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原文传递船用低速机机载型SCR系统结构优化及瞬态性能仿真

论文题名：	船用低速机机载型SCR系统结构优化及瞬态性能仿真
关键词：	船用柴油机;机载SCR系统;动态边界;失火;数值模拟
摘要：	选择性催化还原（SelectiveCatalyticReduction，SCR）技术是目前世界公认的最有效、最有发展前景的NOx排放控制技术，但是传统SCR系统尺寸较大，有限的船舶空间大大限制了SCR系统的应用。MAN公司、WinGD公司将SCR反应器与排气歧管集成，分别提出了结构紧凑的机载SCR系统设计思路。本文基于MAN公司提出的机载SCR系统设计理念展开研究，利用AVLFire软件分别开展了稳态边界条件下、参数波动瞬态边界条件下及主机失火极限条件下船用柴油机机载型SCR系统工作过程的研究。本文的主要工作和结论如下: 　　(1)建立了机载型SCR系统仿真模型，对初始机载型SCR系统流场分布进行了数值模拟分析，结合其工作特点及设计要求，分别针对机载型SCR系统速度均匀性及NH3浓度均匀性进行了流场优化。针对速度场分布，添加导流装置、整流装置，以及分流挡板对流通机载SCR系统各层反应器的气体流率与线速度进行了良好地控制;针对浓度场分布，从尿素喷射锥角以及静态混合格栅方面对NH3浓度场进行了优化。优化后的机载SCR系统速度均匀性均达到了80％;流通上、中、下三层反应器的气体线速度约4m/s，流量之比约为1∶1.5∶1，气量分配合理;平均NH3浓度均匀性突破85％;系统整体压降为4096Pa，均符合设计要求。　　(2)开展了此型机载SCR系统对应入口温度波动、入口流量波动及多缸排气循环波动三种不同瞬态排气条件下的工作过程研究。通过建立相应的动态边界条件，以时间为计算步长，对等时间间隔下系统内部的速度云图、温度云图、NH3浓度云图、湍流动能分布云图进行了分析。研究发现:机载SCR系统入口短时间的温度波动、进气流量波动以及多缸循环排气之间的扰动对于SCR系统内部线速度值及分布均匀性影响较弱;而NH3的生成量以及浓度均匀性容易受到机载SCR系统入口参数波动及多缸进气扰动的影响，浓度均匀性最大波动接近5％，且呈循环波动。受多缸循环排气的影响，机载SCR系统整体压降呈现周期性往复波动，最大波动幅度为54Pa;多缸排气之间的扰动导致了高湍流动能在集气区内的分布一直发生变化，这有利于尿素溶液的快速分解。　　(3)分别开展了低负荷运行过程中，主机单缸失火、多缸失火时低温冷排气引发的激冷效应对机载SCR系统高温废气的稀释效应，以及对尿素分解及结晶过程的影响的研究。单缸失火过程分别计算了1#缸、4#缸、6#缸失火时对应机载SCR系统工作过程，从而研究失火发生缸相对于尿素喷射点所处位置给机载SCR运行带来的影响;多缸失火过程分别计算了1#、2#、3#缸均发生失火，2#、4#、6#缸均发生失火时对应机载SCR系统工作过程，从而研究相邻多缸发生失火及间隔多缸发生失火给机载SCR运行带来的影响。研究发现:相应失火缸对应排气口越靠近集气区出口（如1#缸、2#缸），所引发的温度波动及温降越大;失火缸数量越多即发生失火气量占比越高，所引发的温度波动及温降越大。与主机正常运转情况相比，主机发生失火对应机载SCR系统内部的HNCO分解速率、NH3生成量及生成速率均有明显的下降。主机单缸、多缸发生失火时，随时间推移，湿壁液膜持续生成，对应的液膜生成厚度呈持续增大的趋势;湿壁结晶主要发生在水平排气管内即对应尿素喷射段、NH3生成混合段，在弯管段的最外侧壁面也存在甚微的液膜聚集。
作者：	周炜昊
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	朱元清
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022