尿素SCR催化器的数值模拟

摘要：针对不同封装结构的尿素SCR催化器建立了三维模型，并利用CFD技术对催化器内部的速度场和压力场进行了模拟研究。研究发现，催化器初始封装方案的压力损失不能满足预期要求；将催化器封装结构调整后，其压力损失能够满足设计要求。

关键词：尿素；氮氧化物；选择性催化还原；计算流体动力学

中图分类号：Tk421+5 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）04-0053-04

The Numarical Simulation of the Urea SCR Catalyst

LIU Zhi-qiang，MA Ming，MA Yong-bing，CHENG Jin-jin

（Anhui HUALING Automobile Co.，Ltd，Maanshan 243061，China）

Abstract：For the different structure of the SCR catalytic converter，the 3D model was built. The fields of the velocity and pressure in the converter were simulated and studied. The results showed that the pressure loss was higher than expected value in the first designed plan. After adjust the structure of the converter，the simulation results showed that the pressure of converter suit for the requirement very well.

Key words：urea；NOx；SCR；CFD

SCR（Selective Catalytic Reduction）即选择性催化还原技术，是一种降低氮氧化物（NOx）排放的机外净化技术。该技术最初用于火电厂、锅炉厂等固定式污染源以达到脱硝的目的。随着催化剂技术的发展以及汽车排放法规的陆续升级，该技术逐渐被应用到柴油车NOx排放控制领域。

SCR技术通过向排气中喷入还原剂（如尿素，碳氢化合物等）的方式，在催化剂的作用下将排气中的氮氧化物还原成氮气和水（加入催化剂与催化器的关系，强调催化器是SCR系统的核心部件）。目前，以氨气作为还原剂的SCR技术在柴油发动机上得到了广泛地应用，因此研究尿素SCR催化器具有重要的实用价值［1］。

1 CFD数值求解步骤

采用CFD方法对流体流动进行数值模拟，通常包括以下步骤。

（1）建立数学模型。所要研究问题的数学模型要能够充分反映工程问题或物理问题本质。具体地说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点，没有正确完善的数学模型，数值模拟就毫无意义，建立的模型要求能够反映所要研究问题的本质。这里的模型不仅包括了各个物理量之间的关系，它还包括了解决问题的各个控制方程和各种相应的边界条件，这些都是数值模拟的出发点，模拟计算的结果和选用的控制方程、边界条件以及模型又有着关重要的关系。

（2）数值离散化方法。求解偏微分方程的数值方法主要包括有限差分（Finite Difference Method，FDM）、有限元法（Finite Element Method，FEM）及有限体积法（Finite Volume Method，FVM）。这里的离散化方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。它们中的任意一种都可以用来求解偏微分方程，但解的精度各不相同。一般来说对椭圆型方程使用有限元法，对抛物型方程和双曲线方程则使用有限体积法。

（3）编程计算。这部分工作主要包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等，数值模拟分析结果的好坏与这部分的工作紧密相连。

（4）结果处理。通过计算机图形学等技术，将模拟计算结果形象直观地表示出来，便于工作人员检查判断分析［2］。

2 SCR催化器模型

如图1 所示，某催化器的三维模型主要包括以下几部分。

（1）进气管部分。发动机的排气经过催化器进气管被导入催化器内部。

（2）进气室容腔。即进气管出口处到催化剂载体进口部分的所有腔体。

（3）多孔介质区域。即催化还原反应发生的区域，由于求解方程中并未考虑化学反应，因此此区域只做多孔介质处理，并不添加化学反应项目［3］。

（4）排气室容腔。即催化剂载体出口部分与排气管进口处的所有空腔。

（5）排气管尾管。即废气经此处排出。

3 SCR催化器模型的求解

（1）将利用pro/E建立的催化器三维模型导入FLUENT的前处理软件GAMBIT中。由于三维模型的建立是在Pro/E软件中完成的，要对模型进行网格的划分和边界条件的设置，必须将格式为Pro/E制图STEP格式的文件转换到Gambit中。

（2）利用Gambit对所建模型进行网格的划分。采用HEX／WedgeCooper网格，选择适当的网格规格对几何模型进行网格划分，并进行网格检查。

（3）设置边界条件

面边界条件的设置：其中，进口设置为速度进口条件，即VELOCITY_INLET；出口设置为压力出口条件，即PRESSURE_OUTLET；在面边界条件设置中，进口管道壁面，出口管道壁面，催化器壁面，边界条件设置为壁面，即WALL；在催化器容腔内部的壁面，由于其是两个不同的实体（流体和固体的交界面），应该设置为内部交界面，即INTERFACE；对于多孔介质区域，其进口截面和出口截面必须是通畅的，因此其边界条件设置为内部边界条件，即INTERIOR。