吕　林，陈　悦

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)



船用柴油机SCR系统双流体雾化喷嘴研究

吕林，陈悦

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

考虑到在SCR系统中尿素水溶液以喷雾的形式进入排气管，喷雾对尿素水溶液的蒸发、分解，以及沉积物的生成均有影响，船用SCR的工作环境具有排气流量大、排气温度低等特点，其对尿素喷嘴的雾化特性提出了更高的要求，通过建立喷嘴内气液两相流和喷嘴出口流场的耦合模型，对喷嘴的内部流动及喷雾发展过程进行分析，激光粒度分析仪和高速摄像机的试验结果表明，该模型可以准确描述尿素水溶液的雾化过程，可为喷嘴的优化设计提供理论依据。

柴油机；Urea-SCR；尿素喷嘴

船舶排放主要来自其使用的燃料——燃料油(重柴油及渣油)和柴油[1]。停泊在中国港口的大部分船舶使用的是燃料油，而燃料油的平均硫含量在3.5%以上，远高于机动车辆。因此，上述船舶造成了大量的气体排放源，主要包括硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)[2]。船舶排放对人类健康、气候变化和生态环境的影响更大[3-5]。

相比于SOx和PM，NOx的排放限值法规要严格的多。2008年10月，作为一个旨在防止海洋污染、维护航运安全的联合国机构，IMO正式通过了MARPOL 73/78附则VI的修正案《NOx技术规则》，对NOx排放提出了3个阶段的限值要求。2016年之后，在排放控制区域内航行的船舶应满足III级标准，相比I级标准NOx排放限值降低了80%[6]。为了满足如此严格的NOx排放标准，在船上应用NOx排放控制技术必不可少。

SCR技术凭借NOx转化效率高、燃油经济性好及适用范围广等优势，成为国内外实现IMO Tier III标准的主要技术方案。与车用SCR相比，船用SCR的运行温度较低，燃油的硫含量较高，在实际运行中易造成NOx排放偏高和NH3泄漏，并伴随着催化剂劣化等问题。根据SCR反应机理，影响SCR反应的因素主要有：催化器的结构类型、反应温度、空间速度、氨过量系数和还原剂的混和程度等。SCR结构设计完成后，催化器的结构类型和空速都已确定，在这种情况下，通过尿素水溶液喷射系统的优化，不仅可以有效解决SCR低温运行的问题，还能缓解催化剂劣化和降低NH3泄漏。

目前，针对尿素喷雾的蒸发分解及混合的研究主要集中在数值模拟方面。Felix Birkhold等人[7]建立了车用SCR系统尿素喷射过程的三维数值模型，分析了尿素液滴与排气和管壁的相互作用。模型考虑了气液两相的动量交换、液滴的蒸发和热解、异氰酸的水解，以及液滴和壁面之间的传热等物理化学过程，并且通过试验验证了模型的准确性。Jeong Soo-Jin等人基于尿素水溶液的CFD喷射模型，分析了喷孔数、喷嘴位置和喷雾锥角等对NOx转化效率及氨泄漏的影响。清华大学的张文娟等人[8]通过AVL-FIRE软件对整个SCR系统的工作过程进行了模拟，具体包括催化器内的排气流动、尿素水溶液的雾化及蒸发、尿素的分解和催化剂表面化学反应等。大量有关SCR喷射系统模拟研究的技术论文和报告，均反映了尿素喷射和喷雾在SCR改进和设计中的重要性，而长期以来，尿素喷嘴内部的流动特性及与此过程相关的尿素喷雾特性的研究都没有受到重视。

