基于流-固耦合的后處理系統熱管理仿真分析

王曉昕 黃凱 楊澤辰 白書戰 趙魁

摘要： 基于流-固耦合仿真方法，采用流體仿真軟件STAR-CCM+建立卡車的整車三維輻射模型，仿真分析高速（車速為60 km/h）和駐車2種工況下后處理系統的流場和溫度場，并開展后處理系統的熱管理。結果表明：由于車速影響，傳熱損失增加，后處理系統的溫度無法滿足工作要求；在后處理系統增加保溫層后，后處理系統固體壁面溫度大幅提升，固體壁面最低溫度在高速工況提高了5883 ℃，駐車工況下提高了5850 ℃；保溫效果隨著保溫層厚度的增加而增加，但保溫效果的提高幅度隨保溫層厚度的增加而減小。

關鍵詞： 流-固耦合；后處理系統；熱管理

中圖分類號：TK421 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0042-08

引用格式： ?王曉昕，黃凱，楊澤辰，等.基于流-固耦合的后處理系統熱管理仿真分析［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：42-49.

WANG Xiaoxin， HUANG Kai， YANG Zechen， et al. Thermal management simulation analysis of aftertreatment system based on fluid-structure coupling［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：42-49.

0 引言

隨著我國排放標準的不斷升級，對柴油機的排放要求越來越嚴格[1-2]。高效后處理系統是汽車發動機滿足國六排放標準的關鍵部件，柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術廣泛應用于柴油機后處理系統[3]，排氣溫度是影響DPF再生和SCR氧化還原效率的關鍵因素，因此需要對后處理系統排氣溫度進行熱管理[4]。許多學者通過研究不同排氣熱管理主動控制策略及其組合方式來提高排氣溫度：唐蛟等[5]利用發動機臺架試驗研究得出進氣節流閥和后噴相結合可以有效提升排氣溫度， 能夠滿足燃油噴射對氧化催化轉化器（diesel oxidation catalyst，DOC）前端溫度的要求；劉光義等[6]在改裝后的WP12型重型柴油機上研究了提高低負荷工況時后處理器溫度的技術，結果表明后噴技術對SCR催化器溫度提升最明顯但油耗損失較大，增大可變幾何截面增壓器開度可以改善油耗的同時提升SCR催化器溫度。除了以上體內排氣熱管理措施，還有增加保溫層等體外熱管理方式[7]：周夢浩等[8]對SCR催化箱布置熱電偶進行測量，研究保溫層對SCR溫度場分布以及對于NO ?x 轉化效率的影響。隨著計算機技術的發展，計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）技術廣泛應用于溫度場分析中：Bendell[9]將測得的排氣管道表面溫度作為邊界條件輸入RadTherm與STAR-CD耦合，分析熱傳導、熱對流及熱輻射對溫度的影響規律；張桃沙等[10]運用STAR-CCM+與Abaqus對發動機排氣歧管進行聯合仿真，得到排氣歧管的溫度場分布；肖國權等[11]建立某轎車的內外流固共軛換熱模型，使用STAR-CCM+模擬發動機艙和排氣系統的溫度分布。

以上CFD仿真主要以排氣管道獨立部件溫度場分析以及通過整車流-固耦合對發動機艙進行熱管理，通過整車內、外流-固耦合進而對后處理系統進行熱管理的研究較少。本文中基于CFD方法建立包括卡車外部流場、后處理系統內部流場、后處理系統管道在內的熱管理模型，使用STAR-CCM+軟件對后處理系統進行內外流-固耦合輻射換熱的穩態模擬計算，采用增加保溫層的體外熱管理措施，對比分析保溫層以及保溫層厚度對高速（車速為60 km/h）和駐車2種工況溫度場分布的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文中對某載貨卡車按1 ： 1等比例繪制三維模型，將該模型導入HyperMesh進行表面結構前處理以及面網格劃分。在確保計算精度的前提下，將模型中對氣流影響較小的螺栓、線束等不影響計算的幾何細節進行簡化，整車幾何結構如圖1所示?？紤]進氣格柵、發動機、散熱系統等結構的阻擋、環境溫度以及熱輻射對于后處理系統的影響，只對其空腔的溫度場進行計算分析，不考慮多孔介質載體，后處理系統包括進氣管道、筒式催化箱和排氣尾管，整體壁厚為2 mm，長度大約為3 000 mm，其中進氣管道長1 425 mm，催化箱長1 188 mm，簡化后的后處理系統模型如圖2所示。

