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船机SCR系统排气流场CFD分析与优化
| 论文题名： | 船机SCR系统排气流场CFD分析与优化 |
| 关键词： | 船舶柴油机;氮氧化物;计算流体力学;流场优化;SCR系统 |
| 摘要： | 近年来，随着世界航运业的高速发展，船舶柴油机的NOx排放也在逐年增长，鉴于NOx对环境及人类健康造成的危害，国际海事组织制定了《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ对其进行限制。面对即将实施的第三阶段(TierⅢ标准)排放法规，Urea-SCR技术被国内外公认为最有效的船机排放控制方案。 与车用SCR系统相比，船机SCR系统的排气流场发生了变化，且对还原剂的需求量增大，为获得较高NOx转化率的同时不增加还原剂的消耗量，需对其排气流场进行研究和优化。本文采用计算流体力学(CFD)模拟手段，对某船用柴油机SCR系统内部的排气流动过程进行了研究，明确了排气流场的属性，并提出了有效的流场优化技术，为实现较高的NOx转化效率提供了理论依据。 本文首先分析了不同均匀性评价指标的适用条件，提出采用流速均匀性指数、NH3浓度均匀性指数对排气流场的分布状态进行定量分析，并结合系统压降、NOx转化率、氨泄漏等指标来综合评判流场优化的效果。 通过发动机台架试验获取了初始和边界条件，并利用AVL FIRE平台建立了船机SCR系统三维CFD模型，对不同工况下的排气流动过程、尿素喷射及分解过程、催化还原反应过程进行了模拟。根据模拟结果研究了系统内部的速度分布，浓度分布、压力分布的规律等，相关分析表明船机SCR系统的流场是不均匀分布的，不能将其简化为一维流场，应对排气流场进行优化。 基于SCR系统三维CFD模型，研究了不同整流器结构、喷嘴结构及布置、混合器结构对SCR系统性能及排气流场的影响，主要结论如下：(1)在喷嘴上游布置多孔板整流器，对弯管后气流的偏向有一定的规正作用，同时可减小催化剂中心区域的流速；其中，50％开孔率多孔板整流器的优化效果较好，系统压降仅增加了0.6kPa。(2)选用四孔径向喷嘴时，NH3在催化剂进口截面上分布得更为均匀；随着喷嘴到催化剂进口距离(混合距离)的增加，NOx转化率不断升高，且上升的幅度逐渐减小；当混合距离为10d(d为排气管直径)时，使用一个喷嘴就可以获得较高的转化效率；当混合距离为4d时，4个喷嘴与一个喷嘴的方案相比，NOx转化率提高了7％。(3)当混合距离为10d时，加装所设计的混合器后，NOx转化效率增幅较小，但从NH3分布均匀性的角度来评价，在喷嘴下游布置α角(叶片与排气管横截面之间的锐角)为45°混合器后的混合效果较好；当混合距离为4d时，加装叶片角度为45°的混合器可使NOx转化率提高8.2％。 |
| 作者： | 周细玲 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 吕林 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2012 |
| 正文语种： | 中文 |
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