通过耦合喷嘴内部流动和之后的雾化过程，分析喷嘴结构参数对喷雾特性的影响，为喷嘴优化设计提供理论依据。

1　数值模型

1.1SCR喷嘴气液两相流模型

Euler-Euler模型主要用于处理任意多相的流动问题，可以计算多相流中各相的体积分数是其最大的特征[9]。AVL-Fire中包含了3种基于Euler-Euler方法的多相流模型，分别是Multi-fluid模型、Homogeneous模型和VOF(Volume-of-Fluid Model)模型。其中，Homogeneous模型精度最低，它假设所有相均匀混合，因此只需求解一个动量方程。VOF模型可用于追踪两种或多种互不相容流体的分界面，但VOF方程必须采用高阶的离散方程求解，因此对网格的依赖性很高。Multi-fluid模型要求完整计算所有相的守恒方程，它代表了Euler-Euler方法的基本原则。鉴于Multi-fluid模型的精确性及较低的网格依赖性，采用Multi-fluid模型进行喷嘴内气液两相流的数值模拟。

1.2喷嘴内流动与排气流场的耦合模型

尿素水溶液从喷嘴喷出后，进入排气管会发生初次破碎和二次破碎，在湍流的扩散和拉曳作用下不断相互碰撞和合并，伴随着液滴的破碎过程，蒸发和碰壁过程也同时进行，对应的发生区域见图1。理论上液滴发生破碎的顺序是先初次破碎而后发生二次破碎，模拟液滴破碎的模型有很多，并且基于不同的物理背景和数值算法。

图1　喷嘴出口的液滴变化过程

为了实现初次破碎的模拟，需要对近喷孔处的流体性质和气液两相的相互作用过程进行研究。在远离喷嘴的区域，采用欧拉/拉格朗日方法(DDM弥散相模型)描述，即通过求解大量质点的运动方程获取液滴的运动轨迹。

如图2所示，基于欧拉/欧拉方法的喷嘴内两相流模拟结果，可以通过喷嘴接口的形式与基于颗粒群轨迹的喷雾场模拟相结合，即前者作为后者的边界条件。在喷嘴接口处，包括流体速度、密度和湍动能等在内的流体数据均能顺利传递。这种方法可以获得详细的喷嘴出口数据，包括湍动能和空泡数量等，为采用初次破碎模型提供可能，从而为SCR系统的三维模拟提供更准确可靠的喷射初始条件。

图2　喷嘴内流动与喷雾场结合

2　SCR双流体雾化喷嘴仿真

船用SCR系统通常选用内部混和型式的双流体喷嘴，借助压缩空气在喷嘴内的高速流动促进尿素水溶液的雾化。因此，喷嘴的结构直接决定了尿素水溶液的雾化质量，进而对SCR系统的性能、气体组分的浓度分布产生不同程度的影响。为了在不增加还原剂消耗量的前提下获得较高NOx转化效率，需对尿素喷嘴进行研究和优化。

2.1喷嘴几何模型及网格

图3a)所示为一种双流体雾化喷嘴(以下简称喷枪)内气液通道，压缩气体经过6个气孔进入混合室，与来自液体通道的流体相遇并混合，最后从喷孔喷出。气、液通道在进入混合室之前为等截面的圆柱或圆环结构，为了减少网格的数量以节约计算时间，将喷枪出口部分作为计算域，如图3b)。

图3　喷枪几何模型

喷枪出口部分的网格划分见图4，为了提高计算精度，整个计算域均采用结构化网格划分；喷孔处由于流体的流速较高，对网格进行了加密处理。6个喷孔的出口截面分别建立selection，以输出各相的速度、压力、湍动能、体积分数和流体性质等数据，并作为后续喷雾场模拟的边界条件。整体网格数量在30万左右。

图4　喷枪几何模型

2.2边界条件

Multi-fluid模型中，一般将可压缩的流体作为基本相。在喷枪中，雾化介质和雾化工质分别为理想空气和40%质量分数的尿素水溶液，因此空气为第一相，尿素水溶液为第二相。40%质量分数的尿素水溶液的密度约为1 120 kg/m3，考虑到尿素水溶液的物理特性与水非常相近，表面张力系数和动态粘度参考水的流体性质，分为设为0.072 N/m和0.001 Pa·s。根据喷枪的实际工作状况，将气相和液相的进口边界条件均设为压力进口(静压)，出口为大气压。入口边界上的湍流参数通过湍流强度和湍流长度的方式定义。为了考察不同气、液流量下喷嘴内的流动过程及后续的雾化特性，设计了3中不同的气、液压力，计算工况见表1。

