基于CFD的非道路车辆尾气后处理器性能研究

本文针对一款非道路柴油机的尾气后处理装置进行了仿真和实验研究。应用计算流体力学软件建立了尿素溶液的喷射、液滴雾化以及蒸发模型，液滴与固体壁面相互作用模型。研究了一种基本型系统的SCR系统对尿素液滴雾化、蒸发和分解及SCR催化剂载体入口NH3分布均匀性、烟气速度均匀性、压力损失、液膜分布的影响。数值计算结果显示，该系统的结构紧凑化设计(短系统)后在烟气速度均匀性、氨气浓度均匀性、系统总压损失方面均满足设计要求；基于对液膜分布与累积量的计算和评价，短系统的抗结晶性能好于长系统，具备相对更高的系统耐久性能。同时，设计了一组稳态发动机台架结晶对比实验，台架试验得出了与仿真相一致的结晶趋势，短方案抗结晶能力强于长方案，另一方面也验证了CFD手段在系统结晶风险预测上的有效性。

尿素选择性催化还原(SCR)技术是目前应用最广泛的降低柴油机NO 排放的方法之一[1] [2]。随着中国非道路第四阶段排放法规的施行，非道路车辆必须加装或升级尾气后处理系统，同时，从成本角度出发，小体积设计是目前SCR 系统的发展趋势。通常情况，SCR 系统主要以烟气在催化剂载体固定截面的速度分布均匀性，氨气在催化剂载体固定截面的浓度均匀性，系统的总压损失等参数作为性能评价指标[3]。

SCR 系统中，尿素液滴与尿素混合器的交互过程直接决定了系统的脱硝效率，该过程的仿真是系统三维性能预测中最重要也是最复杂的一环。其中，混合器一方面通过产生涡流和湍流来促进NH3 和尾气的混合，另一方面通过提高尿素液滴蒸发速率和促进液滴二次破碎来改善尿素溶液的分解和雾化效果并壁面结晶[4] [5] [6] [7]。目前对道路车辆SCR 系统的研究主要集中在混合器对NH3 分布均匀性和压力损失的影响方面[8]-[12]，均具有非常高的工程应用价值，但是对非道路车辆的SCR 系统研究还非常少见， 此外对非道路SCR 系统采用液膜仿真来进行结晶性能预测研究则更鲜有报道。

本文对基于同一基本型衍生的两种具有长短差异的SCR 系统进行了数值模拟。其中，对结构紧凑化设计后进行了多个工况的系统性能模拟仿真，同时，针对低温特定工况使用液膜预测方法对比了结构紧凑化设计前后的尿素液膜分布、混合器固体温度分布，并评估系统的尿素结晶风险。本研究可作为一种标准的SCR 系统三维性能预测流程与方法加以推广应用。

2. 理论基础 2.1. 化学反应动力学模型 尿素液滴在与烟气混合过程中发生的物理化学变化如下：