改善内燃机排放――椭圆衬底气流均匀性的数值优化设计

þþHOS T E D B Y可在www.sciencedirect.com网站上查阅计算设计与工程学报3（2016）198www.elsevier.com/locate/jcde改善内燃机排放的体下椭圆衬底内气流均匀性的数值优化Om Ariara Guhana，b，G.Arthanareeswaranb，n，K.N.Varadarajanc，S.克里希南daHinduja Tech Ltd（A Hinduja Group Company）Guindy，Chennai 32，Indiab印度Tiruchirappalli 620015国家理工学院化学工程系cTech Mahindra Ltd.，电子城，班加罗尔560100，印度dAshok Leyland接收日期：2015年12月7日;接收日期：2016年1月25日;接受日期：2016年2月9日2016年2月16日在线发布摘要椭圆形载体被广泛应用于汽车上，以降低CI发动机柴油氧化催化剂的排放。由于空间和封装的限制，椭圆形基板比圆形基板更好。与圆形衬底相比，在椭圆形衬底中获得湍流均匀性非常具有挑战性。本文利用三维设计工具CATIA V5和三维计算流体力学工具CFX对进气锥进行了优化设计，以获得最佳的气流均匀性首先分析了进气锥长度和排气流质量流量对排气流均匀性和压降的影响然后设计了短直锥和斜锥斜锥的设计有两种方法。第一种方法是沿基板在较短或较长的轴上旋转气流入口平面第二种方法是沿长轴移动气流入口平面。当气流入口平面沿长轴方向偏离几何中心10、20和30 mm时，气流均匀性得到了很大的改善。当入口平面基于30mm的偏移几何形状再次旋转时，在旋转角度为201时观察到显著改善。当基于第二旋转执行第二移位时，光流均匀性是最佳的。本文的工作表明，对于一个椭圆形的基板流，当入口锥的角度通过旋转的基板流入口平面沿基板的轴线&2016 年 CAD/CAM 工 程 师 协 会 。 Elsevier 的 出 版 服 务 。 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：汽车; CFD; CATIA V5;均匀性指数;偏差指数;压降1. 介绍催化转化器更有效地将汽车的有害气体转化为无害气体，这是减少排放的更优化催化裂化装置以满足各国政府不断制定的严格的排放标准对汽车研究人员来说是非常重要的。特别是，气流均匀性、压降和起燃性能是需要考虑的最重要因素[1Zygourakis[8]是最早通过使用有限元素分析来分析单个2D转换器中的气流分布的人之一，该分析解释了气流分布不均和CO起燃。n通讯作者。联系电话：传真：91 431 2503118914312503103。电子邮件地址：arthanaree10@yahoo.com（G. Arthanareeswaran）。Lai等人[9]使用PHOENICS软件对双砖催化转化器进行三维分析他们将CFD结果与LDA获得的实验结果进行了Kwangsup Hwang等人[10]通过使用激光多普勒测速仪和高速湍流可视化研究了CATCON内部的动态湍流分布。Jahn等人[11]将温度纳入整体的3D建模中，并根据实验结果进行验证。Martin等人[12]通过简化的区域分析，报告了气流分布不均对起燃特性的影响。Jeong和Kim[13]报道了预热催化剂在三效催化裂化器的起燃性能中的重要性 在20世纪90年代后期，CFD用于研究冷湍流2D 模拟 [14 ， 15] 。Taylor [16]使用2D模拟研究了单个转化器几何结构的高温性能。Michael Breuer等人[17]采用实验方法优化了催化剂的流动Shi-jin等人[18]使用2D计算流体动力学（CFD）来改变带有分流装置的锥角，http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2016.02.0012288-4300/2016 CAD/CAM工程师协会。&Elsevier的出版服务。这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198199与实验结果进行了对比验证，但一致性并不完美。最近Shi-Jin Shuai et al.