翟豪瑞，葛曉宏，陳長秀，熊 新，提 艷

（1.鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，鹽城 224051；2.廈門理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廈門 361024；3.廈門信源環(huán)?？萍加邢薰?，廈門 361021）

0 引言

近幾年國內(nèi)對汽車碳罐的內(nèi)流場分析做出了很多的研究。劉鑫[1]用Fluent軟件，結(jié)合多孔介質(zhì)模型，模擬了某汽車碳罐內(nèi)部流場的流動(dòng)特性。黃遠(yuǎn)清[2]用Fluent流體軟件模擬了碳罐內(nèi)部的通氣阻力。李岳林[3]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算得出碳罐大氣口徑理論上的極限尺寸。陳家慶[4]用Fluent軟件模擬了機(jī)動(dòng)車加油過程中氣液兩相流動(dòng)特性的CFD數(shù)值。

1 ORVR活性碳罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品為某款汽車新開發(fā)的ORVR活性碳罐，碳罐主要由以下部分組成：集液器、OBD檢測口、腔室隔板、擴(kuò)散腔、支撐彈簧、無紡布、吸附口、脫附口和大氣通口等，如圖1所示。

圖1 ORVR活性碳罐的結(jié)構(gòu)

2 Fluent多孔介質(zhì)模型原理

本文采用定向損失模型對ORVR活性碳罐模擬。根據(jù)厄根公式[7,8]可以確定Fluent多孔介質(zhì)中兩個(gè)重要 參數(shù)：

其中Dp為當(dāng)量直徑，1/α為粘性阻力系數(shù)，ε為滲透率，C2為慣性阻力系數(shù)。

設(shè)定碳粉區(qū)域?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)榭諝庥?，不考慮通氣過程中空氣與活性碳、殼體和無紡布之間的熱交換。該碳罐采用的是BAX-1500碳粉，碳粉參數(shù)屬性如表1所示。

表1 BAX-1500碳粉材料屬性

根據(jù)表1碳粉材料的屬性，取孔隙率ε=0.35。將平均直徑DP=2.3mm帶入式(1)和式(2)，得出碳粉的粘性阻力系數(shù)1/α=2.79×108，阻力損失系數(shù)C=23070。

3 CFD仿真分析

3.1 模型前處理

流體域如圖2所示，分為空氣域和多孔介質(zhì)碳粉域兩個(gè)區(qū)域。將吸附口、脫附口和大氣通口分別用T端、P端、A端命名，以方便后續(xù)仿真分析參數(shù)的設(shè)置。

圖2 流體域模型

3.2 參數(shù)設(shè)置

網(wǎng)格劃分完成后，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出網(wǎng)格總數(shù)為517萬多。在Fluent中進(jìn)行仿真設(shè)置。分析得出T端和P端的表面積分別為：

其中v為速度；Q為流量；S為入口面積。

由式(3)可以分別得出不同流量下吸附入口和脫附出口的速度大小。其他具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 不同區(qū)域仿真參數(shù)的設(shè)定

以Navier-Stokes方程作為流動(dòng)控制方程。求解器類型選擇隱式、基于壓力求解器，算法采用SIMPLE計(jì)算法，各種流動(dòng)方程均采用一階迎風(fēng)格式離散。為確保收斂，殘差設(shè)置為0.0001，步數(shù)設(shè)置為1000步[9]。

3.3 吸附分析結(jié)果

從圖3(a)可以看出，燃油蒸汽均勻充滿整個(gè)碳粉區(qū)域，有利于碳粉對燃油蒸汽的充分吸收，提高碳粉利用率。從圖3(b)可以發(fā)現(xiàn)，吸附完成后碳罐內(nèi)部最大的壓降差，即通氣阻抗值為765.9Pa，滿足小于1kPa的法規(guī)要求[5]，且內(nèi)部壓降隨著燃油蒸汽路線呈層層遞減 關(guān)系。

圖3 吸附分析結(jié)果

從圖4中觀察導(dǎo)氣管處流線，燃油蒸汽通過導(dǎo)氣管均勻的、迅速的擴(kuò)散到碳粉區(qū)域。再觀察腔室隔板處很明顯發(fā)現(xiàn)燃油蒸汽有一個(gè)繞流作用，腔室隔板阻斷燃油蒸汽直接排到大氣，而是增加它的路徑，增大（L/D）長徑比[6]，讓碳粉區(qū)域充分的吸收，增加碳粉的利用率。

圖4 導(dǎo)氣孔和腔室隔板處流線圖

3.4 脫附分析結(jié)果

觀察圖5中流線圖，可以發(fā)現(xiàn)燃油蒸汽的擴(kuò)散方向很清晰，整個(gè)區(qū)域的流動(dòng)非常順暢，碳罐內(nèi)部燃油蒸汽脫附的干凈程度可以從流線圖的均勻程度看出，觀察發(fā)現(xiàn)流線圖均勻填滿整個(gè)碳粉區(qū)域，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 碳罐內(nèi)部三維流線圖

從圖6(a)可以看出，碳粉區(qū)域吸附的燃油蒸汽在P端進(jìn)行脫附，脫附速度大小為3.33m/s，與設(shè)定值大小一致。并且觀察油氣速度矢量可以看出脫附得非常干凈，這樣有利于下一次油氣的吸附。從圖6(b)可以看出，脫附壓降差最大值為680.2Pa，P端壓降最大，A端壓降最小，滿足小于1kPa要求，并且壓降分布均勻。

圖6 吸附分析結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真的可靠性，模擬11組不同流量下碳罐內(nèi)部的通氣阻抗值，且進(jìn)行通氣阻抗實(shí)驗(yàn)對比。通氣阻抗試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示。

圖7 通氣阻抗試驗(yàn)測試

將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)對比做成曲線圖，如圖8所示。

圖8 仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論

由于計(jì)算仿真的時(shí)候沒有考慮無紡布產(chǎn)生的通氣阻抗，以及忽略了活性碳顆粒之間的間隙、裝碳量等其他因素，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比仿真數(shù)據(jù)偏大。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。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)誤差控制在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了仿真的可 靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鑫.車輛燃油蒸發(fā)控制技術(shù)及碳罐內(nèi)流場數(shù)值模擬研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011.

[2]黃遠(yuǎn)清,王斐.碳罐內(nèi)通氣阻力的數(shù)值模擬[J].北京汽車,2013，(06):32-35.

[3]李岳林,何興,吳剛,等.車輛活性碳罐三維數(shù)值模擬研究[J].汽車工程學(xué)報(bào),2012,(6):421-430.

[4]陳家慶,張南,王金惠,等.機(jī)動(dòng)車加油過程中氣液兩相流動(dòng)特性的CFD數(shù)值模擬[J].環(huán)境科學(xué),2011,32(12):3710-3716.

[5]HJ /T 390-2007.環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求汽車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)(裝置)[S].

[6]許廣偉.燃油蒸發(fā)控制系統(tǒng)對車輛的影響及故障分析[J].赤子,2014(9):252-252.

[7]Nagarajan G,Kumar S M E,Chowdhury D G R.CFD analysis of air fiters for an off-highway vehicle[J]. SAE Paper,NO.2007-26-048.

[8]Cesareo de La Rosa Siqueira，Martin Poulsen Kessler，F(xiàn)abio Moreira，et al. Three-dimensional numerical analysis of flow inside an automotive air filter[J]. SAE Paper,NO.2006-01-2629.

[9]鄭力銘.ANSYS Fluent 15.0流體計(jì)算從入門到精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.