基于CFD的SCR系统结构仿真研究

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：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DOI：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，其还原剂有氨基和烃基[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-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）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NO2占总NOx的10%左右，当NH3充足，首先发生NO2与等摩尔的NO按照式（5）进行的反应，剩下的NO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NO氧化成NO2，让NO与NO2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。所用催化剂为钒基，孔密度为62孔/cm2，容积为4.4 L。

固定部分的参数值见表1。

根据图1及表1所示的尺寸，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%。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100 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，往往采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+ξ与管道轴向平行且与气流方向成180°，喷嘴位于管道轴线处，距离载体前端面距离（a+k）=5d。

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。

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