[发明专利]一种基于CFD技术分析三元催化转化器的模拟分析方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。