Accelerating Accurate Urea/SCR Film Temperature Simulations to Timescales Needed for Urea Deposit Predictions
論文掲載先:
SAE Technical Paper : 2019-01-0982
https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2019-01-0982/
著者:
Convergent Science Inc.
Abstract:
In a NOx-reducing aftertreatment system utilizing urea water solution as the ammonia precursor, solid deposits are a side effect that reduce system performance by blocking flow passages, the injector, and causing maldistribution of ammonia at the catalyst. These solid urea decomposition by-products can take many minutes or hours to form. Since the urea-containing liquid film must lie in a specific temperature range for solid deposit formation, knowledge of the quasi-steady location, temperature, and composition of the film are an essential first step to deposit chemistry modeling. Of equal importance is developing a technique to accelerate CFD simulations such that minutes to hours of simulation time can be achieved in a reasonable wall-clock time. Determining the quasi-steady film locations and temperatures accurately with CFD is an area of active development. In this study, multiple methods of solution acceleration are compared separately and in combination, to determine the best methods for CFD. Methods examined include reducing the specific heat of solids, using the steady-state solver, utilizing super-cycling for solid temperatures, using intermittent frozen flow where the flow solution is suspended, and representing pulsed sprays as continuous sprays. The experiments of Birkhold et al. [1] are simulated with CONVERGE and used to evaluate the efficacy and accuracy of simulation acceleration approaches. For dry walls above the deposition limit temperature, the Wruck [2] model estimates the heat flux removed from the walls, while also accounting for the Leidenfrost effect. For determination of spray-wall interaction outcomes, the Kuhnke [3] and Bai-Gosman (as extended for urea-water sprays by Smith et al. [4]) models are examined. [1] Birkhold et al., “Analysis of the Injection of Urea-Water-Solution for Automotive SCR DeNOx-Systems: Modeling of the Two-Phase Flow and Spray/Wall-Interaction,” SAE 2016-01-0643 [2] Wruck, N.M. and Renz, U., “Transient Phase-Change of Droplets Impacting on a Hot Wall,” Wiley-VCH Verlag GmbH, ISMN 978-3-527-27149-8. [3] Kunke, D., “Spray/Wall-interaction Modelling by Dimensionless Data Analysis,” Ph.D. Thesis, Shaker Verlag, 2004, SIBN 3-8322-3539. [4] Smith, H., Zochbauer, M., and Lauer, T. “Advanced Spray Impingement Modelling for an Improved Prediction Accuracy of the Ammonia Homogenisation in SCR Systems,” SAE 2015-01-1054
アンモニア前駆体として尿素水溶液を利用するＮＯｘ低減後処理システムでは、固体堆積物が流路やインジェクタ噴口を遮断し、触媒でアンモニアの偏在を引き起こすことによってシステム性能を低下させる副作用がある。
これらの固体尿素分解副生成物は形成するのに数分または数時間かかることがある。
尿素含有液体層は、固体堆積物形成のためには特定の温度範囲内になければならないので、フィルムの準定常位置、温度、および組成の知識は、堆積化学モデリングのための本質的な最初のステップである。
同様に重要なことは、数分から数時間のシミュレーション時間が妥当な実時間で達成できるように、ＣＦＤシミュレーションを加速するための技術を開発することである。
ＣＦＤを用いて準定常フィルム位置および温度を正確に決定することは、活発な開発の分野である。
この研究では、複数の解法加速法を別々にまたは組み合わせて比較し、CFDに最適な方法を決定します。
検討された方法には、固体の比熱を下げること、定常状態のソルバーを使うこと、固体温度のためのスーパーサイクリングを使うこと、流動溶液が懸濁される間欠凍結流を使うこと、そして連続スプレーとしてパルススプレーを表すことが含まれる。
Birkholdの実験はCONVERGEでシミュレートされ、シミュレーション加速アプローチの有効性と精度を評価するために使用されます。堆積限界温度を超える乾燥壁の場合、Wruckモデルは、ライデンフロスト効果も考慮しながら、壁から除去される熱流束を推定します。スプレー - 壁相互作用の結果を決定するために、KuhnkeおよびBai-Gosman（Smithによる尿素 - 水スプレーについて拡張されたものとして）モデルが調べられる。
カテゴリー:
NH3生成
モデル
SCR