為了得到整車實際運行中后處理系統準確的溫度場分布，利用流-固耦合方式進行后處理系統的模擬計算。本文中重點研究后處理系統表面溫度場，因此建立風洞模型仿真實際的工作環境，風洞計算域如圖3所示。將生成的三角形面網格導入STAR-CCM+中進行體網格生成，將模型的流體域和固體域分區域劃分網格，對重點計算區域進行加密處理，最終生成四面體的網格數約為2 944萬，整車體網格圖如圖4所示。

1.2 數學模型

汽車在行駛的過程中周圍的流體為空氣，通常認為當空氣流速小于聲速（343 m/s）的1/3時，可將空氣視為不可壓縮流體[12]。本文中最高車速為60 km/h，因此可將流體看作三維不可壓縮流體，即密度為常數。運用STAR-CCM+中可實現的 k-ε 兩層模型[13]進行湍流模型的穩態數值模擬計算。

1.2.1 湍流流動遵循的控制方程

連續方程[14-15]為：

div（ ρ u ）=0， ?（1）

式中： ρ 為流體的密度，kg/m3； u 為流體速度矢量，m/s。

動量方程[16-17] 為：

x i （u iu j）= ???x j ?μ ?eff ???u i ?x j + ?u j ?x i ??－ ?p ?x j ?， ?（2）

式中：u i、u j分別為流體在i、 j方向的速度分量， m/s； x i、x j 分別為空間坐標分量，m， i，j=1，2，3；p 為流體微元體的壓力，Pa； μ ?eff為湍流有效黏性系數，Pa · s。

能量方程[18] 為：

ρT ?t + div （ρ u T）= div （ k c ?p ??grad ?T）+S ?T ?，

（3）

式中： t 為時間，s; k 為流體的傳熱系數，W/（m2 · K） ； T 為流體的熱力學溫度，K； c ?p為流體的比熱容， J/（kg · K）； S ?T為流體內熱源和由黏性作用引起流體機械能轉變為的熱能，J。

1.2.2 輻射換熱模型

選用表面至表面輻射模擬中的灰體熱輻射模型[19]，物體2個表面之間的輻射換熱量

Φ ?b 12=X 12A 1（E ?b1 -E ?b2 ）=X 21A 2（E ?b 2-E ?b 1） ， ?（4）

式中： X ?12為表面1到表面2的角系數，即表面1發射出的熱輻射到表面2的比率， X ?12= 0～1； A 1、A 2 分別為2個物體的表面積，m2； ?E ?b1、 E ?b 2分別為物體1、2的黑體輻射能力，W/m2； X 21 為表面2到表面1的角系數。

1.3 模型求解

在STAR-CCM+中將風洞計算域入口指定為速度入口，以風洞入口速度模擬卡車行駛速度，環境溫度為20 ℃；出口指定為壓力出口，壓力設置為標準大氣壓；后處理系統排氣管廢氣進口設置為質量流量入口，設置廢氣的質量流量和溫度；出口為靜壓邊界條件；固體的壁面設置為非滑移壁面。本文中對高速工況即車速為60 km/h（工況1）和駐車工況（工況2）進行模擬計算，設置的邊界條件如表1所示。

2 仿真結果分析

排氣溫度影響催化箱中的反應，應保證進氣管道中溫降不大于20 ℃。為了能夠更加方便地分析整個后處理系統的溫降，設置5個平面進行分析，分別為進氣管入口（截面 A ）、進氣管中間面（截面 B ）、催化箱入口（截面 C ）、SCR前端面（截面 D ）、排氣尾管出口（截面 E ），測溫截面分布如圖5所示。模型中坐標系方向定義如圖6所示。

2.1 無關性驗證

為了驗證DOC中多孔介質對后處理系統內部流體溫度的影響，基于后處理模型，采用相同駐車邊界條件，僅將變量控制為有、無DOC載體，在STAR-CCM+中對后處理系統進行流-固耦合CFD仿真，有、無載體后處理系統中流體的流場對比如圖7所示。

由圖7可知：1）DOC載體對后處理系統中直徑較小的進氣管中流體流速影響不大，流動形式以及流速分布與無載體時幾乎無差異； 2）由于DOC載體的影響，擴張管處仍然存在渦流且渦流更明顯。這是因為由于存在多孔介質載體，排氣流動形式表現為層流，無DOC載體中流體為湍流，但因為催化箱中無任何阻礙，因此有DOC載體中的湍流并不明顯，尤其在后半段接近出口的位置處。

