柴油机SCR混合器流场优化设计及混合特性研究

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选择性催化还原技术(SCR)是控制柴油机NOx排放的重要手段。在SCR系统工作时,尿素溶液的雾化混合状况会影响其工作效率,其中NH3生成特性和分布均匀性会影响NOx转换效率,喷雾撞壁后液膜形成和积累可能会产生结晶,进而影响SCR工作性能甚至堵塞排气管。为了探究混合器结构和喷射参数对SCR系统雾化混合特性的影响,对某型号柴油机后处理系统进行发动机台架实验,以获取不同工况下的排气参数。建立该后处理系统的CFD计算模型,以台架实验获取的排气参数作为计算边界条件,通过喷雾可视化试验获取台架实验所用尿素喷嘴的喷射参数,对CFD计算模型进行可靠性验证。在计算模型验证的基础上,以SCR混合器流场优化为目的,选取不同的进口挡板和导流板几何参数设计正交试验。通过仿真分析探究不同结构参数对混合器内湍动特性和混合系统背压的影响,同时通过均值化方法设立无量纲单指标评价标准,对试验模型进行综合评估。试验结果显示,通过选择合适的混合器结构,可以实现3种较优方案:(1)提升混合器湍动特性,而不增加混合系统总背压;(2)使混合器湍动特性不降低,而混合系统背压尽可能降低;(3)使混合系统背压略微升高,同时混合器湍动特性明显提升。选取湍动特性增强但背压不增加的试验模型,对扰流板距离进一步优化。为分析对比优化前后模型的混合特性,引入尿素溶液喷射系统和尿素溶液分解涉及的主要化学反应进行仿真计算。计算结果显示,优化模型有更好的速度分布特性、NH3生成特性和NH3分布特性。基于优化后的模型,分别更改喷雾锥角、喷嘴安装角度和喷雾倾斜角进行仿真计算,探究不同喷雾输入对NH3生成特性和混合器内液膜积累特性的影响。计算结果显示,喷射参数会影响尿素液滴在混合器内的空间分布状况,影响液滴与尾气的平均接触面积和在混合器内的滞留时间,进而影响雾化混合和尿素分解水平;喷射参数改变会影响尿素液滴撞击在混合器内表面如进出口挡板、扰流板和导流板等的时间、位置和总数量,进而影响混合器内积累的液膜质量。
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