CN104281744A - 发动机催化器的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机催化器的分析方法，包括以下步骤：S11、获取催化器的几何模型；S12、对所述几何模型进行网格划分，形成体网格模型；S13、输入边界条件，设置求解器参数；S14、根据所述边界条件和所述求解器参数计算所述催化器的性能指标；S15、判断所述性能指标是否位于目标范围内，如果否，则对所述催化器进行优化设计。采取上述分析方法后，在催化器的设计阶段即可分析催化器的性能指标是否满足要求，如果不满足，则可对催化器进行优化设计，而非在制造催化器之后再进行试验。因此，本发明提供的分析方法能够缩短催化器的开发周期，同时降低催化器的开发成本。

Description

发动机催化器的分析方法

技术领域

本发明涉及分析方法技术领域，尤其涉及一种发动机催化器的分析方法。

背景技术

随着环境状况不断恶化，我国对汽车排放提出了更严格的要求。为了达到上述要求，排气系统中的催化器必须有较高的转换效率，同时还必须有较好的耐久性和较低的成本。

催化器的入口处的气体分布均匀性对催化器的转化效率有比较重要的影响，均匀的气流分布可以提高催化器的转化效率，而且可以避免局部气流速度过高，从而避免局部热负荷过高。相反，气流分布不均匀时，流速较高的区域的气流经过载体的时间较短，导致转化效率降低；而流速较低的区域的气体流量较小，载体中的催化剂得不到充分利用。局部速度过高会带来较高的热负荷，造成热应力破坏，载体的阻力也会比较大，增加排气背压。而上述缺陷均与催化器的结构设计息息相关。

基于上述内容，传统技术中，当发动机加工并封装完成后，将对发动机进行试验，以此检验催化器工作时其载体入口处的气体分布均匀性是否合适，进而评价催化器的设计是否符合要求。当催化器的载体入口处的气体分布均匀性不符合要求时，就需要重新设计催化器，并再一次进行试验，直至催化器的结构满足要求。显然，此种方式将延长催化器的开发周期，并导致催化器的开发成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种发动机催化器的分析方法，该分析方法能够缩短催化器的开发周期，并降低催化器的开发成本。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种发动机催化器的分析方法，包括以下步骤：

S11、获取催化器的几何模型；

S12、对所述几何模型进行网格划分，形成体网格模型；

S13、输入边界条件，设置求解器参数；

S14、根据所述边界条件和所述求解器参数计算所述催化器的性能指标；

S15、判断所述性能指标是否位于目标范围内，如果否，则对所述催化器进行优化设计。

优选地，在上述分析方法中，所述性能指标包括所述催化器的载体入口处的气体均匀性，以及所述催化器的载体入口与所述催化器的载体出口之间的压力降。

优选地，在上述分析方法中，所述气体均匀性通过速度均匀性系数衡量，所述速度均匀性系数的计算采用下述公式：

$\mathrm{\γ}=1-\frac{\mathrm{\Σ}{A}_i\sqrt{{(u_i-\stackrel{\‾}{u})}^2}}{2A\stackrel{\‾}{u}}$

其中：A_i为所述体网格模型中的体网格的单元面积，其单位为m²；A为所述载体入口的面积，其单位为m²；μ_i为所述体网格的单元气流速度，其单位为m/s；为平均气流速度，其单位为m/s。

优选地，在上述分析方法中，所述步骤S12包括步骤：

将所述几何模型转化为stl格式文件；

将所述stl格式文件导入计算流体动力学软件中，对所述stl格式文件对应的模型进行体网格划分，得到体网格模型。

优选地，在上述分析方法中，所述S12包括步骤：

将所述几何模型导入前处理软件中，对所述几何模型进行面网格划分，形成面网格模型；

将所述面网格模型导入计算流体动力学软件中，对所述面网格模型进行体网格划分，得到体网格模型。

优选地，在上述分析方法中，所述步骤S12之后还包括步骤：

检查所述体网格模型的网格质量，当所述网格质量符合要求时，进入所述步骤S13，否则返回步骤S12。

优选地，在上述分析方法中，所述步骤S14之后还包括步骤：

判断所述性能指标的计算结果是否收敛，如果否，则返回步骤S13。

优选地，在上述分析方法中，所述步骤S12还包括步骤：在所述体网格模型上加密网格，以此在所述体网格模型上形成主网格和次网格，所述主网格和所述次网格的网格尺寸互不相等。