表1　3种工况的气、液压力　 MPa

气液相界面采用显式时间离散格式进行瞬态计算，湍流模型采用k-ε模型。连续方程的离散化格式采用中心差分格式，其他各项均为一阶上风格式。此外，SIMPLE算法用于压力和速度的耦合。由于喷枪安装位置的不确定性，暂不考虑重力对喷嘴内流场的影响。

2.3喷嘴内气液两相流分析

喷嘴内部液相在不同时刻的分布见图5。喷射开始前，喷枪内充满空气，0.02 s时液相朝着喷孔的方向移动，此时气液交界面呈现圆弧状。液相与气相在混合室入口处相遇，液相被空气撕裂和粉碎，并向四周扩散；进入混合室后，在压缩空气的膨胀作用下液体被进一步雾化。液相主要集中在中心轴线上，其体积分数沿径向递减，最终在1.2 s达到两相平衡。由此可见，Multi-fluid模型虽然不能精确地描述出喷嘴内部液滴形成的详细过程，但是可以定性地描述两相流动的发展趋势，同时捕捉两相的交界面。

图5　不同时刻的液相分布

在工况3的边界条件下，喷嘴内液相压力和速度的分布如图6所示。液相从进口到出口，分别经过了大通道、渐缩管、小通道、混合室和喷孔五个区域。在大通道部分，液相轴向速度变化不大，基本维持在0.2 m/s的范围内；进入渐缩管后，由于流动截面变小，液相速度逐渐增大，并在小通道出口位置达到4 m/s；到达混合室后端、喷孔入口处，液相速度迅速增大到70 m/s。由此可见，液相在喷嘴内部是一个与气相发生动量交换、不断加速的过程。液相在流动的过程中，需要克服局部和沿程的阻力损失，因此压力逐渐减小，在喷孔处由于流速的增加，导致压力瞬间降到100 kPa。

图6　喷嘴内液相压力和速度的分布

2.4雾化结构特征分析

在喷嘴内气、液两相流的计算结果中导出喷嘴出口处各相的速度、压力、湍动能、体积分数和流体性质等数据，并作为后续喷雾场模拟的边界条件。根据喷枪的实际结构及其工作环境，选取喷嘴外一个直径为0.4 m、长度为1 m的圆柱空间进行雾化过程的冷态数值模拟。

工况1～3的雾化液滴直径分布见图7。

图7　雾化液滴直径分布

由于喷雾场中液滴的数量较大，不便于多方案间的对比，根据喷孔的轴对称特性，选取喷嘴外轴向距离0.2 m、径向距离0.1 m的区域进行分析。由图可见，粒径分布跨度较大，最小粒径只有4 μm，最大粒径高达500 μm。随着轴向距离的增加，液滴逐渐破碎成较小的液滴，在下游30 mm的距离内，可以明显的观察到液滴的初次破碎现象；靠近轴线位置的粒径较小，这是由于空气在此处的速度最高，气液两相的相互作用较为强烈。对比不同气、液压力的粒径分布发现，气、液压力越小，液滴破碎的速度越慢，在相同距离内的粒径也越大[10]。

通过对喷雾场中液滴的分布图进行图像处理，即以液滴群的外轮廓为喷雾的外边界，可以得到喷雾锥角的大小。距离喷嘴出口越远，喷雾截面的范围越广，意味着液滴与更多的空气相互作用，液滴径向速度的减小会导致雾锥出现收口。对比不同气、液压力的喷雾锥角发现，喷嘴近喷口处的喷雾锥角均为60°左右，与喷孔轴线的夹角一致，说明此类喷嘴的雾化角主要取决于结构，与喷射量无关。