[19]和Badami等人[20]使用实验测试和数值模拟来优化系统。CFD分析已通过实验测试进行了评估蜂窝结构的性能总是与气流的均匀性成正比。均匀的气流延长了CATCON的使用寿命，提高了DOC的性能JuliaWindmann等人[21]报道了气流均匀性对发动机起燃行为的影响Chakravarthy等人[22]使用具有温度和反应的2D代数湍 流模 型 对 单个 转 化器 几 何形 状 进行 建 模， 并 使用Holmgren等人的实验验证结果。[23]，他们使用具有Voltz[24]模型的代表性通道方法进行CO和C3H6氧化，不包括洗涂层扩散。Windmann等人[25] Campbell et al. [26]证明了三路转换器的起燃中的气流分布的影响在2000年代期间，发表了许多使用全局动力学的反应的论文，而不包括洗涂层扩散。真实的反应化学[27- 29]包含是一个主要的挑战，面临的模拟。Tsinoglou等人[30]包括能量和质量平衡方程与冷气流模拟，并研究了催化转化器中的瞬态气流分布。CATCON基板内的流动均匀性不仅取决于排气歧管[31]、入口和出口锥体设计，还取决于基板尺寸和配置。对于不同的催化转化器，没有恒定的最佳锥设计，但入口锥的最佳化提供了更好的气流均匀性。如今，CFD能够更准确地预测复杂流程中的结果，并发展成为流程优化的主要工具[32]Guojiang和Song[33]使用CFX软件并对单个转换器进行建模。他们研究了气流分布及其在点火性能中的重要性。Shuai和Wang[34]使用Voltz模型动力学和模拟温度场。Lun等人[35]第三十五话CFD软件，并在具有不同壁厚的恒定细胞密度的基底上使用Voltz[24][23]第10段。在本工作中，计算机数值模拟已经完成了一个椭圆形基板与不同的入口锥设计。报告了以下领域的分析：进气质量流量对气流均匀性指数的影响进气锥长度对气流均匀性指数锥角（沿短轴）对雷诺均匀指数锥角（沿长轴）对湍流均匀指数通过以下方法开发设计变体● 通过沿短轴旋转或移动● 通过沿长轴旋转和移动最后比较了计算流体力学结果，并针对该特定CATCON系统提出了最佳气流均匀性的入口锥设计。图二.椭圆形基板的前表面及其长轴和短轴方向。图1.一、（a）椭圆形催化转化器的下部主体的3D视图（b）椭圆形催化转化器的示意图●●●●200C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）19822图三.基板前表面下游10 mm处横截面上的速度分布（（a）速度分布质量流速为170 kg/h，（b）速度分布质量流速为210 kg/h）和速度偏差（（c）速度偏差质量流速为170 kg/h，（d）速度偏差质量流速为210 kg/h）2. 方法2.1. 设计采用CATIA V5 3D软件进行设计。参数化建模方法用于修改催化转化器。基本草图已被完全约束以控制自由度已经开发了各种设计模型，并且这些模型已经与装配相关联。这款3D软件帮助我们在更改设计时节省更新模型的时间。图1a示出了通过使用CATIAV5软件设计的体下椭圆形催化转化器的3D视图。 图图1b示出了具有入口锥和出口锥的体下椭圆形基底催化转化器的示意图。2.2. 数值方法在目前的工作中，ANSYS CFX软件被用来进行三维CFD模拟。本文采用标准k基质被视为多孔介质[8]。假设在基底内部存在充分发展的层流[36]。基材上的压降是根据每平方英寸的单元数来确定的，壁厚和涂层厚度如下：ΔP横向1/4ae10μu，最大值为3。1ρu2μm2μ mΔP轴向 1/2ae2μu 1ρu21见图4。 (a)流量均匀性和平均速度偏差与进口质量的关系低利率。（b）压降与入口质量流速的关系。C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198201根据文献报道，在横向方向上使用比实际大1000倍的系数，以确保基板内部没有横向流动在这项研究中，压力、基底单元结构、壁和洗涂层厚度在整个分析过程中保持相同，以进行明确的比较。CAD几何图形直接加载到ICEM CFD软件中，用于网格化。导入ICEMCFD后，流体域已被提取。在CAT-CON非结构流体域中生成四面体非结构网格.