空間坐標系 y =-260 mm處后處理系統流體域中截面的溫度分布如圖8所示。

由圖8可知：增添多孔介質后，載體催化箱內部流體溫度分布更加均勻。為了進一步分析后處理系統內部流體域的溫度變化，提取有、無DOC載體的后處理系統各個截面溫度仿真結果以及溫差，如表2所示，表中相對誤差為溫差與無載體時攝氏溫度的比。由表2可知：直徑較小的進氣管部分中固體壁面和流體域的溫度分布相同，有、無載體對該部分溫度場影響幾乎可以忽略； 截面B、C 處溫差很??；載體對溫度的影響主要體現在催化箱的后半部分，在關鍵部位SCR前端面位置即 D截面處相對誤差為396%，截面E 即后處理系統出口相對誤差最大，為511%，但相對于計算資源的增加，該誤差可以接受。

綜上，在此次仿真計算中，不考慮多孔介質載體對結果的影響。

2.2 仿真結果分析

基于整車流-固耦合仿真計算，不同工況下的后處理部分固體壁面攝氏溫度分布如圖9所示。由圖9可知：工況1下后處理系統最低攝氏溫度為3616 ℃，工況2最低攝氏溫度為14816 ℃；工況的溫度邊界不同，后處理器的整體溫度分布一致，由于存在固體的輻射換熱以及排氣與管壁之間的換熱，后處理系統入口到出口的溫度不斷下降；2種工況下的最低溫度位置一致，均在催化箱的筒徑擴張處，在催化箱溫度逐漸升高至平穩；相比工況1，工況2下排氣溫度更高，換熱更快，散熱損失更大，因此在催化箱后的排氣尾管處溫降較快。

2種工況下后處理系統內流體在 y =-260 mm處中截面攝氏溫度分布如圖10所示。由圖10可知：由于進氣管道存在彎曲，尾氣進入管道時偏向管道彎曲外緣，導致進氣管彎曲外緣溫度高于進氣管彎曲內緣；后處理催化箱中尾氣的主射流區接近對稱軸區[20]，導致催化箱擴張管四周溫度低于中心區。

流體在后處理系統中的流體速度流線如圖11所示。由圖11可知：后處理系統進氣管的結構導致排氣沖擊下壁面流速較快，排氣進入催化箱后中心主流射區溫度高于四周，在擴張管處出現渦流導致氣流滯緩，排氣熱量損失嚴重，在該位置形成溫度死區。

后處理系統中各截面的溫度分布云圖如圖12所示，速度流線如圖13所示。由圖12、13可知：由于環境溫度遠低于后處理管道中的排氣溫度，在管道固體壁面處熱傳導以及高溫輻射使得越靠近管道壁面溫度越低，2種工況下各截面均呈現中心位置溫度高、四周邊緣低的溫度趨勢；截面 B、C、E 相對于截面 D 的溫度梯度變化更明顯，主要由于截面 D 位于后處理催化箱處，相對進排氣管道，催化箱的直徑增大明顯，排氣流速大幅降低，排氣在催化箱部分滯留的時間更長，排氣熱量傳遞時間更充分，溫度分布更均勻，但在催化箱擴張管中仍然存在渦流和排氣回流的現象。

2個工況下各個截面位置的平均溫度如表3所示，2個截面之間溫差如表4所示。由表3、4可知：2個工況下各截面溫度逐步降低，工況1后處理系統進、出口溫度降低了6841 ℃，工況2降低了8956 ℃；工況2下每個截面的溫降均高于工況1，主要由于工況2進氣管道初始溫度邊界高于工況1，換熱快，熱量損失大；工況1下進氣管道溫度降低了3763 ℃，工況2降低了4112 ℃，2個工況下均無法滿足溫降為20 ℃/m的要求; 且截面 D 在工況1的平均溫度僅為20389 ℃，該溫度影響SCR系統催化劑入口還原劑的均勻性、催化劑的活性及催化劑內部反應速率。應通過對后處理系統進行熱管理減少熱量損失，使溫降在合理范圍內，并提高催化箱內的溫度以提高催化速率。

