宋 鑫

( 中國艦船研究院，北京100192)

0 引 言

大氣環(huán)保是當(dāng)今全球最關(guān)注的熱點話題之一，我國也逐步出臺法律法規(guī)明確大氣環(huán)境的保護措施。對于海洋環(huán)境而言，船機排放的廢氣是主要污染源之一，其中包含NOX，CO，VOCs，碳粒及煙塵等有害物質(zhì)。對于氮氧化物而言，主要成分是NO和NO2。NO 是無色氣體，本身毒性不大，但在大氣中會緩慢氧化成NO2。NO2是一種棕色的刺激性氣體，對肺和心肌有很強的毒害作用。大氣中的NOX成霧狀，形成大城市的“大霧問題”。NO2在被雨水沖洗下也增加土壤的酸度。

為實現(xiàn)船機氮氧化物NOX的控制，國際組織明確了2016年后推行TierIII的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且美國等發(fā)達國家已把相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)列入國家法規(guī)，并開始嚴(yán)格執(zhí)行。選擇性催化還原系統(tǒng)SCR 作為船機氮氧化物后處理技術(shù)的熱門技術(shù)被廣泛關(guān)注。在傳統(tǒng)的SCR系統(tǒng)設(shè)計中，為實現(xiàn)還原劑噴射控制需要不斷進行排氣管路、排氣點、噴嘴等結(jié)構(gòu)尺寸的修改，工作量較大。在結(jié)合數(shù)值仿真計算手段時，也較多集中在單一因素的干擾對系統(tǒng)影響的分析上，缺乏綜合系統(tǒng)的研究和比較。因此，如何在縮短設(shè)計周期與控制成本的前提下開展SCR 系統(tǒng)的設(shè)計是值得思考的問題。本文從多因素角度出發(fā)，采用計算流體力學(xué)(CFD)和正交設(shè)計手段，以船機SCR 系統(tǒng)降低NOX的效率為目標(biāo)，針對船機SCR 系統(tǒng)的噴射環(huán)節(jié)，分析了排氣流場的運動特性，綜合評估了噴射環(huán)節(jié)中影響系統(tǒng)性能的主要因素。

1 SCR 系統(tǒng)基本原理

SCR 系統(tǒng)組成主要包含尿素電子控制單元、發(fā)動機信號采集單元、催化器、尿素噴射泵及傳感器等部件。控制系統(tǒng)通過分析傳感器的輸入信號，結(jié)合噴射泵的輸出量及系統(tǒng)實際降低NOX的能力來決定噴射泵的供應(yīng)量，完成還原劑的噴射控制過程。

SCR 系統(tǒng)的NOX的催化還原反應(yīng)基本原理是［1］:

標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng):

快速反應(yīng):

2 計算流體力學(xué)分析

一般而言，船機SCR 系統(tǒng)可以看成是三維的流體運動，在還原劑噴射環(huán)節(jié)中主要包含尿素水溶液的噴射、排氣運動、還原劑霧化和氣體混合等過程。本文采用雷諾平均法對非穩(wěn)態(tài)連續(xù)方程和Navier-Stokes 方程作時間平均，得到SCR 系統(tǒng)的流動控制方程［2－3］:

式中:雷諾應(yīng)力采用標(biāo)準(zhǔn)k－ ε 模型計算，該模型把湍流粘度μt與湍動能k和湍動耗散率ε 相聯(lián)系。其中Cμ，Bε1，Bε2，Bε3和Bε4均為經(jīng)驗常數(shù)，v 為運動粘度。

SCR 系統(tǒng)的反應(yīng)是物理化學(xué)過程，質(zhì)的交換包含多種化學(xué)組分，反應(yīng)過程的組分都符合組分質(zhì)量守恒定律。因為催化劑主要是由多孔介質(zhì)組成，應(yīng)考慮加入動量項來計算單位體積內(nèi)物理量的守恒性質(zhì)，所以可采用如下固體能量守恒方程［4］:

式中:Cp，s為催化劑的比熱容;U 為熱傳導(dǎo)項;kh為氣固兩相的傳熱系數(shù);ΔT 為氣體與固體的溫度差;Sr為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的源項;V 為催化劑的體積。

3 正交計算原理

考慮到還原劑噴射方面影響系統(tǒng)NOX轉(zhuǎn)化效率的因素較多，采用正交設(shè)計法是最理想的選擇。正交設(shè)計［5］的計算點均衡分散，每個計算點都有很強的特征，能較全面地反映每個計算的大致情況。它主要從開始選定的計算因素的全部水平組合中，挑選出部分有代表性的水平組合進行計算。計算得到的方案，即使不是全面計算中最優(yōu)方案，也是相對最佳方案。

計算數(shù)據(jù)分析時與每個因素的目標(biāo)值比較，得出各因素的主次關(guān)系，使數(shù)據(jù)具有更綜合的可比性。通過正交計算，數(shù)據(jù)的分析計算更加方便，可大大提高分析計算的效率，縮短整體設(shè)計的周期。對于影響SCR 系統(tǒng)效率而言，通過正交設(shè)計良好的代表性和數(shù)據(jù)綜合性可使系統(tǒng)的各因素盡可能綜合的考慮，最重要的是能夠掌握因素的主次，能夠快速有效的找出優(yōu)化點。

