孫魯青

（濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東濱州256600）

歧管式催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析

孫魯青

（濱州學(xué)院機(jī)電工程系，山東濱州256600）

以某歧管式催化轉(zhuǎn)化器為例，總結(jié)了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，利用CFD分析評價(jià)了內(nèi)部速度流線、壓力損失和載體端面氣流均勻性等關(guān)鍵指標(biāo)；在流場分布滿足條件的情況下，通過模態(tài)分析驗(yàn)證了主支架結(jié)構(gòu)的合理性。

歧管式催化轉(zhuǎn)化器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模態(tài)分析

0　引言

隨著國家對汽車排放要求的不斷提高，歧管式催化轉(zhuǎn)化器的位置越來越靠近發(fā)動機(jī)，對其性能的要求也越來越高。

但受歧管式催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)和惡劣工作環(huán)境的限制，完全真實(shí)地了解其流場和振動特性十分困難。因此，借助CAE手段評判流場、背壓、強(qiáng)度等各項(xiàng)性能是較為快捷有效的方法，能夠?yàn)楫a(chǎn)品的前期設(shè)計(jì)開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供較為詳實(shí)的依據(jù)。

1　產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)

以某歧管式催化轉(zhuǎn)化器為例，其原始搭載為前級蚌殼式歧管、后級單催的結(jié)構(gòu)，見圖1。

主要設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）確定前后法蘭位置，并對進(jìn)氣法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增加凸臺密封面，防止漏氣；

（2）確定包體位置，并對進(jìn)、出氣端蓋的形狀、長度及錐度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其能夠起到良好的導(dǎo)流作用，增加氣流與催化劑的接觸面積，減少渦流的產(chǎn)生以降低背壓；

（3）對歧管本體進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要考慮實(shí)車裝配時(shí)是否干涉、焊接裝夾是否合理、實(shí)車耐久性強(qiáng)度及性能是否滿足、各導(dǎo)流腔氣體流動是否均勻流暢；

（4）最后確定氧傳感器接頭位置及隔熱罩、吊掛件位置，同樣須考慮其工藝可行性。

2　CFD分析

2.1建立CFD模型

歧管式催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流場分布非常復(fù)雜，有氣體流動的湍流現(xiàn)象、與外部空氣自然對流和內(nèi)部強(qiáng)迫對流的綜合傳熱現(xiàn)象、管道壓力損失以及催化劑載體的結(jié)構(gòu)特性，因此在建立CFD分析模型時(shí)，需要建立以下子模型。

（1）湍流模型

標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型假定的流場是完全湍流，分子之間的黏性可以忽略，因而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于完全是湍流的流場計(jì)算。文中采用的是k-ξ-f模型，計(jì)算的湍流場更準(zhǔn)確。

（2）傳熱模型

主要考慮催化轉(zhuǎn)化器與外部空氣的自然對流及內(nèi)部的強(qiáng)迫對流，忽略內(nèi)部輻射熱的影響。

（3）壓力損失模型

歧管式催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的壓力損失也分為沿程損失和局部損失，沿程損失均可由Darcy公式計(jì)算：

式中：λ為沿程損失系數(shù)，對于不同管段其值不同；ρ為氣體密度；μ為氣體的動力黏度；l為管道長度；dH為孔道的水力直徑；v為氣體速度。

（4）多孔介質(zhì)模型

由于催化劑載體結(jié)構(gòu)大部分都是蜂窩狀，具有較高的復(fù)雜性，單純利用網(wǎng)格劃分來實(shí)現(xiàn)載體的結(jié)構(gòu)是不可能的，因此需要建立多孔介質(zhì)模型。

2.2邊界條件

給定恒定的進(jìn)口流量0.05 kg/s，出口靜壓（1個(gè)大氣壓），壁面對流換熱。

2.3流場分布云圖

下面對各缸分別進(jìn)氣的穩(wěn)態(tài)流場分布情況進(jìn)行討論，如圖2所示。

從流速流線分布云圖可知：1缸、2缸、4缸進(jìn)氣時(shí)，氣流較為通暢，氣流擾動小，壓力損失較??；3缸進(jìn)氣時(shí)存在一定的串氣現(xiàn)象，但對整體流場分布影響不大。

