基于CFDSCR系统结构仿真探究

1、基于cfdscr系统结构仿真探究摘要：为研究scr系统结构对尿素雾化效果的影响, 利用计算流体力学(computational fluid dynamics, cfd) 软件建立尿素-scr系统结构模型，进行尿素喷射及雾化过程 仿真模拟，分析喷孔夹角及管道截面突变位置等结构参数对 尿素-scr系统雾化效果的影响。结果表明，增大喷孔夹角有 利于促进nh3与排气气流的混合，考虑实际应用条件，喷射 夹角在45°左右为最优；喷射管道与载体壳体之间的突变位 置距载体前端面的位置逐渐增大，nh3浓度的标准偏差先减 小，后增大，位于喷嘴与载体前端面中间位置处时，尿素与 气流的混合效果最好。关键词：

2、scr系统；雾化效果；结构仿真；喷孔角度； 管道截面突变位置中图分类号：tk422文献标文献标识码：a文献标d0i： 10. 3969/j. issn. 2095-1469. 2013. 03. 09随着排放法规的日趋严格，柴油机排放，特别是氮氧化 物(nox)的排放成为关注的重点。选择性催化还原(scr) 技术是柴油机控制nox的主要技术手段之一，其还原剂有氨 基和炷基1等，其中以尿素作为氨(nh3)的载体的scr系 统，因其性能和使用的便利性被应用到车用柴油机上。国外 相关研究机构对尿素scr系统做了大量的研究和开发工作，并且推出了很多商业化的产品2-10,而国内对scr的研究 虽也做了大

3、量的工作1, 11-12,但对scr催化器的开发设 计基本停留在传统的经验设计基础上。通过现代发动机cfd 设计方法对所要开发的催化器进行性能模拟，可实现设计阶 段对催化器的优化，缩短设计时间，降低设计开发的成本， 同时将数值模拟作为试验手段的重要补充，为scr催化器的 各种设计参数的优化提供理论依据。由于反应物氨（nh3）的扩散及吸附速率影响了整个催化反应的速率,且其在进入载体前的空间分布情况直接影响载体内的扩散、吸附速率，因此本文以cfd软件为基础建立 尿素-scr系统模型，并进行仿真计算，主要研究喷孔夹角 及管道截面突变位置等装置结构因素对尿素- scr系统雾化效果的影响，为柴油机尿素-

4、scr装置的设计提供了理论基 础。1尿素-scr工作原理scr系统的主要工作原理是向排气管中喷入一定量的还 原剂，在催化剂的作用下，还原剂与排气中的nox发生氧化 还原反应，生成无害的气体排出，达到降低nox排放的目的。 尿素（urea）作为氨气（nh3）的载体，因具有无毒、无味、 稳定等优点成为车用柴油机scr技术的首选还原剂。商业上 称符合din 700070标准的32. 5%的尿素水溶液为 “adblue”。选用adblue为还原剂的scr系统称为尿素-scr 后处理系统。尿素-scr系统的工作过程可以简化为如下过程：32.5% 的尿素水溶液喷入尾气中后发生脱水反应和热解反应。其中，式(

5、5)的反应速率比式(4)快10倍左右，其 nh3和nox比都是1 ： 1。在柴油机尾气中n02占总nox的10% 左右，当nh3充足，首先发生n02与等摩尔的n0按照式(5) 进行的反应，剩下的n0按照反应式(4)进行，因此为了提 高系统的反应速率，通常在scr反应器前增加一级氧化还原 装置(doc),将部分n0氧化成n02,让n0与n02之间比例 接近1 ： 1,让反应更多地按照式(5)进行。2尿素- scr系统模型建立本文采用fire软件进行scr系统结构建模和仿真计算, fire是一个通用的cfd软件，是基于有限容积法的一个商用 软件，由奥地利著名的柴油机咨询公司avl公司开发。fire

6、 是针对性较强的模拟发动机工作过程的覆盖化学反应的cfd 软件包，其在网格生成方面采用非结构化网格，单元的形状 可以有六面体、四面体、三面体截面的棱柱体、金字塔形的 锥体及6种形状的其它多面体，还可以与目前通用的cad/cae 软件相联接，如 ansys、i-deas. nastran. patran 等，使 fire在适应复杂计算区域的能力方面具有特别的优势。假设柴油机排气中的各种污染物均匀分布，则还原剂 nh3在进入载体前的空间分布情况直接影响nox的转化率， 其分布得越均匀，nox的转化效果越好。因此scr系统结构 设计对于nh3分布均匀性有重要的影响，即尿素喷射位置、 喷嘴的方向、喷孔

7、数目、喷孔夹角、催化器扩张口形状及载 体前的容积等结构的设计。国内外的一些研究人员对喷嘴位 置、喷孔数目及催化器扩张口的形状做过相应的仿真研究 12-13,本文主要研究喷孔夹角及管道截面突变位置等结 构因素。2. 1网格生成图1 (a)为某尿素-scr装置三维模型，主要由前置尿 素喷射、混合管道和scr催化器组成，各部分之间用法兰连 接。图1 (b)为其简化后的尺寸示意图。其中，lf为催化 器前端尿素喷射雾化段；lm为整个催化器段；lc为催化剂 载体，喷嘴安装于载体前端的(a+k)距离处。所用催化剂 为锐基，孔密度为62孔/cm2,容积为4.4l。固定部分的参数值见表lo根据图1及表1所示的尺

