陳雅娟，李之華，雷 涵，黃豪中

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林537005）

0 引言

目前，選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是降低尾氣中NOx含量的最有效方法之一[1]。SCR技術(shù)通過(guò)向排氣管內(nèi)噴射32.5%的尿素水溶液，尿素水溶液在排氣管中與廢氣混合，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、熱解后產(chǎn)生還原劑NH3，NH3在催化劑的作用下與NOx反應(yīng)，最終將NOx轉(zhuǎn)化為N2和水[2]。該技術(shù)要求SCR入口NH3濃度均勻性和速度均勻性好，因此在排氣后處理系統(tǒng)中應(yīng)用混合器是必要的，但混合器的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生一定的壓力損失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化，所以要求混合器前后的壓力損失在合理范圍內(nèi)。

本文利用CFD軟件對(duì)某型號(hào)四缸柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的SCR入口均勻性，混合器前后壓降進(jìn)行了模擬分析，為后續(xù)柴油機(jī)排氣后處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方向。

1 CFD建模

1.1 幾何模型

本文所采用的某四缸柴油機(jī)后處理系統(tǒng)模型如圖1所示。為使柴油機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，某四缸柴油機(jī)后處理系統(tǒng)采用S型結(jié)構(gòu)，其中包括氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。噴嘴被安裝在DPF后，SCR前的拐角處，徑向噴射尿素。混合器主要由旋流片、環(huán)形擋板、多孔錐形管和葉片等結(jié)構(gòu)組成。尿素噴霧在旋流片區(qū)域和柴油機(jī)廢氣充分混合，形成湍流并產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)；在環(huán)形擋板的阻擋下，流體從多孔錐形管流出，多孔錐管起到導(dǎo)流和降噪的作用；最后流經(jīng)葉片結(jié)構(gòu)，以提高氣體均勻性。

圖1 某四缸柴油機(jī)后處理系統(tǒng)三維模型

1.2 數(shù)值模型

本研究整個(gè)計(jì)算域中，所有的計(jì)算值位于計(jì)算單元中心，使用Rhie-chow算法。通過(guò)有限體積法求解守恒方程，算子分裂法（PISO）求解輸運(yùn)方程。湍流模型選擇RNG k-ε。采用某型號(hào)四缸柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，排氣流量為0.211 9 kg/s，排氣溫度為773 K。此后處理系統(tǒng)中安裝有一個(gè)尿素噴嘴，3個(gè)噴孔，尿素流量為80 mg/s。

1.3 液膜模型

本文采用的Kuhnke film splash model，認(rèn)為當(dāng)K值大于飛濺臨界K值時(shí)，綜合考慮T*，液滴與壁面相互作用將出現(xiàn)飛濺，反彈，熱破碎，形成液膜四種結(jié)果（圖2）。

其中，ρ是噴霧密度，d是噴霧液滴直徑，U是液滴速度，δ是液滴表面張力，μ是液滴粘性。

其中，Twall是壁面溫度，Tboil是液體沸騰溫度。

圖2 Kuhn k e液膜飛濺模型

Kuhnke film splash model中K值較低的UWS液滴撞擊溫度較低的壁面時(shí)，在撞擊處將有液膜生成，液膜厚度hα：

其中，Vp是液滴包裹體積，Aα是α面的面積投影矢量。

1.4 蒸發(fā)模型

尿素水溶液的蒸汽壓低于純水蒸汽壓，因此水首先從尿素水溶液液滴中蒸發(fā)。當(dāng)尿素水溶液液滴中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%時(shí)可忽略不計(jì)，剩余的尿素結(jié)晶將在溫度達(dá)到尿素分解的溫度窗口時(shí)開(kāi)始熱分解。本文的尿素水溶液液滴蒸發(fā)模型參考了Abramzon[3]等人的文章，采用Frossling drop evaporation with droplet boiling model。該模型假設(shè)（1）：液滴球?qū)ΨQ；（2）液滴表面存在一層準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣膜，氣膜中壓降忽略不計(jì)。

液滴蒸發(fā)速率：

其中，D是液體蒸汽在空氣中的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，Shd是 Sherwood 數(shù)，ρg是氣體密度，ρl是液體密度，r0是初始液滴半徑，Bd被定義為：

其中γ*是滴水表面的蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)，γ1是蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

蒸發(fā)過(guò)程中，液滴溫度達(dá)到沸騰溫度時(shí)，液滴的蒸發(fā)速率采用droplet boiling model求解：

其中，Kair是導(dǎo)熱系數(shù)，cp，∞是比熱容，ρd是液滴密度，hfg是蒸發(fā)熱，Red是液滴雷諾數(shù)。與液滴蒸發(fā)不同，在液膜蒸發(fā)中考慮了四種分別由對(duì)流、蒸發(fā)、導(dǎo)熱、沸騰引起的熱流量（圖3）。

其中，上標(biāo)n是前一個(gè)時(shí)間步，n+1是當(dāng)前時(shí)間步，t是時(shí)間，Afilm和 Cp，film分別表示液膜的面積和熱容。對(duì)流、汽化、傳導(dǎo)和沸騰引起的熱通量分別用

圖3 液膜蒸發(fā)模型

2 結(jié)果討論

2.1 均勻性分析

圖4、5分別為整個(gè)計(jì)算域內(nèi)每個(gè)時(shí)刻SCR入口的NH3濃度和速度均勻性指數(shù)。NH3濃度均勻性指數(shù)0.3 s后基本穩(wěn)定在0.925～0.97。速度均勻性指數(shù)在整個(gè)模擬過(guò)程基本穩(wěn)定在0.93～0.95。引起這種現(xiàn)象原因可能是NH3濃度受到排氣系統(tǒng)內(nèi)局部溫度、UWS液滴分解速率、排氣系統(tǒng)內(nèi)瞬時(shí)流速、排氣管道和混合器結(jié)構(gòu)等多方面因素影響；而速度均勻性指數(shù)主要受排氣系統(tǒng)內(nèi)瞬時(shí)流速、排氣管道和混合器結(jié)構(gòu)的影響。

圖4 N H3濃度均勻性指數(shù)

圖5 速度均勻性指數(shù)

2.2 壓降分析

圖6 展示了0.98 s時(shí)混合器上的壓力分布，圖6為整個(gè)計(jì)算域內(nèi)混合器前后總壓降及混合器結(jié)構(gòu)中環(huán)形擋板、旋流片和錐管（包含葉片）三個(gè)區(qū)域的壓降。由圖6可以明顯看出環(huán)形擋板區(qū)域的壓降最大；由圖7的曲線可知，0.2 s后混合器前后總壓降穩(wěn)定在4.0 kPa～4.25 kPa，環(huán)形擋板區(qū)域壓降穩(wěn)定在2 kPa～2.2 kPa，因此，混合器前后的壓降主要由環(huán)形擋板導(dǎo)致。

圖6 混合器壓力分布圖

圖7 混合器前后總壓降和各部分壓降

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)CFD軟件，針對(duì)某型號(hào)四缸柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的SCR入口均勻性，混合器前后壓降進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，SCR入口NH3濃度均勻性、速度均勻性均大于0.92，并且混合器前后的壓降主要由環(huán)形擋板導(dǎo)致。