3　试验验证

3.1试验设备与方法

通过LSA-III型激光粒度测试仪对喷嘴的雾化粒径进行测量，如图8所示。激光粒度仪主要利用光的散射法来测量粒子的尺寸分布，即通过测量散射光在轴向上的空间角度来计算粒度的分布。激光粒度测试仪选择500 mm焦距的物镜，测量范围9～975 μm。测量时，喷孔与射线的垂直距离设置为200 mm，测点与透镜的距离为600 mm。

图8　LSA-III激光粒度测试原理

利用高速摄像机拍摄在不同喷射压力下喷嘴的喷雾形态，对喷雾模型进行校验。图9为搭建的高速摄影试验台架，具体包括：聚光灯、标尺、格兰富喷射系统和高速摄像机等。其中，聚光灯的作用是弥补高速摄像机快门速度过高导致的补光不足，标尺可以为数据的后处理提供参照。高速摄像机的帧数设置为1 000(1 s内拍摄1 000张照片)，设置图片的对比度、锐度和亮度，使得喷雾清晰度达到最高。

图9　高速摄影试验台架

3.2雾化粒径和雾化形态对比

为了与粒径分布试验的数据进行对比，统计了喷嘴下游0.2 m处液滴的SMD，如图10。

工况1～3的雾化粒径分别为36.1、30和26.2 μm，略小于试验值35.6、27.4和25.2 μm。

由此可见，该模型可以很好地模拟喷嘴内部的气液流动状况，并且使得随后喷雾场的模拟结果更为可信。

图10　仿真与试验的粒径对比

喷雾形态对比见图11，左为试验，右为计算。

图11　喷雾形态对比

由图11可见，在同一时刻试验与仿真的喷雾贯穿距和锥角基本一致。利用该模型可以模拟不同工况下的雾化情况，为喷嘴的结构设计提供很好的参考价值。此外，在船用SCR的结构设计中，准确的喷雾模型也是必不可少的。

4　结论

1)Multi-fluid多相流模型可以定性地描述两相流动的发展趋势，同时捕捉两相的交界面，并输出流体密度、速度、湍动能和各相的体积分数等数据作用后续喷雾场计算的边界条件。

2)仿真结果表明，气、液压力越小，液滴破碎的速度越慢，在相同距离内的粒径也越大；双流体喷枪的雾化角主要取决于结构，和喷射量无关。

3)通过激光粒度分析仪和高速摄像机对计算结果进行验证，喷雾粒径和喷雾形态的模拟值和实测值基本一致，说明喷嘴内流动与排气流场的耦合模型可以准确模拟尿素水溶液的雾化(包括液滴的初次破碎、二次破碎)、蒸发和分解等过程。

(4)尿素喷嘴的多相流模型中，只考虑了气相和液相的动量交换，没有考虑质量交换、湍动能交换和能量交换等物理过程。可进一步完善该模型，从而定量地描述两相流动的发展趋势，包括两相交界面、湍流和空穴等现象的模拟。

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Research on Two-fluid Atomizing Nozzle of SCR for Marine Diesels

LV Lin, CHEN Yue

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China)

For SCR systems, the urea entering the exhaust pipe in the form of spray, and the atomization characteristics have influences upon the evaporation, decomposition and deposit of urea. Due to working conditions of high exhaust mass flow and low exhaust temperature, marine SCR demands for higher performance of atomization characteristics. A new model that coupled two-phase flow in injector and spray field for the two-fluid atomizing nozzle is developed. Specifically, the numerical model is applied in simulating the atomizing process of urea. According to the results of LSA-III Laser particle size tester and highspeed camera, the model can describe accurately the atomizing process of urea and used in numerical simulation of flow field.

diesel engine; Urea-SCR; urea injector

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.014

2015-11-19

2015-12-07

国家自然科学基金(51379165);

吕林(1961-)，男，硕士，教授

U664.12；TK421

A

1671-7953(2016)01-0066-06

湖北省自然科学基金(20520005)

研究方向:柴油机性能优化与排放控制

E-mail:lulinwhut@163.com