﻿ 船用柴油机SCR喷射系统结构参数三维仿真与优化
 舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (7): 89-95 PDF

Simulation and optimization of structural parameters for SCR system of marine diesel engine
FU Li-dong, YANG Feng-yang, XU Jia-wei, WU Gui-tao
Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China
Abstract: The modeling of 6105AZLD diesel engine SCR system is established by FIRE software. Then, the simulation results are analyzed from the aspects of velocity field, pressure field, and atomization effect, which verify the rationality of the model. On the basis of the model, the influence of the structure parameters of the injection system of the SCR system is analyzed through control variable method. The optimal structural parameters of the injection system were selected by using the mixing uniformity and the NOx conversion rate as the evaluation criteria.
Key words: SCR     NOx     injection system     structural parameters     simulation and optimization
0 引　言

1 SCR系统三维模型的建立

 图 1 SCR计算网格 Fig. 1 Computational mesh of SCR
2 参数设置 2.1 入口边界条件

 ${Q_{m,ext}} = P \cdot g \cdot \left( {1 + \alpha A} \right){\text{，}}$ (1)

 $A = \frac{{32}}{{23.3\% }}\left[ {\frac{{m\% ({\rm C})}}{{12}} + \frac{{m\% ({\rm H})}}{4} - \frac{{m\% ({\rm O})}}{{32}}} \right]{\text{，}}$ (2)

 $\begin{split}{Q_{m,ext}} &= 86.6 \times 0.215 \times (1 + 2 \times 14.2) \\&=547.3986kg/h = 0.1521{\rm {kg/s}}{\text{。}}\end{split}$

 ${Q_{m,{\rm C{O_2}}}} = \frac{{P \times g \times m\% ({\rm C}) \times M({\rm C{O_2}})}}{{M({\rm C})}}{\text{，}}$ (3)
 ${Q_{m,{\rm {H_2}O}}} = \frac{{P \times g \times m\% ({\rm H}) \times M({\rm {H_2}O})}}{{2M({\rm H})}}{\text{。}}$ (4)

 $pM = \rho RT{\text{。}}$ (5)

 ${Q_{m,ext}} = \rho \cdot v \cdot \pi {r^2}{\text{，}}$ (6)

 $\mu = {\mu _0} \cdot \frac{{273 + C}}{{T + C}} \cdot {\left( {\frac{T}{{273}}} \right)^{3/2}}{\text{，}}$ (7)

 ${\mathop{Re}\nolimits} = \frac{{\rho v{D_{hyd}}}}{\mu }{\text{，}}$ (8)

 $I = 0.16Re^{- 1/8}{\text{，}}$ (9)

 $k = \frac{3}{2}{(vI)^2}{\text{，}}$ (10)
 $l = 0.07L{\text{。}}$ (11)

2.2 出口边界及壁面设置

2.3 喷嘴模型设置

3 试验台SCR系统仿真结果分析

3.1 压降分析

 图 2 压降分析 Fig. 2 Pressure drop analysis

3.2 雾化效果分析

 图 3 喷雾雾化效果 Fig. 3 Spray atomization effect
3.3 速度场分析

 图 4 0.4 s时X-Y切面速度分布 Fig. 4 Z-Cut velocity analysis at 0.4 s

 图 5 0.4 s时Y-Z切面速度分布 Fig. 5 X-Cut velocity analysis at 0.4 s

4 喷射系统结构参数优化

4.1 喷嘴孔数

 图 6 喷嘴喷孔数对NH3分布均匀性的影响 Fig. 6 The mole fraction of NH3 at catalyst inlet section with different injector holes

 图 7 不同喷嘴在催化剂出口NO浓度分布 Fig. 7 NO concentration distribution at catalyst outlet section with different injector holes

 图 8 喷嘴孔数对NOx转化率的影响 Fig. 8 Effection of injector holes number to NOx conversion

4.2 扩张段长度

 图 9 扩张段长度为70 mm，100 mm，130 mm，160 mm时目标截面处NO浓度分布 Fig. 9 NO concentration distribution at catalyst inlet section with 70 mm, 100 mm, 130 mm, 160 mm in expanded part

 图 10 扩张段长度对NOX转化率的影响 Fig. 10 Effect of the expanded part length to the conversion rate of NOX

4.3 喷嘴距首层催化剂的距离

 图 11 喷嘴到首层催化剂入口距离对喷雾液滴及NH3浓度分布的影响 Fig. 11 Effection of distance between injector and first catalyst layer inlet section to spray droplet and NH3 concentration distribution on specified section

 图 12 喷嘴到首层催化剂入口距离对NOX转化率的影响 Fig. 12 Effection of distance between injector and first catalyst layer inlet section to the NOX conversion

5 结　语

1）对压力场进行分析，得出SCR系统压降主要源自催化剂局部压力损失；通过喷雾粒径分布云图，分析了液滴雾化过程及规律；速度分布云图则直观显示了SCR催化反应器内排气的流速分布。

2）本文在柴油机处于75%负荷稳定工况、排气温度450 ℃、氨氮比为1.2的前提下，采用控制变量法，以NOX转化率为优化标准，对喷射系统结构参数进行优化，得出一组最优的结构参数：喷嘴孔数为8孔，扩张段长度为130 mm，喷嘴距催化剂入口截面的距离为6D

3）对碰壁现象进行分析。本文由于条件有限并未考虑喷雾液滴的碰壁现象，后续仿真可以在现有模型的基础上添加碰壁模型。

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