优选地，在上述分析方法中，所述边界条件包括：所述体网格模型的模型入口处的质量流量值和温度值，以及所述体网格模型的模型出口处的压力值和温度值。

优选地，在上述分析方法中，所述求解器参数包括载体目数、载体壁厚、涂层厚度和载体压力降曲线。

在上述技术方案中，本发明提供一种发动机催化器的分析方法，采用该分析方法时，首先获取催化器的几何模型，然后对该几何模型进行网格划分，以此形成体网格模型，接着输入边界条件，并设置求解器参数，根据边界条件和求解器参数即可计算催化器的性能指标，最后判断该性能指标是否位于目标范围内，如果否，则需要对催化器进行优化设计。显然，采取上述分析方法后，在催化器的设计阶段即可分析催化器的性能指标是否满足要求，如果不满足，则可对催化器进行优化设计，而非在制造催化器之后再进行试验。因此，相比于背景技术中所介绍的内容，本发明提供的分析方法能够缩短催化器的开发周期，同时降低催化器的开发成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的分析方法的流程示意图；

图2为一种催化器的几何模型示意图。

附图标记说明：

11-入口管，12-扩张管，13-第一载体，14-第二载体，15-模型出口，16-收缩管。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种发动机催化器的分析方法，该分析方法能够缩短催化器的开发周期，并降低催化器的开发成本。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

如图1所示，本发明实施例提供一种发动机催化器的分析方法，该分析方法包括以下步骤：

S100、获取催化器的几何模型；

该几何模型为催化器的外形模型，如图2所示，催化器包括依次连接的入口管11、扩张管12、第一载体13、第二载体14和收缩管16，入口管11上具有模型入口，收缩管16上具有模型出口15，第一载体13和第二载体14共同组成催化器的载体，第一载体13的入口端为载体入口，第二载体14的出口为载体出口。

S200、对几何模型进行网格划分，形成体网格模型；

对几何模型进行网格划分，实际上是根据有限元分析原理将催化器整体划分成多个较小的规则单元格，以便于分析计算。本步骤最终要得到三维的体网格模型，该体网格模型由多个体网格组成，该体网格可以是正方体结构，还可以是其他结构。另外，进行网格划分后，即可在体网格模型上定义模型入口、模型出口、载体入口等部位。

S300、输入边界条件，设置求解器参数；

边界条件即催化器工作时满足的数量关系，本发明实施例中的边界条件可以包括体网格模型的模型入口处的质量流量值(质量流量值为单位时间内流过模型入口的气体的质量，其单位可为kg/h或者g/s或者其他)和温度值，以及所述体网格模型的模型出口处的压力值和温度值。求解器参数相当于已知物理量，本发明实施例中的求解器参数可以包括载体目数、载体壁厚、涂层厚度和载体压力降曲线，当然，该求解器参数还可以为其他参数。

S400、根据上述边界条件和求解器参数计算催化器的性能指标；

上述性能指标可以仅为催化器的载体入口处的气体均匀性，该气体均匀性的计算可通过多种方式获得，在一种实施例中，催化器的载体入口处的气体均匀性可通过速度均匀性系数衡量，该速度均匀性系数γ的计算公式如下所述：

$\mathrm{\γ}=1-\frac{u^{/}}{2\stackrel{\‾}{u}}=1-\frac{\mathrm{\Σ}{A}_i\sqrt{{(u_i-\stackrel{\‾}{u})}^2}}{2\mathrm{\Σ}{A}_i{u}_i}=1-\frac{\mathrm{\Σ}{A}_i\sqrt{{(u_i-\stackrel{\‾}{u})}^2}}{2A\stackrel{\‾}{u}}$

其中：A_i为体网格模型中的体网格的单元面积(当体网格为正方体时，A_i为体网格的单个面的面积)，其单位为m²；A为载体入口的面积，其单位为m²；μ_i为体网格的单元气流速度，其单位为m/s；为平均气流速度，其单位为m/s。

根据上述的边界条件和求解器参数即可得出上述公式中的A_i、A、μ_i和，进而完成上述计算。

S500、判断上述性能指标是否位于目标范围内，如果是，则进入步骤S610，否则进入步骤S620；

此步骤所述的目标范围是根据催化器的工作要求确定的，例如催化器的载体入口处的速度均匀性系数大于等于0.85时，即表明催化器的结构设计符合要求，而该速度均匀性的值越大，催化器的载体入口处的气体均匀性越好。

S610、分析完成；

如果上述性能指标位于目标范围内，则表示催化器的结构设计已经符合要求，整个分析方法结束，催化器的制造过程即可启动。

S620、对催化器进行优化设计。

当上述性能指标位于目标范围之外时，催化器的结构设计存在缺陷，需要通过进一步的修改进行优化，优化后可重复实施本发明实施例提供的分析方法，直至催化器的性能指标位于目标范围内。

采用上述分析方法后，在催化器的设计阶段即可分析催化器的性能指标是否满足要求，如果不满足，则可对催化器进行优化设计，而非在制造催化器之后再进行试验。因此，相比于背景技术中所介绍的内容，本发明提供的分析方法能够缩短催化器的开发周期，同时降低催化器的开发成本。

