呂　林，陳　悅

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

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船用柴油機SCR系統(tǒng)雙流體霧化噴嘴研究

呂林，陳悅

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

考慮到在SCR系統(tǒng)中尿素水溶液以噴霧的形式進入排氣管，噴霧對尿素水溶液的蒸發(fā)、分解，以及沉積物的生成均有影響，船用SCR的工作環(huán)境具有排氣流量大、排氣溫度低等特點，其對尿素噴嘴的霧化特性提出了更高的要求，通過建立噴嘴內(nèi)氣液兩相流和噴嘴出口流場的耦合模型，對噴嘴的內(nèi)部流動及噴霧發(fā)展過程進行分析，激光粒度分析儀和高速攝像機的試驗結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確描述尿素水溶液的霧化過程，可為噴嘴的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

柴油機；Urea-SCR；尿素噴嘴

船舶排放主要來自其使用的燃料——燃料油(重柴油及渣油)和柴油[1]。停泊在中國港口的大部分船舶使用的是燃料油，而燃料油的平均硫含量在3.5%以上，遠(yuǎn)高于機動車輛。因此，上述船舶造成了大量的氣體排放源，主要包括硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)[2]。船舶排放對人類健康、氣候變化和生態(tài)環(huán)境的影響更大[3-5]。

相比于SOx和PM，NOx的排放限值法規(guī)要嚴(yán)格的多。2008年10月，作為一個旨在防止海洋污染、維護航運安全的聯(lián)合國機構(gòu)，IMO正式通過了MARPOL 73/78附則VI的修正案《NOx技術(shù)規(guī)則》，對NOx排放提出了3個階段的限值要求。2016年之后，在排放控制區(qū)域內(nèi)航行的船舶應(yīng)滿足III級標(biāo)準(zhǔn)，相比I級標(biāo)準(zhǔn)NOx排放限值降低了80%[6]。為了滿足如此嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，在船上應(yīng)用NOx排放控制技術(shù)必不可少。

SCR技術(shù)憑借NOx轉(zhuǎn)化效率高、燃油經(jīng)濟性好及適用范圍廣等優(yōu)勢，成為國內(nèi)外實現(xiàn)IMO Tier III標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)方案。與車用SCR相比，船用SCR的運行溫度較低，燃油的硫含量較高，在實際運行中易造成NOx排放偏高和NH3泄漏，并伴隨著催化劑劣化等問題。根據(jù)SCR反應(yīng)機理，影響SCR反應(yīng)的因素主要有：催化器的結(jié)構(gòu)類型、反應(yīng)溫度、空間速度、氨過量系數(shù)和還原劑的混和程度等。SCR結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，催化器的結(jié)構(gòu)類型和空速都已確定，在這種情況下，通過尿素水溶液噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，不僅可以有效解決SCR低溫運行的問題，還能緩解催化劑劣化和降低NH3泄漏。

目前，針對尿素噴霧的蒸發(fā)分解及混合的研究主要集中在數(shù)值模擬方面。Felix Birkhold等人[7]建立了車用SCR系統(tǒng)尿素噴射過程的三維數(shù)值模型，分析了尿素液滴與排氣和管壁的相互作用。模型考慮了氣液兩相的動量交換、液滴的蒸發(fā)和熱解、異氰酸的水解，以及液滴和壁面之間的傳熱等物理化學(xué)過程，并且通過試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性。Jeong Soo-Jin等人基于尿素水溶液的CFD噴射模型，分析了噴孔數(shù)、噴嘴位置和噴霧錐角等對NOx轉(zhuǎn)化效率及氨泄漏的影響。清華大學(xué)的張文娟等人[8]通過AVL-FIRE軟件對整個SCR系統(tǒng)的工作過程進行了模擬，具體包括催化器內(nèi)的排氣流動、尿素水溶液的霧化及蒸發(fā)、尿素的分解和催化劑表面化學(xué)反應(yīng)等。大量有關(guān)SCR噴射系統(tǒng)模擬研究的技術(shù)論文和報告，均反映了尿素噴射和噴霧在SCR改進和設(shè)計中的重要性，而長期以來，尿素噴嘴內(nèi)部的流動特性及與此過程相關(guān)的尿素噴霧特性的研究都沒有受到重視。

通過耦合噴嘴內(nèi)部流動和之后的霧化過程，分析噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴霧特性的影響，為噴嘴優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1　數(shù)值模型