在CATCON入口和出口锥壁上使用棱镜层，以准确捕获边界层效应，并仔细控制网格尺寸。在关键区域建立非常精细的网格，例如在锥壁附近和基底的前后，以消除其对结果的影响。在基底内部，使用图五、不同情况下的速度分布比较：（a）80 mm（基线情况）锥体的速度分布;（b）85 mm锥体的速度分布(c)90 mm锥体的速度分布;（d）95 mm锥体的速度分布和（e）100 mm锥体的速度分布。表1发动机规格。SL. 号参数值1气缸数量32中风43类型的冷却液体冷却4点火压缩点火5燃料高速柴油6孔82毫米7中风95毫米8压缩比16.8：19注射压力1400巴10速度3300 rpm11制动功率40.8千瓦12扭矩160 N m13空燃比二十三点零一分202C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198见图6。在以下情况之间的速度偏差的比较：（a）80 mm（基线情况）锥体的速度偏差;（b）85 mm锥体的速度偏差;（c）90 mm锥体的速度偏差;（d）在基板前表面下游10 mm的横截面平面中的95 mm锥体的速度偏差和100 mm锥体的速度偏差。见图7。流量均匀性和平均速度偏差与进口锥长度的关系。图8.第八条。通过直入口锥体的压降与锥体长度。在朝向基底边界壁的径向方向上以及在朝向基底的前表面和后表面的纵向方向上。ANSYS CFX软件用于前处理、求解和后处理。流动均匀性指数，广泛应用于汽车行业，用于解释气流分布C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198203¼ZU平均值@一从平均速度，它被解释为DevjU-UavgjU平均值ð5Þ零偏差指标表明局部速度大小与平均速度大小相同。我们知道，在衬底内部，速度方向是不变的这意味着本地的平均带宽与平均带宽是完全一致的。实际上，在对流均匀性指数相差不大的情况下，局部偏差指数比对流均匀性指数更能反映局部对流分布平均偏差指数也被定义为解释基板内的微流均匀性的整体行为，如下所示：D¼0BZjU-UavgjdA1CAð6ÞAo根据定义，偏差指数与气流均匀度成反比。在本工作中，在距离平行的基板前表面10 mm的基板的内侧横截面上计算气流均匀性指数和速度偏差指数（平均值）。由于“无侧向流”假设在多孔介质内非常有效，因此轴向速度大小和总体速度大小将与Zhang等人[37]报告的相同。图9.第九条。第一组角锥的构造表2流量均匀性和偏差指数与进口锥角的关系锥角（deg）0 15 25 35 45均匀度指数（%）93.7 94.1 94.2 94.4 94.5偏离指数（%）12.4 12.2 11.5 11.3 10.9压力降（Pa）2450 2502 2556 2709 3112在基板的前面，定义如下：2.3. 椭圆形衬底本文对康宁公司开发的椭圆形车身底板进行了CFD分析。 二、垂直方向被认为是短轴，水平方向被认为是长轴。为了获得更好的均匀性指标，进气锥设计优化是本工作的主要重点3. 数值结果γ1： 0-ZAoA=.2UavgA3.1. 进口质量流速的影响我们将基线几何形状定义为42 mm直径的进气管和80 mm的锥长，排气温度式中，n= j[ j-Uavgj;Uavgn =U dA=Aon4A]Ao参考上述定义，如果衬底内部的横截面上的局部速度是均匀的，则均匀性指数可以高达1.0，这表示局部速度的大小和方向在整个横截面上是相同的。较高的均匀性指数表示更均匀的气流。均匀性指数最高可达0.98，但在高速度幅值时可能出现小的局部速度分布，因为它是非常小的区域，所以对湍流均匀性指数没有显著影响在这种情况下，我们应该考虑速度偏差指数，它代表了当地的对流速度偏差5461 C作为入口温度。详细分析了在170-210 kg/h范围内，每隔5步采用5种不同的质量流速。根据局部气体温度和压力分布计算气体密度和粘度。速度分布在基板的前面进行了比较，如图所示。最低和最高进口质量流速的两种极端情况之间的关系。由于质量流率的差异较大，反映相对速度分布的速度幅值如图3a所示，在非常低的质量流速下，流动均匀性要好得多。如图3b所示，在高质量湍流速率下，湍流分布变得高度局部化。ο204C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198ðÞ见图10。