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原文传递船用SCR系统尿素水溶液混合性能优化研究

论文题名：	船用SCR系统尿素水溶液混合性能优化研究
关键词：	船用柴油机;选择性催化还原系统;双静态混合器;尿素转化效率
摘要：	随着TierШ法规的颁布与实施，船舶尾气NOx控制面临严峻的挑战，对船用SCR系统催化转化效率的提升提出了更高的要求。静态混合器作为SCR系统的关键部件，在提高尿素转化效率，改善氨气空间分布均匀性等方面作用明显，得以广泛应用。但在船机安装空间小、近岸的机动航行和低负荷工况排气温度较低的情况下，单静态混合器船用SCR系统无法完成对NOx的高效转化。因此，本文将针对严苛的排放法规与各种限制条件给船用SCR系统带来的问题，以提高尿素分解率与氨浓度均匀性为目标，从改善尿素水溶液与柴油机尾气混合质量出发，开展多静态混合器船用SCR系统性能优化研究，并通过与船用SCR系统结构参数的协同优化有效提高了原船用SCR系统工作性能。　　本文运用Converge软件，建立了尿素水溶液液滴碰壁、蒸发、分解与液膜形成过程的数值模型，在该全尺寸船用SCR模型基础上，重点研究了混合器数量及双静态混合器结构参数对船用SCR系统内部流场、尿素液膜厚度、尿素分解率与氨气浓度分布均匀性等参数的影响规律。研究得出：采用双静态混合器后，SCR系统尿素水溶液蒸发分解率、催化剂入口截面速度场及氨浓度分布均匀性改善明显，尿素分解率较单混合器提高25%，同时氨浓度均匀性达95%；混合器叶片数量的增加有利于氨浓度空间分布均匀性的进一步提高；而缩短双混合器间距L能够增强混合管内的湍流强度，强化尿素液滴与排气的混合以提高尿素分解率，但同时混合管中心流场的轴向流速上升，缩短了小尺寸尿素液滴在混合管内的停留时间，对尿素的转化分解造成负面影响。随着静态混合器叶片数量的增加，湍流强度对最终的尿素转化效率的影响更加显著。　　然后，研究了双静态混合器船用SCR系统几何结构参数（混合管长度与扩张管角度）对尿素分解率与氨分布均匀性的影响规律。研究得出：双静态混合器船用SCR系统中，混合管管长对氨分布均匀性的影响作用较弱，但由于液滴在反应室前停留时间主要由混合管管长决定，其对尿素分解率的影响依旧明显。相较之下，扩张管的扩张角对氨浓度分布均匀性影响显著，过大的扩张角恶化了排气贴壁性，使得氨分布均匀性系数明显降低，但其对尿素分解率的影响有限。　　最后，采用正交设计与模拟结合的方法，研究了双静态混合器参数与SCR系统几何结构参数（混合器间距、叶片数量、混合管长度、扩张管角度）对尿素分解率与氨分布均匀性的影响程度。并据此对船用SCR系统进行优化设计，同时对优化设计前后的SCR系统压降、尿素水溶液蒸发分解率、氨浓度分布均匀性等结果进行对比分析，研究得出：相较于原单混合器，经优化设计的双静态混合器船用SCR系统的尿素分解率、速度场与氨浓度分布均匀性均优于原单混合器SCR系统，但双静态混合器造成的流阻有所上升，且随着负荷增加，该趋势愈加明显。但即使100%负荷条件下，双静态混合器SCR系统压降也小于3kPa，符合SCR系统设计要求。
作者：	陆大勇
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	尹必峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文