进一步的技术方案中，催化器的性能指标可同时包括催化器的载体入口处的气体均匀性，以及催化器的载体入口与催化器的载体出口之间的压力降。通过对上述压力降的评估，可以更全面地分析催化器的结构设计是否符合要求。当载体入口处的气体均匀性和载体入口与载体出口之间的压力降中的一者处于目标范围之外时，即需要对催化器进行优化设计。

在本发明提供的实施例中，前述步骤S200可通过以下两种方式实施：

第一种方式中可包含两步，首先将几何模型转化为stl(STereoLithography)格式文件，然后将该stl格式文件导入计算流体动力学软件中，对该stl格式文件对应的模型进行体网格划分，得到体网格模型。stl格式文件为一种3D模型文件，几何模型转换为此种格式的文件时已经经过面网格划分，因此可直接对stl格式文件对应的模型进行体网格划分，进而得到体网格模型。

第二种方式也包含两步，首先将几何模型导入前处理软件(例如Hypermesh软件)中，对几何模型进行面网格划分，形成面网格模型，再将该面网格模型导入计算流体动力学软件中，对面网格模型进行体网格划分，得到体网格模型。

前述步骤S200之后还包括步骤：检查体网格模型的网格质量，当网格质量符合要求时，进入步骤S300，否则返回步骤S200，对几何模型重新进行网格划分，直至体网格模型的网格质量达到要求。此实施例中的网格质量检查可通过软件本身的功能实现，具体检查划分后的体网格的表面是否存在凹陷等缺陷，即体网格的表面是否由平面组成，使得体网格中不存在负网格，以保证后续计算的正常进行。

更进一步地，步骤S400之后还可包括步骤：判断性能指标的计算结果是否收敛，如果是，则继续，否则返回步骤S13，重新输入边界条件，并设置求解器参数，直至性能指标的计算结构收敛为止。判断性能指标的计算结果是否收敛，可以控制计算结果的准确性，以保证整个分析方法的有效性。实际上，当计算结果不收敛时，导致这一结果的原因也有可能是体网格模型的网格质量不符合要求，但如果提前对网格质量进行检查，则可排除这一可能性。所以，上一实施例对网格质量进行检查后，即可便于计算结果不收敛时的矫正操作。

优选地，前述步骤S200之后，还可包括以下步骤：在体网格模型上加密网格，以此在体网格模型上形成主网格和次网格，主网格和次网格的网格尺寸互不相等。加密网格后，即可在催化器的表面变化比较复杂的区域进行不同的网格划分，使得最终形成的体网格模型更符合催化器的结构特征。具体地，上述主网格的尺寸可以设置为2.5mm，而次网格的尺寸则可为主网格尺寸的2^-n(n＝1，2…)倍。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种发动机催化器的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S11、获取催化器的几何模型；

S12、对所述几何模型进行网格划分，形成体网格模型；

S13、输入边界条件，设置求解器参数；

S14、根据所述边界条件和所述求解器参数计算所述催化器的性能指标；

S15、判断所述性能指标是否位于目标范围内，如果否，则对所述催化器进行优化设计。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述性能指标包括所述催化器的载体入口处的气体均匀性，以及所述催化器的载体入口与所述催化器的载体出口之间的压力降。

3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述气体均匀性通过速度均匀性系数衡量，所述速度均匀性系数的计算采用下述公式：

$\mathrm{\γ}=1-\frac{\mathrm{\Σ}{A}_i\sqrt{{(u_i-\stackrel{\‾}{u})}^2}}{2A\stackrel{\‾}{u}}$

其中：A_i为所述体网格模型中的体网格的单元面积，其单位为m²；A为所述载体入口的面积，其单位为m²；μ_i为所述体网格的单元气流速度，其单位为m/s；为平均气流速度，其单位为m/s。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述步骤S12包括步骤：

将所述几何模型转化为stl格式文件；

将所述stl格式文件导入计算流体动力学软件中，对所述stl格式文件对应的模型进行体网格划分，得到体网格模型。

5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述S12包括步骤：

将所述几何模型导入前处理软件中，对所述几何模型进行面网格划分，形成面网格模型；

将所述面网格模型导入计算流体动力学软件中，对所述面网格模型进行体网格划分，得到体网格模型。

6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述步骤S12之后还包括步骤：

检查所述体网格模型的网格质量，当所述网格质量符合要求时，进入所述步骤S13，否则返回步骤S12。

7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于，所述步骤S14之后还包括步骤：

判断所述性能指标的计算结果是否收敛，如果否，则返回步骤S13。

8.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述步骤S12还包括步骤：在所述体网格模型上加密网格，以此在所述体网格模型上形成主网格和次网格，所述主网格和所述次网格的网格尺寸互不相等。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的分析方法，其特征在于，所述边界条件包括：所述体网格模型的模型入口处的质量流量值和温度值，以及所述体网格模型的模型出口处的压力值和温度值。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的分析方法，其特征在于，所述求解器参数包括载体目数、载体壁厚、涂层厚度和载体压力降曲线。