對后處理系統采用覆蓋保溫層的體外排氣熱管理優化方式，不僅可以減少熱量損失，還可以降低熱輻射對周圍零部件的影響。保溫材料選用陶瓷纖維氈，陶瓷纖維質量輕、耐高溫、熱穩定性好、導熱率低、比熱小及耐機械震動等優點，專門用于各種高溫、高壓、易磨損的環境[21]。陶瓷纖維氈材料的體積密度為180 kg/cm3，導熱系數為004 W/（m · K），本次仿真采用的保溫層覆蓋模型如圖14所示。對進氣管道和催化箱采用分段式保溫層包裹以便安裝，覆蓋率（覆蓋面積與總面積的比）約為80%。設置保溫層厚度為10 mm，將該后處理系統在2個工況下的溫度場分布與未增加保溫層進行對比分析。

保溫層厚度為10 mm時，后處理系統整體溫度分布如圖15所示，流體速度流線如圖16所示。由圖15可知：覆蓋保溫層位置的溫度明顯高于未覆蓋的部分，相對于工況2，工況1下保溫層作用更加顯著；保溫層為10 mm時，工況1后處理系統最低表面溫度為9499 ℃，比不覆蓋保溫層時升高了5883 ℃；工況2最低溫度為20666 ℃，升高了5850 ℃。由圖16可知：由于增加了保溫層，排氣滯留導致的熱量散失情況大大減少，溫度死區得到大幅改善。

保溫層厚度為10 mm時，保溫層的溫度分布云圖如圖17所示。由圖17可知：保溫層內層和外層溫度差距很大，主要因為保溫層的熱導系數小，導熱能力差；工況1保溫層外層平均溫度為504 ℃，最低溫度幾乎與環境溫度相同；工況2下保溫層外層平均溫度為1157 ℃，最低溫度為739 ℃，大大降低了后處理系統對周圍部件的高溫輻射作用。

對厚度分別為5、10、15 mm的保溫層進行仿真，分析保溫層厚度對后處理系統溫度場的影響規律，并確定合適的保溫層厚度。不同保溫層厚度在2個工況下各截面的平均溫度如圖18所示。

由圖18可知：隨著保溫層厚度增加，各截面平均溫度不斷升高，且升高幅度越來越小，說明保溫層厚度越大，增加保溫層厚度對截面平均溫度的提升效果越弱；相對無保溫層，工況1下3種保溫層厚度后處理系統進氣管路的溫度分別降低了2080、1884、1800 ℃，工況2下3種保溫層厚度后處理系統進氣管路的溫度分別降低了2524、2292、2018 ℃，保溫層厚度為5 mm時，工況2下進氣管道溫降仍然無法滿足20 ℃/m的工作要求；保溫層厚度為10 mm時，工況1下截面 D 的平均溫度升高到22250 ℃，提高了1861 ℃，保溫層厚度為15 mm時，該截面溫度升高與厚度為10 mm相差較小，因此保溫層厚度為10 mm為合適的保溫層厚度。

4 結論

采用流-固耦合的數值仿真方法對整車后處理系統進行不同行車工況下的溫度場仿真，并對其進行熱管理優化，得到以下結論。

1）不同工況下，后處理系統整體溫度場分布一致，進氣管道彎曲外緣溫度高于彎曲內緣，在催化箱擴張管處出現的渦流以及排氣回流現象，導致該位置排氣滯留熱量損失，該位置溫度最低；排氣溫度越高，整體溫降越大。

2）增加保溫層后，覆蓋保溫層的后處理系統的溫度明顯高于未覆蓋保溫層部分；增加保溫層降低了排氣在催化箱擴張管處的溫度損耗，減少了后處理系統對周圍部件的熱輻射，且相同厚度的保溫層對高速工況的保溫效果更顯著。

3）保溫層越厚，保溫效果越好；但隨著保溫層厚度增加，溫度增加幅度逐步減緩；保溫層厚度為10 mm為合適的覆蓋厚度。

參考文獻：

[1] ?SHARMA T.Performance and emission characteristics of the thermal barrier coated SI engine by adding argon inert gas to intake mixture[J].Journal of Advanced Research，2015，6（6）：819-826.

[2] ?劉勝吉，曾瑾瑾，韓維維，等.基于CFD及穩流試驗的柴油機進/排氣系統的性能[J].內燃機學報，2016，34（1）：68-73.