对于（a）基线情况;（b）151锥角;（c）251锥角;（d）351锥角;和（e）451锥角，在基底前表面下游10 mm处的横截面平面上的速度分布。图3c和d显示了最低和最高质量流速之间局部速度偏差的比较。当横截面上的蓝色区域的面积较大时，流动均匀性变得更好在最低质量流速的情况下观察到一个更大的蓝色区域，但在最高入口质量流速的情况下只能观察到一个狭窄的条带，如Zhang等人所[37]第37段。流动均匀性指数和速度偏差指数与进口质量流速的关系如图4a所示。带有矩形标记的蓝线表示与左侧垂直轴成比例的气流均匀性指数。带有三角形标记的红线表示平均速度偏差指数，其与右侧的垂直轴成比例。当入口质量流速从170 kg/h增加到210 kg/h时，均匀性指数线性减小，速度偏差指数线性增大。当质量流量增大时，流动均匀性指数降低近10从170 kg/h增加到210 kg/h，超过210 kg/h的质量流速，变化率降低。图4b绘制了通过入口锥体的压降Δp。压降随入口质量流速的增加而呈指数增加，可定义为：Δp¼1327： 1~m1： 9622式中，m为入口质量流速。结果表明，进口质量流速对气流均匀性指数有显著影响。随着进口质量流量的增大参照Zhang et al.[37]，气流分布应始终在峰值入口质量气流速率下进行分析，以便进行设计优化，因为峰值入口质量气流速率产生最低的均匀性指数。C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198205见图11。对于（a）基线情况;（b）151锥角;（c）251锥角;(d)351例;（e）451锥角。3.2. 进口锥长度的影响分析了进口锥长度对旋流均匀性指数、速度偏差指数和压降的影响。除了基线几何形状外，还设计了四个直锥体，并通过将气流入口平面远离或朝向基底前表面移动来进行分析 锥长度为80、85、90、95和100 mm，进气温度保持与先前相同，排气质量流量固定在180 kg/h，这是该特定3缸发动机的典型峰值质量流量。发动机规格说明见表1。图1中绘出了衬底前面的速度分布。 五种不同的锥体（80、85、90、95和100 mm）设计。为了便于分析，对于所有不同锥长横截面，速度幅值的尺度是相同的，并且这些尺度都是示于图 五、观察到的差异不大，除了当锥体长度从80 mm增加到100 mm时，低速区域（两端）的颜色从黄色变为橙色。这是因为更多的气体流向这些区域。 通过局部速度偏差可以更好地观察流量分布，如图所示。 六、速度偏差能更好地反映气流分布。如图所示，在长度小于90 mm的较短锥体中，在基底的中心处发现高速度偏差区（速度幅度高出50%以上），而在100 mm锥体中仅高出据观察，在两端的低速区的速度偏差流动均匀性和速度偏差指数与进口锥长度的关系如图所示。7.第一次会议。带矩形标记的蓝线表示均匀度指数，带三角形标记的红线表示均匀度指数206C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198见图12。(a)流动均匀性指数和速度偏差指数与锥角的关系。（b）入口锥压降与锥角的关系。平均速度偏差第一和第二垂直轴分别对应于湍流均匀性指数和平均流速偏差指数均匀性指数随锥长的增加而增加，而平均速度指数随锥长的增加而减小。 对于较短的锥体（小于85 mm），均匀性指数保持低至0.937，平均速度偏差接近24%。当锥长从85 mm增加到90 mm时，流动均匀性指数从0.939增加到0.943，增加了0.6%以上。然而，当锥体长度从80 mm增加到100 mm时，总体改善约为2%。与具有较小纵横比的几何形状（例如圆形基板）相比，这并不重要。图8绘制了入口锥压降与锥长度的关系。通过入口锥体的压降随着锥体长度的增加而急剧减小当锥体长度从80mm增加到100 mm时，观察到压降减少20%以上。当锥体长度从80 mm增加到85 mm时，总减少量的一半以上。85mm是压力降的锥体长度阈值对于这种特殊的椭圆形基底，虽然增加入口锥长度不是改善气流均匀性的有效方法，但它仍然可以被认为是降低压降的有效方法。图十三. 角形入口锥的构造。如果锥体长度足够长，则总是可以实现0.99的均匀性指数。在实践中，由于包装的限制，催化转化器锥长度必须非常短。