算機進行仿真已成為對碳罐設計和研究的重要工具。傳統(tǒng)的試驗方法費時費力，利用計算機仿真能夠很好模擬碳罐內部的流場分布情況，從而降低設計開發(fā)的成本，縮短開發(fā)周期，提高設計和開發(fā)的效率。文中利用多孔介質理論和計算機技術對碳罐的壓降進行深入的探索。

1 多孔介質

通常所說的多孔介質是指多孔固體骨架構成的空隙空間中充滿單相或多相的復合介質，多孔介質具有一個共性高度發(fā)達的孔隙結構和特殊的表面特性，由于活性炭和無紡布的內部結構和表面特性也都符合多孔介質的基本特征，故在進行模擬仿真中將活性炭區(qū)域和無紡布區(qū)域定義為多孔介質結構[1，4]。

1.1 質量守恒方程和動量守恒方程

在多孔介質模型中，質量守恒方程[2]如式（1）

式中，ρg為氣體密度；ε為孔隙率；為速度矢量；Sm為質量源項，表示在單位體積下的質量隨時間的變化率，kg/（m3s）。

在Fluent中，多孔介質是在動量方程中附加了動量損失。多孔介質中的動量守恒方程[2]如式（2）

在Fluent中，對于多孔介質模型，多孔介質的動量方程具有附加的動量源項。源項由兩部分組成，一部分是粘性損失項；另一部分是慣性損失項。

式中，Si為i向（x，y，z）的動量源項，|v|為速度的大小，D和C是規(guī)定的矩陣。對于簡單的均勻多孔介質，D、C轉化為簡單的對角矩陣，源項簡化為

1.2 爾格方程

對于高速流體通過多孔介質時，需要將達西定律進一步擴展，考慮流體過程中的粘性阻力和慣性阻力，得出爾格方程[2]，其中公式如式（5）

式中，μ為動力粘度；vs為表觀速度；ε 為孔隙率；DP為粒子直徑；L為流動方向的長度。對于低速流體通過多孔介質時，可以忽略慣性阻力的影響。

將式（4）、式（5）對照得到粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，分別為

2 仿真的前處理

利用Pro/E對某新型汽車的碳罐的三維模型進行處理，其中忽略彈簧對流體的阻力影響，得到碳罐的三維流體計算域。將流體計算域分成空氣、多孔介質活性炭和多孔介質無紡布3個區(qū)域，以便針對不同的區(qū)域進行網(wǎng)格劃分和不同參數(shù)的設置。碳罐的流體計算域的結構如圖1所示。

將劃分好的三維流體計算域導入Hypermesh中進行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設置，其中網(wǎng)格結構主要采用非結構化的四面體網(wǎng)格，將計算域完全劃分后，網(wǎng)格總數(shù)約為170萬個。碳罐的流體域網(wǎng)格如圖2所示。

將劃分好的網(wǎng)格導入流體仿真軟件Fluent進行仿真設置[3]。將活性炭區(qū)域和無紡布區(qū)域設置為多孔介質區(qū)域，根據(jù)HJ/T390-2007標準，將吸脫附口設置為速度入口，大氣口設置為壓力出口，不考慮通氣過程中空氣與活性炭、殼體和無紡布間的熱交換，壁面設置為固壁條件和絕熱，流體材料設置為標準大氣壓下的空氣。基于壓力求解器，選擇標準K~ε湍流模型，算法采用Simple計算法。

根據(jù)HJ/T390-2007標準設置入口的空氣速率為1.4 m/s，壓力出口的壓力為0 Pa。

該碳罐采用國外某公司生產(chǎn)的活性炭。該活性炭的材料屬性如表1所示。

表1 活性炭材料屬性

將活性炭參數(shù)分別代入式（6）、式（7）中得到

由于無紡布也符合多孔介質的基本特征，將無紡布同樣設置為多孔介質，在仿真中對阻力系數(shù)和孔隙率采用經(jīng)驗值，其中粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)分別為10 000和1 000，孔隙率為0.7[4]。

