（3）CFD不仅可以得到催化 转 换 器 内 部 气 体 流 动特性，还可以对整个排气系统的温度场、气体各成 分浓度场等进行研究。
图9 扩张角为80°的催化器压力分布图
3结论
（1） 气 流 在 扩 张 圆 锥 管 壁 面 附 近 出 现 分 离 产 生 较强的扰动，造成局部流动损失和载体前气流速度 沿径向分布不均匀；入口扩张管结构对催化器的流 动特性有很大影响，扩张角越大，催化器流速分布不 均匀性和压力损失增大。
流动控制方程，即有：
ρu′i u′j =-2μt sij +
2 3
（μt
鄣uk 鄣xk
+ρk）δij
（5）
式中μt为湍流粘性系数，由下式给出
2
μt=
cμ
ρk ε
（6）
式 中 ：k、ε 分 别 为 湍 动 能 和 湍 能 耗 散 率 ， 它 们 的 输 运
控制方程为：
收 稿 日 期 ：2009-07-20 基 金 项 目 ：厦 门 市 科 技 计 划 项 目 （3502Z20073030） 作者简介：许建民(1981- )，男，湖南邵阳人，助教，硕士，主要研究方向为汽车节能与排放控制。
-
1 3
鄣uk 鄣xk
δij ）-ρu′i u′j
（3）
式 中 ： μ 为 分 子 动 力 粘 性 系 数 ； δij 为 Kroneker 数 ；
ρ u′iu′j 为雷诺应力张量；sij是流体变形速率张量 ，由
下式给出
sij=
1 2
（
鄣ui 鄣xj
+
鄣uj 鄣xi
）
（4）
1.2 湍流模型
采 用 标 准 的 k-ε 模 型 计 算 雷 诺 应 力 来 封 闭 上 述
第 11 卷 第 6 期
重庆科技学院学报（自然科学版）
2009 年 12 月
车用催化转换器气流特性分析
许建民 袁志群 任恒山 刘金武 （厦门理工学院，厦门 361024）
摘 要：用CFD软件对三种不同入口扩张管角度的催化转换器的速度场、压力场进行了三维稳态流动数值模拟。 模
拟结果显示，入口扩张管的角度对催化转换器的气流分布有很大影响，采用较小角度的入口扩张管，不仅可减少压
·105·
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
鄣 鄣 鄣
鄣xj
ρμjk- μeff 鄣k σκ 鄣xj
=μtsij 鄣ui -ρε鄣xj
鄣 鄣 2
3
μt 鄣ui +ρk 鄣xi
鄣ui 鄣xi
（7）
鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣 鄣
鄣xj
ρμjε－ μeff 鄣ε σε 鄣xj
ε =cε1
图3 催化器流场的压力等值图 为了研究扩张管角度对催化器流动的影响，对
图1所示结构的催化器，保持其他结构尺寸不变，仅 改变入口扩张角进行数值模拟。 图4、图5、图6分别 为3种不同入口 扩 张 角 （30°、60°和80°）结 构 催 化 器
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
没有质量交换 。 ［1，6，7］
2 计算结果分析
2.1 网格生成 本文研究3种不同入口扩张管角度的催化转换
器 ， 其 圆 锥 扩 张 管 角 度 分 别 为 80° 、60° 和 30° ， 其 三 维 网格如图1所示。
·106·
图1 3种入口扩张管角度的催化转换器三维网格
2.2 不同入口扩张角的催化转换器流场计算分析 因为催化器的轴对称性，仅给出催化器的二维
图4 入口扩张管角度为30°的速度分布及速度矢量场
图5 入口扩张管角度为60°的速度分布及速度矢量场
图6 入口扩张管角度为80°的速度分布及速度矢量场
·107·
许建民，袁志群，任恒山，刘金武：车用催化转换器气流特性分析
图7 扩张角为30°的催化器压力分布图
图8 扩张角为60°的催化器压力分布图
对改善流速分布，减小催化转化器的压力损失有利， 同时还可以延长催化转换器的使用寿命。
力损失，而且可以使其内部速度分布更加均匀。
关键词：CFD； 催化转换器； 入口扩张管角度; 速度场; 压力场
中 图 分 类 号 ：U464
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1673-1980（2009）06-0105-04