2.4出口端面流速均勻性分析

CFD分析能夠較為準(zhǔn)確地得到催化轉(zhuǎn)化器的流場分布和壓力損失、載體端面流速均勻性等指標(biāo)，用于評價(jià)流場性能，大大節(jié)省了開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間。文中采用Weltens等人定義的均勻性系數(shù)來建立評價(jià)載體流動分布特性的準(zhǔn)則：

式中：γ為流動均勻性系數(shù)；n為載體管道數(shù)，表示i管道上的速度；vmean表示載體橫截面上的平均速度。

圖3分別給出各缸進(jìn)氣的穩(wěn)態(tài)計(jì)算出口端面的速度分布云圖。

2.5結(jié)果數(shù)據(jù)

各缸進(jìn)氣的總體壓力損失及載體前端面流速均勻性系數(shù)情況如表1所示。

表1　催化轉(zhuǎn)化器各缸進(jìn)氣壓力損失及載體前端面均勻性系數(shù)

3　支架模態(tài)分析

3.1邊界條件

催化轉(zhuǎn)化器主支架對結(jié)構(gòu)模態(tài)影響較大，為防止結(jié)構(gòu)模態(tài)較低而發(fā)生共振，需要進(jìn)行模態(tài)分析得到其固有特性，從而確定主支架結(jié)構(gòu)的合理性及約束設(shè)置的可靠性。有限元模型如圖4所示。

對螺栓連接進(jìn)行全約束，忽略螺紋預(yù)緊力的微小影響，采用Lanczos方法求解得到表2所示的前4階固有頻率和振型。

表2　凈化器隔熱罩前4階振型說明

3.2模態(tài)分析各階振型云圖

催化轉(zhuǎn)化器前4階振型云圖見圖5。

4　結(jié)論

（1）通過對歧管式催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行流場穩(wěn)態(tài)分析可以看出：4個(gè)氣缸分別進(jìn)氣時(shí)氣流通暢，氣流擾動較小，無大的渦流現(xiàn)象；各缸分別進(jìn)氣的壓力損失最大差異率為1.8%，載體前端流速均勻性均在0.8以上，是比較理想的結(jié)構(gòu)。

（2）從結(jié)構(gòu)固有頻率值和振型云圖可知：1階振型為筒體XOZ平面內(nèi)1階彎曲，1階固有頻率658 Hz，遠(yuǎn)大于普通發(fā)動機(jī)的爆發(fā)頻率，說明凈化器隔熱罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，固定約束可靠。

【1】帥石金，王建昕，莊人雋.車用催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)氣體的流動均勻性［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2000，40（5）:99-102.

【2】王曉蘭，王軍，雷蕾.基于CAE仿真的某發(fā)動機(jī)排氣歧管設(shè)計(jì)研究［J］.汽車零部件，2015（2）:26-28.

【3】徐獻(xiàn)陽.車輛排氣系統(tǒng)的振動模態(tài)分析及優(yōu)化［D］.上海:上海交通大學(xué)，2007.

【4】邢素芳，王現(xiàn)榮，王超，等.發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)振動分析［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34（5）:109-111.

【5】孫魯青，賈菲，張一平.基于一維、三維耦合分析的歧管式催化轉(zhuǎn)化器結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.汽車技術(shù)，2012（6）:40-43.

Structure Design and Modal Analysis for Manifold Catalytic Converter

SUN Luqing
（Electromechanical Engineering Department，Binzhou University，Binzhou Shandong 256600，China）

Taking a manifold catalytic converter as sample，the process of its structure design was summarized，some key indexes such as velocity streamline，pressure loss and flow uniformity of carrier section were evaluated through CFD analysis.In case of flow field distribution satisfied condition，the rationality of main support was verified by modal analysis.

Manifold catalytic converter；Structure design；Modal analysis

2015-05-13

濱州學(xué)院科研基金項(xiàng)目（BZXYG1013）

孫魯青（1984—），男，碩士，講師，研究方向?yàn)镃AE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。E-mail:wfldsun@163.com。