VirtualFlow | 催化转换器孔隙尺度精细数值模拟

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导读：案例特色

VirtualFlow软件对孔隙尺度反应流的高精度数值模拟；

VirtualFlow软件使用IST/BMR网格技术直接解析孔隙结构；

VirtualFlow软件耦合CANTERA的快速化学反应模拟技术。

汽车设计中，关于催化转换器的研究是近些年来的研究热点。以陶瓷类多孔介质作为催化转换器近年来得到关注，这种新型的催化转换器具有高效污染物催化转化及压降低等应用潜力。污染物的催化转化主要依赖泡沫状孔隙结构表面涂敷催化剂的催化作用，研究表明，催化转化的效果主要由孔隙结构催化涂层表面与孔隙内微尺度流体介质之间的有效传质控制。为准确分析、优化孔隙拓扑结构对催化转化效果的影响，对孔隙尺度进行直接、高精度的数值模拟必不可少。

本案例采用VirtualFlow软件IST/BMR网格技术直接解析典型孔隙拓扑，采用组分输运、快速化学反应模型，并耦合CANTERA中的多步反应机理，对多孔介质结构的陶瓷类催化转换器中所发生的有害物质转化过程进行了数值模拟。

CANTERA耦合反应流模拟技术

化学反应模拟方法根据达姆科勒数（Damkohler number，Da）的大小，一般可分为快速化学反应和有限速率化学反应。快速化学反应一般用于计算Da值远大于1的化学反应过程，一般认为湍流出现时，化学反应过程就已经开始，整个反应的过程认为非常短。而有限速率化学反应模型则一般用于计算Da值接近1的反应过程，认为化学反应的时间尺度与反应物接触混合的时间尺度处于同一数量级，二者对反应的速率以一定的权重产生影响。众多研究表明，催化转换器典型工作状态中的达姆科勒数较大，适用快速化学反应模型。

对于催化转换器内的复杂反应机理，数值模拟中的通行解决方案是让流场求解器耦合化学反应动力学软件或机理库来实现。本案例采用通用流体仿真软件VirtualFlow与化学反应动力学求解套件CANTERA耦合，从而实现对催化转换器内具有化学反应过程的多组分流体运动的数值模拟。

CANTERA是一个化学反应动力学开源求解套件，可以处理Chemkin格式的动力学机理、热力学和输运性质文件。

VirtualFlow 与CANTERA Database的耦合

模拟方法与结果

模拟方法：

使用VirtualFlow软件IST方法对催化转换模拟过程中的流固边界进行定义，使用BMR网格加密技术对多孔介质中的孔隙进行加密处理；
使用VirtualFlow软件中的多组分流动模型与CANTERA中的化学反应库进行耦合，从而计算出催化转换器中C3H6的转化过程以及转化速率。

催化转换器内的单个拓扑单元（Kelvin cell）表面镀铂作为催化剂，在催化表面会发生烃、空气、一氧化碳的表面反应。

研究对象及其拓扑结构（几何模型）

对于这类微小孔隙，传统网格方法常常难以解析，因此之前通常将催化转化器整体作为多孔介质区域来模拟；而借助于VirtualFlow先进的IST/BMR网格技术，使得孔隙尺度的解析和精细模拟更为便捷。

IST（浸没表面技术）是将固体浸没在整个计算域内，使用ϕ函数来自动识别确定流体域与固体域，避免了前处理中繁杂的流体域抽取；配合BMR（Block Mesh Refinement）网格加密技术可对局部几何特征进行自动的局部网格加密。本案例则是将整个多孔介质放入计算域中，并对多孔介质中的细小固体处进行加密处理，从而缩小网格处理时间，提高求解精度。