1.1SCR噴嘴氣液兩相流模型

Euler-Euler模型主要用于處理任意多相的流動問題，可以計算多相流中各相的體積分?jǐn)?shù)是其最大的特征[9]。AVL-Fire中包含了3種基于Euler-Euler方法的多相流模型，分別是Multi-fluid模型、Homogeneous模型和VOF(Volume-of-Fluid Model)模型。其中，Homogeneous模型精度最低，它假設(shè)所有相均勻混合，因此只需求解一個動量方程。VOF模型可用于追蹤兩種或多種互不相容流體的分界面，但VOF方程必須采用高階的離散方程求解，因此對網(wǎng)格的依賴性很高。Multi-fluid模型要求完整計算所有相的守恒方程，它代表了Euler-Euler方法的基本原則。鑒于Multi-fluid模型的精確性及較低的網(wǎng)格依賴性，采用Multi-fluid模型進行噴嘴內(nèi)氣液兩相流的數(shù)值模擬。

1.2噴嘴內(nèi)流動與排氣流場的耦合模型

尿素水溶液從噴嘴噴出后，進入排氣管會發(fā)生初次破碎和二次破碎，在湍流的擴散和拉曳作用下不斷相互碰撞和合并，伴隨著液滴的破碎過程，蒸發(fā)和碰壁過程也同時進行，對應(yīng)的發(fā)生區(qū)域見圖1。理論上液滴發(fā)生破碎的順序是先初次破碎而后發(fā)生二次破碎，模擬液滴破碎的模型有很多，并且基于不同的物理背景和數(shù)值算法。

圖1　噴嘴出口的液滴變化過程

為了實現(xiàn)初次破碎的模擬，需要對近噴孔處的流體性質(zhì)和氣液兩相的相互作用過程進行研究。在遠(yuǎn)離噴嘴的區(qū)域，采用歐拉/拉格朗日方法(DDM彌散相模型)描述，即通過求解大量質(zhì)點的運動方程獲取液滴的運動軌跡。

如圖2所示，基于歐拉/歐拉方法的噴嘴內(nèi)兩相流模擬結(jié)果，可以通過噴嘴接口的形式與基于顆粒群軌跡的噴霧場模擬相結(jié)合，即前者作為后者的邊界條件。在噴嘴接口處，包括流體速度、密度和湍動能等在內(nèi)的流體數(shù)據(jù)均能順利傳遞。這種方法可以獲得詳細(xì)的噴嘴出口數(shù)據(jù)，包括湍動能和空泡數(shù)量等，為采用初次破碎模型提供可能，從而為SCR系統(tǒng)的三維模擬提供更準(zhǔn)確可靠的噴射初始條件。

圖2　噴嘴內(nèi)流動與噴霧場結(jié)合

2　SCR雙流體霧化噴嘴仿真

船用SCR系統(tǒng)通常選用內(nèi)部混和型式的雙流體噴嘴，借助壓縮空氣在噴嘴內(nèi)的高速流動促進尿素水溶液的霧化。因此，噴嘴的結(jié)構(gòu)直接決定了尿素水溶液的霧化質(zhì)量，進而對SCR系統(tǒng)的性能、氣體組分的濃度分布產(chǎn)生不同程度的影響。為了在不增加還原劑消耗量的前提下獲得較高NOx轉(zhuǎn)化效率，需對尿素噴嘴進行研究和優(yōu)化。

2.1噴嘴幾何模型及網(wǎng)格

圖3a)所示為一種雙流體霧化噴嘴(以下簡稱噴槍)內(nèi)氣液通道，壓縮氣體經(jīng)過6個氣孔進入混合室，與來自液體通道的流體相遇并混合，最后從噴孔噴出。氣、液通道在進入混合室之前為等截面的圓柱或圓環(huán)結(jié)構(gòu)，為了減少網(wǎng)格的數(shù)量以節(jié)約計算時間，將噴槍出口部分作為計算域，如圖3b)。

圖3　噴槍幾何模型

噴槍出口部分的網(wǎng)格劃分見圖4，為了提高計算精度，整個計算域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；噴孔處由于流體的流速較高，對網(wǎng)格進行了加密處理。6個噴孔的出口截面分別建立selection，以輸出各相的速度、壓力、湍動能、體積分?jǐn)?shù)和流體性質(zhì)等數(shù)據(jù)，并作為后續(xù)噴霧場模擬的邊界條件。整體網(wǎng)格數(shù)量在30萬左右。

圖4　噴槍幾何模型

2.2邊界條件

Multi-fluid模型中，一般將可壓縮的流體作為基本相。在噴槍中，霧化介質(zhì)和霧化工質(zhì)分別為理想空氣和40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素水溶液，因此空氣為第一相，尿素水溶液為第二相。40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的尿素水溶液的密度約為1 120 kg/m3，考慮到尿素水溶液的物理特性與水非常相近，表面張力系數(shù)和動態(tài)粘度參考水的流體性質(zhì)，分為設(shè)為0.072 N/m和0.001 Pa·s。根據(jù)噴槍的實際工作狀況，將氣相和液相的進口邊界條件均設(shè)為壓力進口(靜壓)，出口為大氣壓。入口邊界上的湍流參數(shù)通過湍流強度和湍流長度的方式定義。為了考察不同氣、液流量下噴嘴內(nèi)的流動過程及后續(xù)的霧化特性，設(shè)計了3中不同的氣、液壓力，計算工況見表1。

