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汽车催化转化器的数值模拟

王伟  
【摘要】:随着经济的迅速发展,汽车排气污染物逐渐成为了大气污染的主要来源。目前催化转化器是控制汽油车排放污染物的主要措施之一,效果显著、应用广泛。但是由于催化转化器扩张管的作用,载体入口端的气体流速分布会不均匀,进而导致载体周边区域催化剂利用不充分而载体中心区域易老化等问题出现。因此,对催化转化器的载体进行优化具有重要的意义。 基于Rh表面Co-O2详细反应机理模型,本文利用FLUENT软件耦合CHEMKIN化学反应模拟软件建立了二维单通道模型和二维整体式模型,并对所建立模型的有效性进行了验证。结果表明,模拟值与实验值吻合程度很好,证明了本文建立的流动模型和表面反应机理模型的合理性,为催化转化器的设计和优化打下了良好的基础。 在单通道模型中,从微观的角度对发生在其内部的传质、传热和表面反应进行了模拟。研究结果表明起燃首先发生在载体通道的后段,这是因为载体后段的壁面受到了前段壁面化学反应放热的影响;同时对不同孔密度载体的单通道进行了对比分析,模拟结果表明,高孔密度载体传质更迅速,反应面更靠近通道的入口处,即高孔密度载体更有利于起燃。 在整体式模型中,应用已经在单通道模型中验证过的CO-02反应机理,从宏观的角度对影响催化转化器的整体性能参数进行研究。研究发现,虽然高孔密度载体有利于催化器在较低的温度下起燃,但是催化器的压力损失会显著升高,对发动机的动力性和经济性产生不利影响。为了解决这个矛盾,本文研究了一种径向变孔密度载体的优化结构,模拟结果表明,该结构流动分布很好,起燃温度低,同时压降增加不显著,具有一定的实际意义。


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