一款ORVR活性碳罐的设计与CFD数值模拟分析

翟豪瑞，葛晓宏，陈长秀，熊 新，提 艳

（1.盐城工学院 汽车工程学院，盐城 224051；2.厦门理工学院 机械与汽车工程学院，厦门 361024；3.厦门信源环保科技有限公司，厦门 361021）

0 引言

近几年国内对汽车碳罐的内流场分析做出了很多的研究。刘鑫[1]用Fluent软件，结合多孔介质模型，模拟了某汽车碳罐内部流场的流动特性。黄远清[2]用Fluent流体软件模拟了碳罐内部的通气阻力。李岳林[3]结合试验数据进行理论计算得出碳罐大气口径理论上的极限尺寸。陈家庆[4]用Fluent软件模拟了机动车加油过程中气液两相流动特性的CFD数值。

1 ORVR活性碳罐结构设计

本产品为某款汽车新开发的ORVR活性碳罐，碳罐主要由以下部分组成：集液器、OBD检测口、腔室隔板、扩散腔、支撑弹簧、无纺布、吸附口、脱附口和大气通口等，如图1所示。

图1 ORVR活性碳罐的结构

2 Fluent多孔介质模型原理

本文采用定向损失模型对ORVR活性碳罐模拟。根据厄根公式[7,8]可以确定Fluent多孔介质中两个重要 参数：

其中Dp为当量直径，1/α为粘性阻力系数，ε为渗透率，C2为惯性阻力系数。

设定碳粉区域为多孔介质区域，其他区域为空气域，不考虑通气过程中空气与活性碳、壳体和无纺布之间的热交换。该碳罐采用的是BAX-1500碳粉，碳粉参数属性如表1所示。

表1 BAX-1500碳粉材料属性

根据表1碳粉材料的属性，取孔隙率ε=0.35。将平均直径DP=2.3mm带入式(1)和式(2)，得出碳粉的粘性阻力系数1/α=2.79×108，阻力损失系数C=23070。

3 CFD仿真分析

3.1 模型前处理

流体域如图2所示，分为空气域和多孔介质碳粉域两个区域。将吸附口、脱附口和大气通口分别用T端、P端、A端命名，以方便后续仿真分析参数的设置。

图2 流体域模型

3.2 参数设置

网格划分完成后，统计数据得出网格总数为517万多。在Fluent中进行仿真设置。分析得出T端和P端的表面积分别为：

其中v为速度；Q为流量；S为入口面积。

由式(3)可以分别得出不同流量下吸附入口和脱附出口的速度大小。其他具体参数设置如表2所示。

表2 不同区域仿真参数的设定

以Navier-Stokes方程作为流动控制方程。求解器类型选择隐式、基于压力求解器，算法采用SIMPLE计算法，各种流动方程均采用一阶迎风格式离散。为确保收敛，残差设置为0.0001，步数设置为1000步[9]。

3.3 吸附分析结果

从图3(a)可以看出，燃油蒸汽均匀充满整个碳粉区域，有利于碳粉对燃油蒸汽的充分吸收，提高碳粉利用率。从图3(b)可以发现，吸附完成后碳罐内部最大的压降差，即通气阻抗值为765.9Pa，满足小于1kPa的法规要求[5]，且内部压降随着燃油蒸汽路线呈层层递减 关系。

图3 吸附分析结果

从图4中观察导气管处流线，燃油蒸汽通过导气管均匀的、迅速的扩散到碳粉区域。再观察腔室隔板处很明显发现燃油蒸汽有一个绕流作用，腔室隔板阻断燃油蒸汽直接排到大气，而是增加它的路径，增大（L/D）长径比[6]，让碳粉区域充分的吸收，增加碳粉的利用率。

图4 导气孔和腔室隔板处流线图

3.4 脱附分析结果

观察图5中流线图，可以发现燃油蒸汽的扩散方向很清晰，整个区域的流动非常顺畅，碳罐内部燃油蒸汽脱附的干净程度可以从流线图的均匀程度看出，观察发现流线图均匀填满整个碳粉区域，符合设计要求。

图5 碳罐内部三维流线图

从图6(a)可以看出，碳粉区域吸附的燃油蒸汽在P端进行脱附，脱附速度大小为3.33m/s，与设定值大小一致。并且观察油气速度矢量可以看出脱附得非常干净，这样有利于下一次油气的吸附。从图6(b)可以看出，脱附压降差最大值为680.2Pa，P端压降最大，A端压降最小，满足小于1kPa要求，并且压降分布均匀。

图6 吸附分析结果

4 试验验证

为了验证仿真的可靠性，模拟11组不同流量下碳罐内部的通气阻抗值，且进行通气阻抗实验对比。通气阻抗试验平台如图7所示。

图7 通气阻抗试验测试

将仿真数据与实验验证数据对比做成曲线图，如图8所示。

图8 仿真和实验数据对比

5 结论

由于计算仿真的时候没有考虑无纺布产生的通气阻抗，以及忽略了活性碳颗粒之间的间隙、装碳量等其他因素，实验数据比仿真数据偏大。随着流量的不断增大，吸脱附口和大气口之间的压差也随着增大。试验数据与仿真数据误差控制在5%以内，验证了仿真的可 靠性。

参考文献：

[1]刘鑫.车辆燃油蒸发控制技术及碳罐内流场数值模拟研究[D].武汉:武汉理工大学,2011.

[2]黄远清,王斐.碳罐内通气阻力的数值模拟[J].北京汽车,2013，(06):32-35.

[3]李岳林,何兴,吴刚,等.车辆活性碳罐三维数值模拟研究[J].汽车工程学报,2012,(6):421-430.

[4]陈家庆,张南,王金惠,等.机动车加油过程中气液两相流动特性的CFD数值模拟[J].环境科学,2011,32(12):3710-3716.

[5]HJ /T 390-2007.环境保护产品技术要求汽车燃油蒸发污染物控制系统(装置)[S].

[6]许广伟.燃油蒸发控制系统对车辆的影响及故障分析[J].赤子,2014(9):252-252.

[7]Nagarajan G,Kumar S M E,Chowdhury D G R.CFD analysis of air fiters for an off-highway vehicle[J]. SAE Paper,NO.2007-26-048.

[8]Cesareo de La Rosa Siqueira，Martin Poulsen Kessler，Fabio Moreira，et al. Three-dimensional numerical analysis of flow inside an automotive air filter[J]. SAE Paper,NO.2006-01-2629.

[9]郑力铭.ANSYS Fluent 15.0流体计算从入门到精通[M].北京:电子工业出版社,2015.