表1　3種工況的氣、液壓力　 MPa

氣液相界面采用顯式時間離散格式進行瞬態(tài)計算，湍流模型采用k-ε模型。連續(xù)方程的離散化格式采用中心差分格式，其他各項均為一階上風(fēng)格式。此外，SIMPLE算法用于壓力和速度的耦合。由于噴槍安裝位置的不確定性，暫不考慮重力對噴嘴內(nèi)流場的影響。

2.3噴嘴內(nèi)氣液兩相流分析

噴嘴內(nèi)部液相在不同時刻的分布見圖5。噴射開始前，噴槍內(nèi)充滿空氣，0.02 s時液相朝著噴孔的方向移動，此時氣液交界面呈現(xiàn)圓弧狀。液相與氣相在混合室入口處相遇，液相被空氣撕裂和粉碎，并向四周擴散；進入混合室后，在壓縮空氣的膨脹作用下液體被進一步霧化。液相主要集中在中心軸線上，其體積分?jǐn)?shù)沿徑向遞減，最終在1.2 s達(dá)到兩相平衡。由此可見，Multi-fluid模型雖然不能精確地描述出噴嘴內(nèi)部液滴形成的詳細(xì)過程，但是可以定性地描述兩相流動的發(fā)展趨勢，同時捕捉兩相的交界面。

圖5　不同時刻的液相分布

在工況3的邊界條件下，噴嘴內(nèi)液相壓力和速度的分布如圖6所示。液相從進口到出口，分別經(jīng)過了大通道、漸縮管、小通道、混合室和噴孔五個區(qū)域。在大通道部分，液相軸向速度變化不大，基本維持在0.2 m/s的范圍內(nèi)；進入漸縮管后，由于流動截面變小，液相速度逐漸增大，并在小通道出口位置達(dá)到4 m/s；到達(dá)混合室后端、噴孔入口處，液相速度迅速增大到70 m/s。由此可見，液相在噴嘴內(nèi)部是一個與氣相發(fā)生動量交換、不斷加速的過程。液相在流動的過程中，需要克服局部和沿程的阻力損失，因此壓力逐漸減小，在噴孔處由于流速的增加，導(dǎo)致壓力瞬間降到100 kPa。

圖6　噴嘴內(nèi)液相壓力和速度的分布

2.4霧化結(jié)構(gòu)特征分析

在噴嘴內(nèi)氣、液兩相流的計算結(jié)果中導(dǎo)出噴嘴出口處各相的速度、壓力、湍動能、體積分?jǐn)?shù)和流體性質(zhì)等數(shù)據(jù)，并作為后續(xù)噴霧場模擬的邊界條件。根據(jù)噴槍的實際結(jié)構(gòu)及其工作環(huán)境，選取噴嘴外一個直徑為0.4 m、長度為1 m的圓柱空間進行霧化過程的冷態(tài)數(shù)值模擬。

工況1～3的霧化液滴直徑分布見圖7。

圖7　霧化液滴直徑分布

由于噴霧場中液滴的數(shù)量較大，不便于多方案間的對比，根據(jù)噴孔的軸對稱特性，選取噴嘴外軸向距離0.2 m、徑向距離0.1 m的區(qū)域進行分析。由圖可見，粒徑分布跨度較大，最小粒徑只有4 μm，最大粒徑高達(dá)500 μm。隨著軸向距離的增加，液滴逐漸破碎成較小的液滴，在下游30 mm的距離內(nèi)，可以明顯的觀察到液滴的初次破碎現(xiàn)象；靠近軸線位置的粒徑較小，這是由于空氣在此處的速度最高，氣液兩相的相互作用較為強烈。對比不同氣、液壓力的粒徑分布發(fā)現(xiàn)，氣、液壓力越小，液滴破碎的速度越慢，在相同距離內(nèi)的粒徑也越大[10]。

通過對噴霧場中液滴的分布圖進行圖像處理，即以液滴群的外輪廓為噴霧的外邊界，可以得到噴霧錐角的大小。距離噴嘴出口越遠(yuǎn)，噴霧截面的范圍越廣，意味著液滴與更多的空氣相互作用，液滴徑向速度的減小會導(dǎo)致霧錐出現(xiàn)收口。對比不同氣、液壓力的噴霧錐角發(fā)現(xiàn)，噴嘴近噴口處的噴霧錐角均為60°左右，與噴孔軸線的夾角一致，說明此類噴嘴的霧化角主要取決于結(jié)構(gòu)，與噴射量無關(guān)。