3 結果分析

3.1 仿真結果

圖3、圖4為經(jīng)過吸脫附口和大氣口的中心軸線的截面，圖3為速度分布矢量云圖，圖4為壓力分布云圖。

從圖3可以看出吸脫附口和大氣口的速度較大，在無紡布和活性炭區(qū)域中速度較小，空氣從吸脫附口進入后在平衡腔中迅速擴散進入無紡布和活性炭區(qū)域，在大氣口時空氣快速聚集從大氣口流出。在吸脫附口的速度約為1.4m/s，在大氣口處的速度約為1.3m/s，與計算的速度一致。

從圖4可以看出壓力分布呈下降趨勢。在吸脫附口處壓力最大，在大氣口處壓力最小，即為1個標準大氣壓。從圖中可以得到吸脫附口和大氣口的壓差為83.7 Pa。

圖5、圖6為分別經(jīng)過吸脫附口、大氣口的中心軸線并與圖3、圖4中截面垂直的截面，兩者均為壓力分布云圖，與圖4壓力分布云圖具有一致性。

根據(jù)仿真結果可以看出，吸脫附口與大氣口的壓差為83.7 Pa，遠小于標準中規(guī)定的980 Pa。

3.2 試驗結果

根據(jù)HJ/T 390-2007標準中通氣阻力的測試，選用6個此類型碳罐，將空氣從吸脫附口流入，從大氣口流出。當達到10 L/min穩(wěn)定流量時，測量吸脫附口和大氣口之間的壓差，并記錄數(shù)據(jù)如表2。

表2 6個不同碳罐的壓差值

從測試的數(shù)據(jù)可以得到6個碳罐的通氣阻力值均遠小于標準中規(guī)定的值。由于仿真中忽略了一些內部阻力因素，如彈簧、內部傳熱、活性炭表觀密度及摩擦損失等，導致仿真中的數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)有細小的差別。但是無論是試驗測試還是軟件仿真，所測得的吸脫附口和大氣口的壓差均滿足HJ/T 390-2007標準的規(guī)定值。

在不同的流量下，分別進行試驗測試與軟件仿真，得到了兩組數(shù)據(jù)，如圖7所示。

隨著流量的不斷增大，吸脫附口和大氣口之間的壓差也隨著增大。當流量較小時，試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的值相差較??；當流量較大時，試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)的值相差較大。

從圖7可以看到仿真數(shù)據(jù)曲線和試驗數(shù)據(jù)的曲線很接近，表示仿真的結果和試驗的結果較為接近。由于仿真中不能考慮活性炭顆粒之間的間隙、裝炭量等其他因素，導致仿真數(shù)據(jù)比試驗數(shù)據(jù)略大，但是足以說明仿真結果的可靠性和正確性。

4 結 論

通過將活性炭和無紡布處理為多孔介質，進行了通氣阻力的仿真，并進行了6組試驗，得到了試驗數(shù)據(jù)。試驗和仿真同時驗證了碳罐的通氣阻力滿足HJ/T 390-2007標準，并將不同流量下的試驗數(shù)據(jù)和仿真結果進行比較，驗證了仿真的正確性，為碳罐結構的進一步優(yōu)化和修改提供了較好的參考。

[1] 童亮.碳基儲氫材料多孔結構中傳輸與吸附的模擬與優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[2] 吳金隨.多孔介質里流動阻力分析[D]．武漢：華中科技大學，2007．

[3] 溫正，石良辰，任毅如，等.FLUENT流體計算應用教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[4] BAI X，ISAAC K M，BANERJEE R，et a1.Multidimensional，Time—Accurate CFD Simulation of Adsorption／Desorption in a Carbon Canister[J]．SAE Paper 2003（NO．011003）．

U464.149.02

A

2013-05-13

1002-4581（2013）06-0032-04