随着我国机动车保有量与日俱增,车辆加油过程中油气排放污染日趋严重,油气挥发到环境中的碳氢化合物使得我国空气中PM2.5及臭氧含量和雾霾等空气质量问题的形势越发严峻。美国就汽车的油气挥发问题强制要求所有汽车必须安装车载油气回收(Onboard Refueling Vapor Recovery,ORVR)系统,该系统已经使用有20余年,数据显示其对挥发油气回收率高达98%。从2016年我国发布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(“国六”)与“国五”对比,发现对汽车的油气排放限值越来越严格,而我国关于ORVR技术研究起步晚,因此很有必要对该技术进行研究。本文主要针对ORVR系统中最核心的部件——ORVR碳罐的结构优化设计展开研究。首先,建立U型管固定床和直管固定床装置,采用正丁烷与氮气的混合气替代挥发油气进行吸附实验。根据实验测得的温度、出口正丁烷浓度等数据,进行吸附动力学分析和吸附热值计算,得到活性炭的饱和吸附量、吸附穿透曲线及时间、吸附速率常数和吸附热等吸附性能参数。其次,根据直管固定床的装置尺寸、实验数据和活性炭吸附性能参数,利用Ansys ICEM和Fluent建立直管固定床模型,模拟固定床吸附过程。模型中质量源项S_m及能量源项S_T采用定值表达式和UDF(User Defined Function)编译的数学表达式建立了模型A和模型B,根据模拟数据对固定床中温度场和正丁烷浓度场进行研究分析。以吸附穿透时间和六个监测点最大升温值作为评定指标,计算两种模型的模拟结果与实验数据的偏差率,验证了直管固定床模型A的准确性。在模型A的基础上,对进口正丁烷浓度和进气速度进行敏感性分析,研究结果表明固定床的最大升温与上述两个参数均呈正相关。所建直管固定床模拟结果与实验数据的高度吻合,说明采用Fluent模拟研究固定床吸附过程方法的可行性。再其次,参考通用汽车有限公司设计的ORVR碳罐(两腔室)主体尺寸及外观结构,结合前文活性炭吸附性能参数及UDF源项表达式,在Fluent上建立了ORVR碳罐模型。建立不同的多孔介质区域体积比,研究多孔介质区域体积比对碳罐的性能影响,根据模拟结果确定碳罐的优化体积比为5:3。在此基础上,调整模型的进出口直径,研究进出口直径对碳罐的性能影响,模拟结果显示优化口径为10mm。本文设计的ORVR碳罐采用多孔介质区域5:3体积比、10mm进出口直径为优化优化结构。最后,根据所设计的优化结构的ORVR碳罐制作出实物装置,采用高浓度正丁烷与氮气的混合气代替挥发油气模拟ORVR碳罐吸附挥发油气过程,测定吸附过程中碳罐内温度和出口正丁烷浓度,实验与模拟数据的偏差率在5%以内,说明根据Fluent模拟所确定的优化结构的ORVR碳罐与实验装置的结果吻合度高,模拟结果数据的准确性,很好验证了Fluent设计的ORVR碳罐的可靠性与正确性。本研究采用实验与数值模拟相互验证的研究方法,对ORVR碳罐的结构进行优化设计,验证了Fluent在ORVR碳罐设计中的可行性,为汽车车载加油系统中ORVR碳罐结构优化设计提供了理论依据和准确可行的方法。