根据目前的分析，增加入口锥的长度并不是改善基材前气流分布的最佳方法。参考Zhang等人[37]进行的分析，必须构建成角度的圆锥体以在椭圆形衬底前面C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198207图十四岁（a）基线几何形状;（b）151锥角;（c）251锥角;和（d）351锥角的局部速度偏差的比较3.3. 短轴进气锥角的影响图15. (a)斜锥几何体间气流均匀性和速度偏差指数的比较。(b)不同斜锥几何形状的压降比较。如前方法所述，在椭圆形基体下，增加入口锥体长度不会提高均匀性指数因此，我们专注于角锥结构，以提高均匀性指数。我们可以用许多角度来构造圆锥体重要的是要做好所有的分析。基于早期的方法，我们将分析限制在不同角度入口锥的均匀性指数和压力降。 如前所述，锥角可通过气流入口平面相对于较短轴的旋转形成，较长轴作为旋转轴。CFD输入与之前的分析相同角锥结构的解释图。9 .第九条。如图9所示，基板的几何中心定位为旋转的参考点旋转轴是X，它指向页面的方向为了进行第一次分析，入口锥体旋转了151。然后，为了进行连续分析，每次将入口平面旋转101，以生成新的成角圆锥。最大角度为451，数值模拟了4个成角（151、251、351和451）锥体，结果列于表2中。如表2所示，当入口锥角从0.1到1.5时，总的气流均匀性指数改善约为1%。451. 在前15 1角中可以观察到近50%的改善当入口锥体成角度时，基质前部的气流分布发生变化，如图10 a-f所示。局部集中速度较高的红色区域被稀释和分散208C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198图16. 通过移位的斜锥结构的几何图解。朝向衬底的一侧。在基底的另一侧形成两个速度幅值较低的区域，如图10 f中的绿色所示。由于这些相反的影响，气流均匀性指数没有显著改善。局部速度偏差已在图11中绘出。可以注意到，随着入口锥角从01增加到451，位于中心的较高速度区域消失。两个蓝色条带向基底两端扩展，并且随着锥角的增大而变大。这对低流量分配是有利的。当锥角增大到大于351时，两个较小的速度大小的红色区域变得明显。图12显示了气流均匀性和偏差指数，以及入口锥压降与入口锥角的关系。蓝线和红线分别代表气流均匀性指数和偏差指数。当锥角从01增加到151时，增强效果最大，而从151增加到251时，增强效果不明显。在251 ~ 451范围内，旋流均匀性指数随锥角的增大而线性增大.当入口锥角从01增大到351时，没有发现附加压降。当入口锥角从351增大到10 0 0时，压降急剧增大451.结果表明，当入口锥沿短轴旋转时，3513.4. 进口锥角沿长轴方向的影响短轴斜锥效应的计算流体力学结果表明，沿短轴斜锥可获得最大的气流均匀性指数，约为0.945。当考虑转炉前歧管的单个流道和短出口锥体时，实际均匀性指数可能低得多，甚至小于0.94。为了进一步分析，新的斜锥是通过沿图1所示的长轴旋转旋流入口平面而构造的。13岁从基线几何形状开始，锥体以这样一种方式构造，即具有85 mm锥体长度的直对称锥体，气流入口平面沿着指向纸内的Y轴从垂直方向（Z轴）朝向水平方向（X轴）旋转.旋转参考点位于基板前表面的中心。对于我们的分析，三个新的圆锥已建成的旋转角为101，201和301。局部速度偏差的比较如图14所示，图14给出了局部湍流分布的更清晰的图像。对于基线几何形状，两个狭窄的蓝色区域被中心的高速区和两侧的低速区包围。当锥角增加到101时，蓝色区域在一侧展开，红色区域的面积缩小。这对气流的均匀性是有利的。在衬底前表面的另一侧上观察到局部速度与平均值的更高偏差;这将降低整体的湍流均匀性。当锥角从101进一步增加到301时，这种趋势会被夸大，C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198209图十七岁几何形状之间的局部速度偏差比较：（a）基线-35;（b）基线-35-10图18.不同移动锥几何形状间的湍流均匀性和平均速度偏差指数的比较如图14 b-d所示。由于相反的影响，气流分布几乎没有得到改善，如图15 a所示，图中气流均匀性指数与入口锥角的关系曲线。