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原文传递船用SCR脱硝过程中喷嘴雾化特性及流场数值模拟研究

论文题名：	船用SCR脱硝过程中喷嘴雾化特性及流场数值模拟研究
关键词：	船舶柴油机;尾部烟气;选择性催化还原法;脱硝工艺;喷嘴;喷雾特性
摘要：	随着近年来船舶行业的迅猛发展，船舶柴油机的有害排放对大气环境造成的污染已经引起国际社会的广泛关注。其中，对船舶柴油机NOx的排放控制是最重要的环节之一。　　本文以某船用柴油机尾部烟气SCR脱硝工艺为原型，利用试验与数值模拟相结合的方法，依次研究不同边界条件下喷嘴的喷雾特性、不同结构喷嘴的喷雾特性、尿素喷雾在烟道中的气体流场分布特性等关键问题。　　对于出口结构较为复杂喷嘴的喷雾特性的数值模拟研究，主要采用等效的方法简化。文中将两相喷嘴的环形出口等效为圆形出口，分别用FLUENT软件模拟两种结构喷嘴的喷雾雾化特性，分析模拟结果并与试验结果进行对比，分析该方法的优劣性。研究结果表明，采用气路面积等效原则得到的喷嘴，可以在很大程度上减少网格划分方面的工作，提高前处理工作效率，节约时间。但在模拟气体流场方面，与原喷嘴相比，由于简化了喷嘴出口结构，弱化了喷嘴出口结构对喷嘴出口附近气流的阻力作用，使得气体水平速度和速度梯度同时增大。等效喷嘴可以较好地预测喷雾液滴的平均直径分布，但在预测液滴水平速度分布时，在喷嘴出口处的预测结果与实际结果差别较大。　　对多种不同结构的喷嘴以及喷嘴组合后的喷雾特性进行试验与数值模拟研究。文中首先通过试验方法对水平喷射的单相喷嘴和两相喷嘴的喷雾特性进行了研究，分析了液体喷射压力、轴向距离、径向距离、气液流量比、两个喷嘴的水平间距等参数对喷嘴喷雾特性的影响。研究结果表明，单相喷嘴，在一定的轴向或径向距离处，随着液体压力的增大，液滴平均直径减小;在一定的液体压力时，雾化液滴平均直径随轴向或径向距离的增大而增大。两相喷嘴，随轴向距离的增大，喷雾液滴平均直径先减小后增大;随着气液质量流量比的增大，喷雾液滴平均直径逐渐减小。单相喷嘴只能通过提高液体压力这个唯一的途径来减小雾化液滴平均直径，提高喷雾效果;两相喷嘴通过改变两相流量的配比可以找到减小雾化液滴平均直径的途径。然后在试验的基础上，对两相喷嘴喷雾过程进行了模拟，扩展试验条件的范围，并模拟了气体入射角度对喷雾特性的影响，发现气体流场的扩展角始终保持在23.5°附近。对于两个两相喷嘴同时工作的工况进行模拟，发现当喷嘴流量均为20kg/h、水平间距在200mm～500mm时，两个喷嘴各自的气体流场几乎没有相互影响;液滴平均直径沿轴向呈现先减小后增大的变化趋势，与单个喷嘴变化趋势相似，喷嘴水平间距对两个喷嘴整体的液滴平均直径分布影响很小。　　对尿素溶液在催化剂反应区域前的烟道内的喷雾气体流场分布特性进行数值模拟研究，并根据模拟结果做出优化与改进。本文在排烟管道入口侧对称布置四个两相喷嘴，尿素溶液分别从四个喷嘴内喷出，采用数值模拟的方法，模拟研究尿素溶液喷雾过程。发现原三维圆管内部气体流场范围较小，沿喷射方向任意横截面气体水平速度梯度较大，不利于尿素溶液的喷雾及尿素液滴的混合。然后对原排烟管道进行改进优化，改进后的含球体混合器的圆管和含挡板混合器的圆管与原三维圆管相比，整体的气体水平速度以及沿喷射方向任意横截面的气体水平速度梯度显著减小，气体流场范围略有扩大，流场的均匀性得到提升，有利于尿素溶液的喷雾及尿素液滴的混合。
作者：	林鸿亮
专业：	动力工程
导师：	陈晓平;刘兵
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文