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在横流条件下尿素喷雾剂的SCR数值分析
作者:管理员    发布于:2017-01-10 01:35:31    文字:【】【】【

摘  要
   
将尿素溶液(UWS)喷进含有氮氧化物热废气流进行选择性催化还原(SCR)反应,这是一种有效和广泛应用在内燃机的策略。即使目前的SCR系统在测试时有95~96%的NOx脱除效率,但是实际过程中氮氧化物的排放要高得多,因此证明仍有改进的空间。氮氧化物转换的效率很大程度上取决于尿素液滴的大小和空间分布。进一步说,这些因素主要取决于喷雾特性及其与废气流的相互作用。本研究的主要目的是数值分析蒸发模型框架和催化剂上游喷雾混合的敏感性。动态的离散液滴模型是通过拉格朗日粒子追踪液滴分离和聚结、湍流效应和水蒸发框架的模型。所有模拟都运行在商业软件Ansys16.0基础上的。对液滴尺寸分布通过PDPA测量进行实验验证。通过目前研究,我们已经确定了最合适的模型设置,用一个性价比好的计算成本来提供准确的结果。结果也显示液滴的蒸发和湍流波动对液滴相的重要影响。
简  介
   
在最近几年,汽车和物流产业寻找新的更环保技术的需求已经显著增加。环保的竞争优势激励企业投资更多的钱,去研究如何解决留下一个小的生态足迹的问题。对于内燃机,催化剂的使用是减少污染物的排放的一个流行方式。
    选择性催化还原(SCR)是在催化剂的协助下中和生成的氮氧化物(NOx)。首先被运用在在二十世纪七十年代末的日本热电厂中,直到二十一世纪初中期才应用于移动源柴油发动机。今天,商业的柴油卡车和轻型的汽车已经采用此技术。随着降低氮氧化物排放新标准的不断严格,对于想保持竞争优势的制造商来说,SCR技术的不断改进是至关重要的。
柴油机SCR技术使用一套催化体系来分解柴油机排放产生有害的氮氧化物,把氮氧化物分解生成氮气和水。SCR系统中使用的化学反应需要一定用量的氨气。获得氨的一个常见的方式是通过使用尿素与去离子水混合,或尾气处理液 (DEF)。DEF通过先进的喷射系统喷洒到排气流中。蒸发过程中,它经历了各种化学反应,最终氨、氮氧化物反应形成氮气和水。
    减少氮氧化物所需的DEF用量和满足限定的标准取决于发动机的几个特征:例如排气的质量流量和温度等。柴油发动机制造商不断努力研发SCR技术,以使其效率更高。科学论文研究中,尿素SCR催化剂适用的CFD模型是有限的。原因可能包含在下列内容,尿素SCR技术是完整的流程技术,涉及到许多不同的物理现象,反过来,很难形成适当的评估建模验证技术。本文将不考虑数值反应,只关注喷雾的蒸发和混合。
    本文是首先对可用的蒸发喷雾建模框架进行系统研究,以确定其优势和模拟尿素SCR喷射的局限性。其次将所学的知识应用于一个真正的尿素SCR情况蒸发和混合效果进行研究。这是通过研究一个DEF喷射器空间液滴尺寸和速度用于商业卡车,这也让结果容易与实验结果进行比较。
模型和方法
    在本节中,我们描述了所用于数值模拟的设置。废气处理动态流与纳维斯托克斯方程(RANS)雷诺平均值,像湍流模型中可实现的k-ε模型[2]。采用拉格朗日粒子跟踪(LPT)框架来解决离散相的运动,即液体滴通过连续流场的计算力。该方法包括的主要假设液滴是球型,不取代周围的液体。然后,计算网格不涉及水滴,并且在拉格朗日框架分别跟踪。因此,模型需要引入液滴相关流程,如分离、碰撞、合并,与邻近的水滴蒸发或交互。为了在实验中有一个更好的协议,所有的模拟采用水作为离散相运行,而实际DEF水和空气认为不可压缩,即使为每个操作温度采取了不同的流体性质。
蒸发喷雾的预研究
   
预研究是评估湍动数值模型,分离和蒸发的动机。因为实验结果以及喷射属性,与离散相无量纲数相似,这样可以对敏感性差异提供一些数值结果的见解。
Iannantuoni等进行了数值和水雾喷嘴实验工作。在特定的距离喷嘴下游,他们利用多普勒粒子相位分析仪(PDPA)来捕获液滴尺寸和速度分布。他们的研究实验结果和方法作为模型敏感性研究的基础。
尿素SCR计量腔体
   
通过数值验证,得到在实际尿素SCR计量腔体中的排气的流动情况(图1)。为了使实验测量容易进行,标准排气管(Di)连接到一个大的透明的矩形尺寸为2.5Di×2.5Di×3.7Di的箱子里。DEF喷射器是放置在箱子顶部,和下游岐管保持ℎ≈Di 的距离。

图1.喷嘴喷射单元

    在三种不同的操作温度下,选择两个不同的排气质量流率来定义矩阵(表2)。另外,为了验证喷射器制造商提供的粒度分布数据,在没有交叉流动的环境条件下(1例)进行了模拟。由于喷雾的数值模拟是严重依赖于初始喷射属性,确保输入数据与现实一致,这是非常重要的。这后一种情况也是跟自己的PDPA测量内喷雾喷嘴模型进行比较。

表2.矩阵尿素SCR喷嘴案例

摘要/结论
   
本文对一种尿素—SCR喷嘴的DEF喷雾蒸发和混合过程进行数值研究。数值设置是基于一个波分离的组合模型的数值框架敏感性的初步研究、。
根据尿素—SCR喷雾的蒸发和混合的分析研究,可以得出以下几个结论。首先,由于较长的停留的时间,轻度横流总蒸发较高。然而,当增加废气温度、总蒸发仍未受影响。因为废气的密度低,较高的温度被较低的停留时间所抵消。此外,可以得出的结论是,较高的气体速度带来较低的喷雾喷雾穿透深度。
    基于对尿素SCR进一步数值模拟工作,可能是有趣的研究工作。在湍流波动这个工作中通过可实现的k—ε模型实现,并且采用一个相当简化的几何。为了捕捉离散相之间的相互作用和更广泛的流体流动结构,它源于更复杂的和现实的几何高保真模拟。对于整体混合DEF喷雾的重大改进。
    最后,本研究的另一个重要的发现是喷射属性的验证。液滴大小分布和用作喷射属性的数值似乎是对应一个连续喷射,而我们的实验测量数据周期是1赫兹脉冲注入和3%的喷射活跃度。喷雾特点之间的显著差异是可以观察到的,这样一种特定的喷雾边界条件将在未来进行使用。
参考文献
1. Nova, I., and E. Tronconi. Urea-SCR Technology for deNOx After Treatment of Diesel Exhausts. Springer Science, 2014.
2. Shih, T.-H., W. W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, and J. Zhu. “A New - Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows - Model Development and Validation.”Computers Fluids, 1995.

脚注信息
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