对于小角度，流动均匀性指数随角度的增大而减小。通过入口锥体的压降如图所示。 15 b. 不同的锥角之间没有太大的差异由于气流入口平面的面积远小于基底前表面的面积，因此由于气流入口平面的旋转，大部分的气流被扫向基底的一侧，而少量的气流被扫向另一侧。为了增加扫掠面积，需要将成角度的锥体移位到基板前表面的另一侧。为了进一步分析，基于将被称为基线-35的35 °角入口锥体，通过将35 °角锥体沿着X轴移回到基板的另一端来构建三个更多的角锥体，如图1所示。 十六岁计算流体动力学结果如图16所示。当尾流入口平面从基线-35偏移10 mm时，大量的尾流扫掠到更大的区域，并且低速区域收缩。在低速区，速度偏差较小。这在图17a和b中示出。由于气流入口平面从10 mm进一步移动到20 mm和30 mm，基底一侧的低速区消失，并被更均匀的气流所取代，如图17d所示，该气流由靠近边缘的蓝色条带表示。在基板前表面的另一侧上的较大区域上的均匀性劣化，并且大的蓝色区域收缩为窄条。当入口气流平面从10mm移动到30 mm时，红区的局部速度变高。图18解释了相对于基线偏移的湍流均匀性和平均速度偏差指数。对于前10 mm的移位，观察到较大的改善。均匀性指数从0.937提高到0.952，提高了1.5%以上.在10 mm以上，压降几乎没有改善，第一次压降从2460 Pa降到2400Pa210C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198图19.通过附加旋转的角锥体结构的几何图示。对于其他锥形几何形状的其余部分，注意到移动10-30 mm时，气流均匀性指标改善不大.带有30mm偏移的斜锥几何形状被认为是通过进一步的入口气流平面旋转进行进一步优化的良好起点。 这种特殊的入口锥几何形状将被称为基线-35-30：对于以下讨论，第一个“35”表示35 1旋转，图20. 新斜锥结构的几何图解。第二个 基于基线-35-30几何学，通过沿着Y轴再旋转10度来构造新的成角度的圆锥体，其中参考点在基板前表面的中心，如图1B所示。 十九岁气流均匀性指数和速度偏差指数没有明显改善。在均匀性指数和速度偏差指数方面都没有发现很大的改善。均匀性指数从0.937略微增加到0.953，平均偏差指数从0.124略微降低到0.953。0.102.基于基线-35-30几何形状，设计了一组新的成角圆锥用于分析。旋转轴线和方向与之前相同，然而参考点从基底前表面的中心改变到基线35-30入口平面的圆周上的边缘点，其中发现圆周和基底前表面之间的距离最近，如图10所示。20.对三种新的进气锥几何形状（101、201和301角）进行了CFD模拟。绘制并比较C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198211图21岁几何形状之间的速度分布比较：（a）基线-35-30;（b）基线-35-30-10;（c）基线-35-30-20和（d）基线-35-30-30。图22岁几何形状之间的局部速度偏差比较：（a）基线-35-30;（b）基线-35-30-10;（c）基线-35-30-20和（d）基线-35-30-30。如图21所示。因为角度从基线情况增加到101和201，所以更多的液体从红点扫掠到基板前表面的另一端。在衬底的前部观察到更均匀的湍流这图21 a-c中示出了这种效果。速度偏差如图21当锥角从0 1增加到10 1时，蓝色区域大大扩大，201. 高速斑点的颜色被稀释和改变212C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198图25.直锥椭圆形载体催化剂的CFD压降与发动机台架表3CFD结果与试验台数据的压降比较图23. (a)不同圆锥形导流罩SL.从CFD获得的压降结果（Pa）从发动机试验台获得的压力结果（Pa）转速（rpm）努力过（b）各种斜锥几何形状之间的压降比较1 3526 3314.4 3300图24.不同进口质量流量下的气流均匀性指数和压降比较。从红色（48%局部偏差）到浅蓝色（16%）。可以清楚地看到，当角度进一步增加到30 1时，由于存在更高的速度幅度，表面的主要部分上的蓝色变为浅蓝色（图1）。22）。流动均匀性指数已显著改善，如图所示。 