8、寸，建立scr装置计算网格i (其中k为20 mm； lm为300 mm),如图2所示，共99 200 个计算网格。2.2边界条件根据某4缸2.6 l柴油机排放测试结果设置边界条件， 采用额定转速(2 400 r/min), 100%负荷(146 n m)的工 况点(工况1)测试结果。入口边界条件采用给定质量流量 和温度方式，质量流量为202. 18 kg/h,温度设为600 k； 紊流参数中，紊动能设定为5%进口平均流速的平方，紊流特 征长度为排气管水力直径的10%o入口气体组分根据工况1 实际排气测量值简化后设置，各组分所占比例见表2,其中 n2为平衡气；出口设置为静压边界条件，压力为10

9、0 kpa, 催化剂按多孔质设置。尿素水溶液的喷射采用喷射模型，进 入排气后发生的水解和热解过程按照式(1)和式(2)进行。 2. 3评价指标3尿素-scr工作过程模拟仿真结果3. 1喷孔夹角的影响柴油机为了提高喷射的雾化效果，往往釆用有一定夹角 的多喷孔喷油器。因此，通过改变尿素水溶液喷嘴的孔数和 喷孔夹角提高nh3的空间分布均匀性。图3为喷嘴示意图 (?1/2表示喷孔夹角)。根据文献12和13的研究结论可 知，尿素喷嘴布置在催化剂前端5d以上距离及增加喷孔数 目均有利于nh3的空间分布从而提高nox的转化率。采用孔 数为4的喷嘴，喷嘴平面法线+e与管道轴向平行且与气流 方向成180

10、6; ,喷嘴位于管道轴线处，距离载体前端面距离 (a+k) =5do喷孔夹角对nh3分布均匀性的仿真结果如图4所示。由 图4可知，喷孔夹角由0°增加到90°，载体前端截面上nh3 摩尔分数的标准偏差越来越小，即nh3分布得越来越均匀。 其原因是当喷嘴的孔数大于1以后，带有一定夹角的液体喷 射更有利于液滴在空间的分散。在实际运用中，scr装置在 车上布置的空间有限，再加上成本因素，载体前端的混合器 管道直径d不能过大，在较窄的管道内垂直于气流方向喷射 尿素会使大量尿素喷射到管壁上，不利于尿素与气流的混 合，因此多喷孔的喷射夹角在45°左右为最优。3.2管道截面突变的

11、影响文献14研究表明，尿素喷嘴布置在催化剂前端5d以 上距离有利于nh3的空间分布。而在喷嘴距离载体前端距离 一定的情况下，通过管道截面积的变化可以引起气流的变化 并影响尿素与气流的混合空间。本研究中采用入口扩张管锥角和出口收缩锥角为90° 的催化器结构，通过改变k参数来改变载体前容积大小。其 中固定比例尺寸按表1设置，其余尺寸见表3,共生成ii、 iii、iv、v 4种计算网格。边界条件与上文所述一致，喷嘴 采用4喷孔45°喷射夹角形式。载体前容积对nh3分布均匀性仿真结果如图5所示。由 图5可知，k由0. 5d增大到1. 5d,即管道截面的突变处向 喷嘴与载体前端面的中

12、间位置逐渐靠近时（载体前容积逐渐 增大），nh3浓度的标准偏差逐渐减小；当k继续增大到2d, 即管道的截面突变处向喷嘴一方偏移时（载体容积继续增 大），nh3的浓度标准偏差反而略有增加。scr装置中不同k参数下nh3浓度分布如图6所示。由 图6可知，当截面突变时，气流在突变处产生涡流促进尿素 与气流的混合。当管道突变处向喷嘴方向移动，即增大载体 前容积，可以增加载体前端面的涡流活动时间和空间，促进 尿素与气流的混合，使载体前端nh3浓度的标准偏差逐渐减 小；而管道突变处过于接近喷嘴时，在喷射管道内的尿素扩 散还不充分，在载体前端的nh3的浓度标准偏差反而略有增 加。因此管道突变处位于喷嘴与载体

13、前端面的中间位置，尿 素与气流混合效果更好。4结论本文基于cfd软件，建立了尿素-scr系统模型，并进行 了仿真计算，研究尿素喷嘴的喷孔夹角及管道截面突变位置 等结构参数对尿素雾化效果的影响，主要结论如下。(1) 增大喷孔夹角有利于促进nh3与排气气流的混合。 当喷射区管道直径足够大时可以采用径向喷射方式；当喷射 区域管道直径较小，为了防止尿素喷射到管壁上，喷射夹角 在45°左右为最优。(2) 采用锥角为90°的入口扩张管为喷射管道与载体 壳体之间的突变过渡，并且在空间允许的前提下，喷射管道 与载体壳体之间的突变处位于喷嘴与载体前端面中间位置 有利于尿素与气流的混合。参考文

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