3　試驗驗證

3.1試驗設(shè)備與方法

通過LSA-III型激光粒度測試儀對噴嘴的霧化粒徑進行測量，如圖8所示。激光粒度儀主要利用光的散射法來測量粒子的尺寸分布，即通過測量散射光在軸向上的空間角度來計算粒度的分布。激光粒度測試儀選擇500 mm焦距的物鏡，測量范圍9～975 μm。測量時，噴孔與射線的垂直距離設(shè)置為200 mm，測點與透鏡的距離為600 mm。

圖8　LSA-III激光粒度測試原理

利用高速攝像機拍攝在不同噴射壓力下噴嘴的噴霧形態(tài)，對噴霧模型進行校驗。圖9為搭建的高速攝影試驗臺架，具體包括：聚光燈、標(biāo)尺、格蘭富噴射系統(tǒng)和高速攝像機等。其中，聚光燈的作用是彌補高速攝像機快門速度過高導(dǎo)致的補光不足，標(biāo)尺可以為數(shù)據(jù)的后處理提供參照。高速攝像機的幀數(shù)設(shè)置為1 000(1 s內(nèi)拍攝1 000張照片)，設(shè)置圖片的對比度、銳度和亮度，使得噴霧清晰度達(dá)到最高。

圖9　高速攝影試驗臺架

3.2霧化粒徑和霧化形態(tài)對比

為了與粒徑分布試驗的數(shù)據(jù)進行對比，統(tǒng)計了噴嘴下游0.2 m處液滴的SMD，如圖10。

工況1～3的霧化粒徑分別為36.1、30和26.2 μm，略小于試驗值35.6、27.4和25.2 μm。

由此可見，該模型可以很好地模擬噴嘴內(nèi)部的氣液流動狀況，并且使得隨后噴霧場的模擬結(jié)果更為可信。

圖10　仿真與試驗的粒徑對比

噴霧形態(tài)對比見圖11，左為試驗，右為計算。

圖11　噴霧形態(tài)對比

由圖11可見，在同一時刻試驗與仿真的噴霧貫穿距和錐角基本一致。利用該模型可以模擬不同工況下的霧化情況，為噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供很好的參考價值。此外，在船用SCR的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，準(zhǔn)確的噴霧模型也是必不可少的。

4　結(jié)論

1)Multi-fluid多相流模型可以定性地描述兩相流動的發(fā)展趨勢，同時捕捉兩相的交界面，并輸出流體密度、速度、湍動能和各相的體積分?jǐn)?shù)等數(shù)據(jù)作用后續(xù)噴霧場計算的邊界條件。

2)仿真結(jié)果表明，氣、液壓力越小，液滴破碎的速度越慢，在相同距離內(nèi)的粒徑也越大；雙流體噴槍的霧化角主要取決于結(jié)構(gòu)，和噴射量無關(guān)。

3)通過激光粒度分析儀和高速攝像機對計算結(jié)果進行驗證，噴霧粒徑和噴霧形態(tài)的模擬值和實測值基本一致，說明噴嘴內(nèi)流動與排氣流場的耦合模型可以準(zhǔn)確模擬尿素水溶液的霧化(包括液滴的初次破碎、二次破碎)、蒸發(fā)和分解等過程。

(4)尿素噴嘴的多相流模型中，只考慮了氣相和液相的動量交換，沒有考慮質(zhì)量交換、湍動能交換和能量交換等物理過程?？蛇M一步完善該模型，從而定量地描述兩相流動的發(fā)展趨勢，包括兩相交界面、湍流和空穴等現(xiàn)象的模擬。

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Research on Two-fluid Atomizing Nozzle of SCR for Marine Diesels

LV Lin, CHEN Yue

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China)

For SCR systems, the urea entering the exhaust pipe in the form of spray, and the atomization characteristics have influences upon the evaporation, decomposition and deposit of urea. Due to working conditions of high exhaust mass flow and low exhaust temperature, marine SCR demands for higher performance of atomization characteristics. A new model that coupled two-phase flow in injector and spray field for the two-fluid atomizing nozzle is developed. Specifically, the numerical model is applied in simulating the atomizing process of urea. According to the results of LSA-III Laser particle size tester and highspeed camera, the model can describe accurately the atomizing process of urea and used in numerical simulation of flow field.

diesel engine; Urea-SCR; urea injector

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.014

2015-11-19

2015-12-07

國家自然科學(xué)基金(51379165);

呂林(1961-)，男，碩士，教授

U664.12；TK421

A

1671-7953(2016)01-0066-06

湖北省自然科學(xué)基金(20520005)

研究方向:柴油機性能優(yōu)化與排放控制

E-mail:lulinwhut@163.com