一般而言，正交算法主要包括明確設(shè)計目標(biāo)、正交表的確立、確定設(shè)計計算方法和正交計算及結(jié)果綜合等方面。

4 仿真模型

為掌握還原劑噴射的主要因素與系統(tǒng)性能的關(guān)系，以提高船機SCR 系統(tǒng)的NOX轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo)，這里選取噴嘴位置、噴嘴孔數(shù)、噴霧錐角、液滴直徑來分析噴射環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的正交關(guān)系。

以常見船機管路模型為例，選用管路布置及催化器簡化模型如圖1所示。

圖1 管路布置及催化器模型Fig.1 Exhaust pipe and catalyst model

因噴嘴位置、噴嘴孔數(shù)、噴霧錐角、液滴直徑都為水平因素，設(shè)計因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level

由表1 可知，考慮了4個因素并選用4 水平做正交數(shù)值模擬計算，因此，可采用正交表L16(44)來設(shè)計。設(shè)計正交計算表如表2所示。

表2 正交計算表Tab.2 Orthogonal calculation

其中A，B，C，D 表示正交因素。

計算工況選取柴油機100%負(fù)荷，操作壓力設(shè)為0 Pa，其他主要邊界條件為:氣體密度為2.36 kg/m3，湍流強度設(shè)為2.8%，孔隙率為0.75。

以NOX轉(zhuǎn)化效率為計算目標(biāo)，系統(tǒng)效率至少大于83%，采用計算流體力學(xué)(CFD)仿真方法進行數(shù)值仿真分析。

圖2 流體動能分布Fig.2 Flow energy distribution

為考核計算的合理性，取正交計算1 工況為例，分析湍流動能的分布特點，從管路流動可看出，氣體在進入彎管和催化器入口區(qū)域后，湍流動能增強，因為流速變化增大提高了流體之間內(nèi)部的摩擦，從而提高了流動動能，而在催化劑中氣體擾動減小，動能也隨之減小，從計算效果看符合預(yù)期。

基于表2 正交計算的工況設(shè)計，結(jié)合計算流體力學(xué)仿真計算，得到不同工況下的NOX轉(zhuǎn)化率，具體計算結(jié)果如表3所示。

表3 計算表Tab.3 Calculation results

5 計算分析

為分析正交計算的結(jié)果，常采用極差分析法，其優(yōu)點是直觀、簡單。針對表3，利用極差分析可得出表4。

表4 極差分析結(jié)果Tab.4 Range analysis

針對每個因素計算平均值k1，k2，k3，比較每個因素下，不同水平的均值變化如圖3所示。可知A 因素的變化較其他因素的影響更大。圖4 列出不同因素下，極差數(shù)值的變化，同樣可看出因素A的極差值也遠大于其他因素。結(jié)合極差值、均值及轉(zhuǎn)化效率值的綜合分析，可得出影響NOX轉(zhuǎn)化率的主次因素是ABDC，較優(yōu)水平為A1，B2，C3，D1。

圖3 水平均值圖Fig.3 Level mean value

從上述分析可清楚知道，因素A 噴嘴位置的選取對船機SCR 系統(tǒng)的NOX轉(zhuǎn)化率目標(biāo)實現(xiàn)起著關(guān)鍵作用，其他因素的主次關(guān)系略有不同，但作用相對因素A的影響較小。

圖4 極差值Fig.4 Range value

考慮到極差分析不能估計計算誤差，不能排除誤差的干擾，無法確定結(jié)果的可信度。為了彌補這個缺點，進一步利用方差分析法對各因素的顯著水平給出一個定量分析。方差分析基本方法是將試驗結(jié)果總偏差平方和分解為各因素的偏差平方和與誤差平方和，構(gòu)成統(tǒng)計量，對各因素是否對試驗指標(biāo)具有顯著影響而進行F 檢驗，做出顯著性判斷。利用方差分析得到4個因素對NOX轉(zhuǎn)化率的影響，取a=0.05，F(xiàn)a 臨界值為3.490，方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析結(jié)果Tab.5 Variance analysis result

從表5 可知，因素A 為顯著影響，其次因素B，因素C 影響最小，此分析結(jié)果和極差分析結(jié)果相同，驗證了計算結(jié)果的可信度。

6 結(jié) 語

本文從多因素角度出發(fā)，比較了船機SCR 系統(tǒng)不同噴射結(jié)構(gòu)對NOX轉(zhuǎn)化效率的影響，得出噴嘴位置是影響效率的主要因素。采用正交計算方法，結(jié)合計算流體力學(xué)(CFD)算法，提出了船機SCR 系統(tǒng)設(shè)計的新思路。

［1］NOEL W C，DEAN C C，et，al.Formation and reactions of isocyanic acid during the catalytic reduction of nitrogen oxides［J］.Topics in Catalysis，2000，10:13－20.

［2］TUNCER C，JIAN P S，F(xiàn)ASSIKAFYEKE，et.al.工程計算流體力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［3］HERMAN W，HARALD B，F(xiàn)RANK T，et，al.Optimization of catalytic converter gas flow distribution by CFD prediction［C］//SAE Paper 930780.

［4］S.V.帕坦卡.傳熱與流體的數(shù)值計算［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.

［5］馬希文.正交設(shè)計的數(shù)學(xué)理論［M］.北京:人民教育出版社，1981.