本教程演示利用FLUENT进行尾气SCR处理系统模拟的基本设置过程。

1 案例介绍

利用含氮还原剂选择性催化还原(Slective Catalytic Reduction，SCR)工艺有利于脱除有害的氮氧化物，该工艺过程在汽车工业中越来越受到关注。由于柴油发动机排气温度较低，在催化剂存在的情况下，氨常被用作与NOx反应的催化剂。

然而，为保证安全、方便的储存和操作，常用尿素水溶液作为汽车后处理系统的脱氮催化剂。将尿素水溶液注入SCR催化剂的上游废气中，液体射流经过雾化、蒸发/分解、水解等步骤，形成由氨气、异氰酸、水、氧气等组分组成的混合物，该混合物在SCR催化剂中与NOx发生反应并将NOx转化为氮气，从而减少废气中的NOx。

SCR的性能可以通过其脱氮效率、氨及异氰酸的转换率来衡量，而这些参数在很大程度上取决于尿素注入量和分解率。

1.1 几何模型

本案例提供了网格文件，但是在创建几何图形和网格时要考虑以下几点：

• 计算区域包含三个部分：Injector、Mixer以及Catalyst
• 当利用多孔介质模拟催化剂时，需要为催化剂所在区域创建单独的流体域
• 采用厚壁面方法考虑壁面的保温

壁面热模型非常重要，因为其会影响壁面温度，进而影响到尿素的沉积。在保温区域划分计算网格可以提供较为准确的结果。但是在薄壳体中创建网格可能会产生非常多的计算网格，从而导致计算开销会很大。此时可采用薄壁热传导模型模拟保温材料及薄壳，采用此方法无需划分壁面网格，只需要指定壁面厚度即可。

1.2 网格处理

划分网格时考虑：

• 喷雾发展区域：采用均匀的六面体网格，网格方向沿着喷雾方向
• 催化剂区域：六面体网格，网格方向沿流动方向

颗粒碰撞和喷雾模型会产生网格依赖的解。此外进行喷雾标定研究以确定合适的喷雾模型常数、网格大小(在喷雾发展区域)和DPM时间步长也很重要。

案例主要涉及内容：

• 采用k-epsilon湍流模型
• 使用层流有限速率化学反应模型
• 创建SCR系统仿真
• 计算结果后处理

2 问题描述

在本案例中将模拟在汽车SCR系统中发生的液滴入射、雾化、蒸发/分解及混合过程。为评价SCR系统的性能，将使用均匀度指数的概念，其间接地表达了SCR系统的脱氮效率。

场变量的面积加权均匀性指数定义为：

体积加权均匀性指数定义为：

式中，及分别为面积A的面积向量与速度向量。为介质的密度。

注：本案例不求解氨气与NOx的化学反应过程，仅求解计算尿素水溶液的蒸发分解与混合过程。若想要考虑氨气与NOx的化学反应过程，需要添加气相体积反应方程。

3 Fluent设置

• 以3D、Double Precision方式启动Fluent
• 读取网格文件SCR Mesh.msh.gz

3.1 General设置

• 进入General面板中的Scale Mesh对话框，修改View Length Unit In为mm

• 进入Set Units对话框中，设置temperature的单位为c

3.2 Models设置

• 激活RNG k-epsilon湍流模型

• 打开Species Model对话框，如下图所示，选中Species Transport选项，激活Volumetric，选择Miture Material为urea-water-air，其他设置如图所示

注：Fluent材料库中包含了urea-water-air混合物，省去了单独定义材料的过程。

• 激活DPM模型，如下图所示进行设置

• 进入Physical Models选项卡，激活选项Virtual Mass Force、Pressure Gradient Force及Temperature Dependent Latent Heat

• 如下图所示设置第一个液滴入射器的相关几何参数

• 进入Turbulent Dispersion选项卡，激活随机游走模型，指定参数Number of Tries为4

• 进入Wet Combustion选项卡，激活选项Wet Combustion Model，指定Liquid Material为water-liquid，并设置Liquid Fraction为0.667

• 以第一个入射器为基础，复制一个新的入射器，如下图所示操作

• 按下表数据修改入射器参数

修改完毕后的入射器参数如下图所示。

• 相同方式创建第3个入射器，修改下表中的参数

创建完毕后的入射器如下图所示。

3.3 Materials设置

• 模型树节点Materials > Mixture > urea-water-air，确保组分排列如图所示

注：本案例中不涉及到NOx参与的反应，仅利用NH3及HNCO的浓度均匀性作为SCR效率的评价指标，因此组分中不包含NOx。若要做NOx与NH3等的化学反应，则需要将相应的反应物与产物都添加进来。

• 双击模型树节点Materials > Droplet Particle > water-liquid打开材料设置对话框，如下图所示设置材料参数

• 鼠标双击模型树节点Materials > Combusting Particle > urea-solid修改材料参数

3.4 Cell Zone Conditions

• 双击模型树节点Cell Zone Conditions > catalyst打开区域设置对话框，如下图所示设置该区域的多孔特性

3.5 边界条件设置

• 指定边界wallacat的热条件，如下图所示

• 设置wallacat的DPM条件，如下图所示

• 将边界wallacat的边界数据复制给边界wallbcat及wallcat，如下图所示操作

• 设置边界wall_mixpipes的热参数，如下图所示

• 设置wall_mixpipes的DPM参数，如下图所示

• 将wall_mixpipes的边界参数复制给其他边界，如下图所示

• 指定inlet边界的入口流量，如下图所示

• 指定inlet边界温度为400 c，如下图所示

• 指定inlet边界的组分，如下图所示

• 指定outlet边界条件，如下图所示

• 指定outlet边界的回流温度为400 c

3.6 定义监测

• 监测catin位置的nh3组分的均匀指数，如下图所示

• 检测catin位置的速度均匀指数，如下图所示

3.7 初始化

• 采用hybrid方法对计算区域进行初始化

3.8 迭代计算

• 设置迭代计算500步，如下图所示

3.9 计算结果

• 检测得到的NH3均匀指数分布

• 监测得到的速度均匀指数分布

• catin位置的NH3摩尔浓度云图分布

• catin位置的HNCO摩尔浓度云图分布

4 附录：SCR化学反应及案例文件

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道