圖1 SCR系統(tǒng)網(wǎng)格和邊界條件位置圖
在某重型國Ⅳ柴油機(jī)的開發(fā)過程中，利用CFD工具對管道的幾何形狀、尿素噴射裝置的位置及噴射角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而保證在混和管路不出現(xiàn)粒子撞壁后的結(jié)晶。通過對SCR載體入口速度均勻性和整個載體的壓力損失情況進(jìn)行計算分析，保證載體入口速度分布均勻，整個系統(tǒng)產(chǎn)生較小的壓力損失。
計算物理模型及邊界條件
整個SCR系統(tǒng)的網(wǎng)格特點和邊界條件位置如圖1所示。其中管路采用六面體和O-grid網(wǎng)格，SCR載體內(nèi)部采用四面體網(wǎng)格，SCR系統(tǒng)中的載體和插孔管利用多孔介質(zhì)來模擬。
尿素水溶液噴霧模擬是一個復(fù)雜的過程，其中包括液滴的霧化、破碎、蒸發(fā)、液滴與氣體能量動量交換、粒子撞壁過程及液膜形成等。一般采用DDM方法來描述離散液滴分布，它不考慮全部液滴，而只處理其中若干具有代表性的樣本。每個樣本都代表一定數(shù)量的、大小和狀態(tài)都完全相同的液滴。用拉格朗日方法跟蹤這些液滴樣本的運(yùn)動，即求解描述其運(yùn)動軌跡和傳熱傳質(zhì)過程的一組微分方程。Reitz/Diwakar的破碎模型用來模擬破碎過程。尿素水溶液的特性按照SAE上提供的物理特性來設(shè)置。本次計算沒有考慮尿素水溶液的水解、熱解等化學(xué)反應(yīng)特性，以水蒸氣的分布來代替NH3的分布。
計算結(jié)果分析
SCR系統(tǒng)混和管的布置設(shè)計對SCR載體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)有很大的影響。在國Ⅳ柴油機(jī)的開發(fā)過程中，相當(dāng)多的工作是對混和管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文主要利用CFD工具對兩個噴射位置不同噴射角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而保證在混和管路不出現(xiàn)粒子撞壁后的結(jié)晶。圖2中的紅色線條代表噴射方向與水平方向一致，藍(lán)色線條代表噴射方向向下偏離水平方向5°，綠色線條代表噴射方向向下偏離水平方向10°。
優(yōu)化后粒子軌跡
計算表明在低負(fù)荷時，粒子軌跡受排氣流的影響較小，粒子沿著噴射方向運(yùn)動，與壁面碰撞的粒子數(shù)量少。但是在大負(fù)荷下，粒子受排氣流的影響較大，粒子被吹向管道的一側(cè)，容易在壁面形成液膜。由于噴射的粒子大小不一，體積較小的粒子最容易被吹偏。
結(jié)晶主要出現(xiàn)在小負(fù)荷的情況下，此時排氣流量速度低，對粒子的運(yùn)動軌跡影響小。如果安裝角度偏差，粒子就會與管道壁面碰撞，出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。而對于大負(fù)荷，雖然氣流對粒子軌跡影響大，尤其是對小直徑的粒子，但是由于排氣溫度高，粒子溶液蒸發(fā)，就是碰撞到管道壁面，也會很快蒸發(fā)，而不會結(jié)晶。高溫管道壁面對粒子起到加速蒸發(fā)的作用。但是如果粒子沉積后降低了壁面溫度，則壁面對粒子起到冷卻的作用，更容易發(fā)生沉積結(jié)晶現(xiàn)象。
載體入口的速度及壓力分布
催化載體入口的速度分布是否均勻直接影響催化劑的催化轉(zhuǎn)化效率。流速不均勻會在載體中心區(qū)域產(chǎn)生過高的氣流速度和溫度，加劇催化劑的劣化速度，縮短其使用壽命。另外，流速分布不均勻還會導(dǎo)致載體徑向溫度梯度過大，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力梯度，產(chǎn)生熱疲勞破壞。通常利用速度均勻性系數(shù)來評價入口的速度是否均勻。速度均勻系數(shù)越大，入口的速度越均勻；系數(shù)越小，速度分布越不均勻。通常需要速度均勻系數(shù)在0.8以上。
（轉(zhuǎn)載）