随着汽油机电子控制燃油喷射系统的不断完善 和无铅低硫汽油的燃用， 采用三元催化转化器是控 制汽车排放最理想和最重要的措施。 常规结构的催 化转化器在其扩张管段上，由于气流的扩散，导致流 速分布不均匀。 管道中心的流速高，使得气体流动集 中在载体中心区域，从而使该区域的流速过快，温度 过高，而载体边缘气流量小，温度又较低。 这就使得 载体中心区域的催化剂老化加快， 而边缘区域的催 化剂却不能充分发挥作用。 其结果既降低了催化转 化器的转化效率，又缩短了其使用寿命。 另外，由于 温度分布的不均匀，导致载体截面产生热应力，容易 使载体损坏 。 ［1，3］ 因此利用计算机流体动力学（CFD） 软件改进目前的催化转化器结构对于获得较好的流 动均匀性和较低的压力损失， 从而减小对发动机动 力性、经济性的影响，改善催化转化器的转化效率、 加快其起燃、 延长其使用寿命等方面具有重要的理 论意义和实践价值。 在催化转化器流动计算中，常用 的 计 算 软 件 有 STAR -CD, PHOENICS，FLUENT, STAR -CD, CFX, ANSYS等［1，4］。 在本文的研究中将采 用FLUENT软件进行仿真分析。 考察了无化学反应和 热传导的稳定流动问题， 采用数值模拟的方法研究 催化器流场的速度分布特性和压力损失情况。
机,2001,134(4):25-28. [5] 方 瑞 华,苏 清 祖.车 用 催 化 器 载 体 蜂 窝 孔 内 气 流 分 析[J].汽
车 工 程 ,2001,23(2):124-126. [6] 陈 明 华,司 传 胜.基 于CFD 的 车 用 催 化 转 化 器 的 结 构 优 化
设 计 [J].中 国 制 造 业 信 息 化 ,2006,23(17):71-77. [7] 赵继业, 陈觉先. 利用CFD分析催化转化器不同设计因素
1.92
-0.33
1.3 催化转换器载体流动模型
在此，仅对目前最常用有陶瓷蜂窝载体进行模
拟和分析。 蜂窝载体是由许多大小相同的方形管道
组成。 要详细了解这些管内的流动分布，就须对其
进行多维模拟，这种方法的优点是可以精确地模拟
载体内的气流。 但由于载体管道太细、太多，以直径
为100 mm的载体为例，就有约4 870个管道，要对这
以认为是定常不可压层流。 当多孔介质具有很大阻
力时，可以忽略动量方程的对流项和扩散项，这时动
量方程就简化为：
鄣p 鄣xi
=－Kiu
（9）
Ki=αi V +βi
（10）
式中：Ki为渗透率，与当地速度 V 成正比；αi、βi为经
验常数，在气流方向由试验确定，在径向和周向取为
1×105， 即 认 为 气 流 只 沿 轴 向 流 动 ， 在 其 他 两 个 方 向
·108·
（2）对于常规结构的催化转化器，在汽车底盘空 间允许的情况下，建议采用较小的入口扩张管锥角
参考文献 [1] 梁 呈.汽 油 车 催 化 转 化 器 流 场 研 究 与 结 构 优 化 设 计[D].长
沙 ：湖 南 大 学 机 械 与 汽 车 工 程 学 院 ，2003:12-18. [2] 帅石金,王建昕.CFD在车用催化转化器结构优化设计中的
1 流动数学模型
1.1 流动控制方程 对稳定可压多维流动，有以下雷诺平均的质量、
动量恒方程：
鄣 鄣xj
（ρuj）=0
（1）
鄣 鄣xj
（ρuiju－τij）=－
鄣p 鄣xij
+si
（2）
其 中 ：si为 源 项 ，这 里 表 示 催 化 器 载 体 阻 力 ；τij为 应 力 张量，j
流动结果。 图2为催化器圆锥扩张管的局部放大速 度矢量图。 从图中可以清楚地看出，在锥管壁面附 近气流出现了分离，并产生涡流。 涡流一方面造成 气流的局部压力损失，另一方面造成催化器气体流 动分布不均匀，对催化器转化效率和使用寿命带来 不利影响。
图2 催化器入口扩张管的局部放大速度矢量图
图3为催化器流场的压力等值图，从等压图的分 布可以看出，在载体内，气流压力是层层递减的，说 明载体造成了压力损失。
应 用 [J].汽 车 工 程 ，2000,22(2):129-133. [3] 帅 石 金,王 建 昕.斜 扩 张 管 催 化 器 流 场 三 维 数 值 模 拟 和 结
构 优 化 设 计 [J].燃 烧 科 学 与 技 术 ,2001,7(3):298-301. [4] 刘 军.汽 车 排 气 催 化 转 化 装 置 气 流 特 性 分 析 [J].车 用 发 动
的 影 响 [J].小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 ,2001,30(3):23-28.
Gas Flow Features of Automotive Catalytic Converters
XU Jian-min YUAN Zhi-qun REN Heng-shan LIU Jin-wu (Xiamen University of Technology, Xiamen 361024)
么多个细管道生成多维网格进行流动计算，超出了
一般计算机的容量，是不可取的［2］。 事实上，从工程
的角度看，人们更多的是关心载体整体性能及其对
气流的影响。 由于蜂窝载体的管道具有相同的几何
形状，并且管道的直径远小于载体的直径，使得人们
可以把蜂窝载体作为多孔介质，用当量连续法进行
模拟。 由于载体管道尺寸非常小，载体内的气流可