23 a. 当倾角增加到201时，流动均匀性指数从0.953增加到0.967.平均速度偏差指数从0.102减小到0.085。当倾角从201增加到301时，流动均匀性指数从0.967减小到0.964，平均偏差指数从0.085增加到0.092。另一个重要的观察结果是，令人惊讶的是，当角度增加到201时，通过入口锥体的压降显著降低，实际上从2450 Pa降低到2375 Pa。这是一个非常重要的改进，如图所示。23 b.3.5.进口质量流速对均匀性指数和压降压降分析是汽车催化裂化应用的关键。为了分析压力降和均匀性指数随入口质量流速变化的变化，对从170 kg/h到210 kg/h的5个增量步骤均匀性指数随质量流速的增大而减小。压力降随进口质量流速的增大而增大。分析结果给出了最佳的进口气流条件，以获得更好的压降和均匀性指标。入口质量流量对均匀性指数和压降的影响如图24所示。在很低的质量流速下，流动均匀性要好得多。4. 实验验证将计算结果与已有的直锥压降实验数据进行了对比，验证了计算结果的准确性。将计算得到的直锥（底锥）椭圆载体催化转化器的压降与发动机台架压降数据进行了对比。发动机试验台数据已在3300 rpm和210 kg/h进气质量流速下测量。计算流体动力学结果得到的压降为3526Pa。发动机C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198213--试验台实验压降值为3314.4Pa。图图25示出了通过CFD获得的压降与在发动机试验台中测量的压降之间的比较。误差率为6%。直锥形椭圆形基底的压降的CFD和试验台结果的比较列于表3中。5. 结论为了优化进气锥的设计，系统地进行了计算流体力学模拟，以优化在稳态下执行的计算流体动力学结果，以显示气流分布对入口质量气流速率的依赖性。高的质量流率导致低的流均匀性指数。对进口锥长度的研究表明，只有当进口锥长度从80 mm增加到85 mm时，才有显著的提高。从基线几何形状开始，一个短而直的锥，一个涉及几组旋转的过程，并对下游进口平面进行移位，以设计各种角度的进口锥。在不考虑出口锥体和分流板流道的情况下，基本几何结构的流动均匀性指数低于0.93（o93%），平均速度偏差超过24%通过旋转和移动气流入口平面优化倾斜入口锥的CFD结果可总结如下：沿短轴初始旋转气流入口平面形成的成角锥体的CFD结果表明，沿基底短轴旋转形成的成角锥体没有显著增强（o对于小于351的锥角，压降也没有显著改善。通过沿长轴初始旋转气流入口平面而形成的斜锥的CFD结果当最后一个斜锥的进口平面沿长轴移动10 mm时，可获得2.0%以上的增强效果当进气锥基于最后一次移动的几何形状和新的参考点再次旋转时，观察到气流均匀性指数显著提高（4.5%通过沿长轴进行另一次移位，进一步改善了流动均匀性指数最后，气流均匀性指数可提高到0.975。重要的是要注意，入口锥体中的压降能够从2450 Pa降低到2375 Pa。CFD模拟结果表明，通过旋转和移动气流入口平面，可以优化体下椭圆形基片，以实现基片内部理想的气流分布计算得到的基线直锥下体椭圆底催化器的压降与发动机台架压降实验数据一致。误差率为6%。引用[1] 马丁AC，威尔NS。气流分布对催化转化器排放性能的影响。SAE技术文件编号980936。1998年[2] 放大图片作者：Lanny D. Schmidt模拟甲烷在短接触时间反应器中的部分氧化。AIChE Journal 1998; 44（11）2465-77.[3] Braun J，Hauber T，Többen H，Zacke P.催化转化器转化率的物理和化学参数影响：数值模拟研究。SAE技术文件编号2000-01-0211。2000.[4] 吴国江，谭松。上游气流分布对催化转化器起燃性能影响的CFD模拟。能源转换和管理2001; 46（1314）2010-31。[5] 帅世进，王建新。催化转化器中块体的非稳态温度场。化学工程杂志2004; 100（13）95-107.[6] 张翔，Tennison P.双载体催化转化器流动均匀性和压力损失的数值研究。SAE技术文件编号2008-01-0614。2008年[7] Hayes RE，Fadic A，Mmbaga J，Naja FiA.汽车催化转化器的计算流体动力学建模。