[3] ?JATHAR S， GORDON T， HENNIGAN C， et al.Unspeciated organic emissions from combustion sources and their influence on the secondary organic aerosol budget in the United States[J].Proceedings of the National Academy of Sciences，2014，111（29）：10473-10478.

[4] ?鄭貴聰，顏傳武，陸勝旗，等.發動機排氣熱管理試驗研究[J].內燃機工程， 2017， 38（4）：57-62.

[5] ?唐蛟，李國祥，孫少軍，等.基于歐-Ⅵ柴油機排氣熱量管理主動控制措施研究[J].內燃機工程，2015，36（2）：120-125.

[6] ?劉光義，孫德增，鄔斌揚，等.柴油機WHTC冷起動過程SCR溫度熱管理技術研究[J].內燃機工程，2017， 38（6）：145-151.

[7] ?SHU Y， ROMZEK M， MEDA L.Thermal analysis of diesel after-treatment system[C]//Proceedings of SAE 2010 World Congress & Exhibition.Warrendale，USA：SAE International， 2010.

[8] ?周夢浩，劉建新，趙曉，等.農用柴油機SCR催化箱外置保溫層對其溫度場影響的試驗研究[J].中國農機化學報， 2020， 41（2）：92-99.

[9] ?BENDELL E. Investigation of a coupled CFD and thermal modelling methodology for prediction of vehicle underbody temperatures[C]//

Proceedings of 2005 Vehicle Thermal Management Systems Conference & Exposition.Detroit，USA：SAE International， 2005.

[10] ?張桃沙，蘇小平，包圳，等.某發動機排氣歧管熱應力仿真與分析[J].機械設計與制造，2016（11）：171-174.

[11] ?肖國權，楊志剛，張萬平.汽車熱管理系統共軛換熱仿真[J].系統仿真學報，2010， 22（7）：1733-1736.

[12] ?李學達.車載太陽能光伏系統輸出功率及發電量預測模型研究[D].長春：吉林大學，2022.

[13] ?楊曉，毛恩榮， ZHANG J S，等.大型拖拉機駕駛室熱舒適性評價[J].農業機械學報，2018， 49（增刊1）：470-476

[14] ?呂寶.某轎車發動機艙散熱性能仿真分析及優化[D].重慶：重慶理工大學， 2019.

[15] ?譚禮斌，袁越錦，劉小強，等.基于STAR-CCM+的通機消聲器護罩溫度場數值模擬[J].陜西科技大學學報， 2019， 37（2）：134-142.

[16] ?劉春宏.海水網箱養殖區周圍流場特性研究[D].天津：天津大學，2023.

[17] ?汪超臺，李自成.排氣渦輪基于順序流固耦合傳熱數值模擬研究[J].機械工程學報， 2017，53（15）：156-164.

[18] ?黃智峰.基于商用車發動機艙熱管理技術的冷卻系統散熱性能優化[D].長沙：湖南大學，2017.

[19] ?韓艷艷.發動機排氣側溫度場研究[D].北京：清華大學， 2015.

[20] ?OZHAN C， FUSTER D， DA C. Multi-scale flow simulation of automotive catalytic converters[J].Chemical Engineering Science， 2014， 116：161-171.

[21] ?張繼恒. 一種SiO 2/Al 2O 3復相陶瓷纖維的制備及力學和熱學性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

Thermal management simulation analysis of aftertreatment system

based on fluid-structure coupling

WANG Xiaoxin1， HUANG Kai2， YANG Zechen2， Bai Shuzhan1*， ZHAO Kui1

1.School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061，China;

2.FAW Jiefang Automobile Co. ， Ltd. ， Changchun 130011，China

Abstract： Based on the fluid-structure coupling simulation method， the fluid simulation software STAR-CCM+ is used to establish the three-dimensional radiation model of a truck.The flow field and temperature field of the aftertreatment system under high-speed （60 km/h） and parking conditions are simulated， the thermal management of the aftertreatment system is carried out. The results show that due to the influence of vehicle speed， the heat transfer loss increases， and the temperature of the aftertreatment system can not meet the working requirements.After adding insulation layer， the solid wall temperature of the aftertreatment system is significantly increased， and the minimum temperature of the solid wall is increased by 58.83 ℃ in high-speed condition and 58.50 ℃ in parking condition.The insulation increases with the increasing insulation layer thickness， and the temperature rise difference decreases with the increasing insulation layer thickness.

Keywords： fluid-structure coupling; aftertreatment system; thermal management

（責任編輯：劉麗君）