今日催化2012; 188（1）94-105。[8] 齐古拉基斯湾整体式催化转化器的瞬态操作：二维反应器模型和径向非均匀气流分布的影响。化学工程科学1989; 44（9）2075-86.[9] 赖文忠，李泰，金贞英，郑春英，李平，崔国。汽车催化转化器内流场的数值与实验表征。 流体与结构杂志1992; 6（4）451-70.[10] 黄K，李K，穆勒J，斯图肯T，肖克HJ，李J-C。用激光多普勒测速仪和高速湍流显示法研究催化转化器中的动态湍流。SAE技术文件编号950786。一九九五年[11] Jahn R，Snita D，Kubicek M，Marek M.整体式反应器的三维建模。今日催化1997; 38（1）39-46.[12] Martin A，Will N，Bordet A，Cornet P.气流分布对催化转化器排放性能的影响。SAE技术文件编号980936。1998年[13] 郑S，金W.汽车催化转化器瞬态传热和转化特性的数值研究。SAE技术文件编号980881。1998年[14] Heibel A，Spaid MAA。一种新的转换器概念，提供改进的气流分布和空间利用率。SAE技术文件编号1999-01- 0768。1999年[15] 作者：Benjamin F.汽车排气催化剂系统用陶瓷成型基材的流动性能研究。SAE技术文件编号993624。1999年[16] 泰勒W。催化转化器高温热行为的CFD预测和实验验证。SAE技术文件编号1999-01-0454。1999年[17] 张文辉，张文辉，张文辉.优化催化剂气流均匀性的实验方法。SAE技术文件编号2000-01- 0865。两千[18] 孙世进，王建新，任军，王俊瑞.不同配置车用催化转化器流动特性的研究SAE技术文件编号2000-01-0208。两千[19] 帅胜军，王继新，董庆林，庄丕瑞。汽车催化转化器内气流的测量与数值模拟。SAE技术文件编号2001-01-3494。2001年[20] 杨文龙，李晓梅，陈晓梅.密耦式催化转化器入口气流分布的CFD分析与实验SAE技术文件编号2003-01-3072。2003年。[21] Windmann J ， Braun J ， Zacke P ， Tischer S ， Deutschmann O ，Warnatz J.入口气流分布对三元催化转化器起燃行为的影响。SAE技术文件编号2003-01-0937。2003年。[22] Chakravarthy VK，Conklin JC，Daw CS，D'Azevedo EF.在稳态气流条件下催化转化器冷启动瞬态的多维模拟。应用催化A-概述2003;241（1）289-306。●●●●●214C.P. Om Ariara Guhan et al./Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）198--[23] 放大图片作者：A.改进汽车单片转换器中的电流分布。反应动力学和催化快报1997; 60（2）363-71.[24] Voltz SE，Morgan CR，Liederman D，Jacob SM.碳的动力学研究一氧化碳和丙烯在铂催化剂上的氧化。工业和工程化学产品研究与开发1973; 12（4）294-301。[25] Windmann J，Braun J，Zacke P，Chatterjee D，Deutschmann O，WarnatzJ.入口气流分布对三元催化转化器起燃行为的影响。SAE技术文件编号2003-01-0937。2003年。[26] Campbell B，Finch A，Tancell P，Hitchings A.催化剂入口的影响锥流不均匀分布对密耦式催化转化器排放性能的影响。SAE技术文件编号2004-01-1489。2004年[27] MazumderS，Sengupta D.亚网格尺度非均匀介质模拟化学反应和运输。燃烧和火焰2002;131（1）85[28] 马祖姆德参与介质中辐射与其它传热方式耦合的一种新的数值方法。传热学杂志2005; 127（9）1037-45.[29] Kumar A，Mazumder S. 全尺寸单片集成电路的模拟催化转化器具有复杂的非均相化学性质。 计算机&化学工程2010;34（2）13