Investigations on the turbulent flow field in the mixing pipe of an SCR-system with LES

Abstract

Selektive katalytische Reduktion (SCR) ist eine moderne Technologie, um Stickoxide im Abgas von Dieselfahrzeugen zu reduzieren. Dabei wird eine Trägerflüssigkeit in den heißen Abgasstrom eingespritzt, wo sie verdampft und gasförmigen Ammoniak bildet. Mit Hilfe dieses Ammoniaks werden die Stickoxide im SCR-Katalysator reduziert. Um die katalytische Oberfläche möglichst effizient zu nutzen, ist eine gleichförmige Verteilung des Reduktionsmittels Ammoniak notwendig. Die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics - CFD) hat sich in der Entwicklung von SCR-Abgasanlagen als wertvolles Hilfsmittel erwiesen, um die Gleichverteilung des Ammoniaks zu verbessern. Ein besonders wichtiger Aspekt ist hierbei der Stofftransport durch Konvektion und turbulente Diffusion in der Mischstrecke. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Simulationen mit RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes)-Ansatz dazu neigen, die Turbulenz in komplizierten Strömungsfeldern zu unterschätzen. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der mittels CFD berechneten Ammoniakverteilung. Large Eddy Simulation (LES) bietet die Möglichkeit, die Berechnung der turbulenten Strukturen in der Strömung wesentlich zu verbessern und damit auch den Einfluss der Turbulenz auf den Ammoniaktransport exakter abzubilden. In dieser Arbeit wird ein SCR-System mit einer kurzen Mischstrecke mit LES untersucht. Die turbulenten Strukturen werden analysiert und mit vorliegenden RANS Simulationsergebnissen verglichen. Es zeigt sich, dass die turbulente kinetische Energie (TKE) vom RANS-Ansatz deutlich unterschätzt wird. Im Gegensatz zu ähnlichen Vergleichen anhand langer und hauptsächlich gerader Unterboden-SCR-Systeme, sind bei der kurzen und komplex geformten Mischstrecke des vorliegenden Systems deutliche Unterschiede im mittleren Strömungsfeld erkennbar. Ins- besondere der Ablösepunkt der Strömung und das Verhalten des Hauptwirbels, der durch das Mischelement erzeugt wird, im Bereich des Auslasstrichters weisen deutliche Unterschiede auf. In der Vergangenheit zeigte der Vergleich von LES und RANS lediglich Unterschiede in der Größenordnung der TKE. Die folglich unterschätzte turbulente Durchmischung in RANS Simulationen konnte durch eine Anpassung der turbulenten Schmidt-Zahl kompensiert werden. Die nun gefundenen Abweichungen im mittleren Strömungsfeld und die lokal variierenden Verhältnisse der TKE machen einen korrekten Ausgleich der mangelnden turbulenten Durchmischung der RANS Berechnungen durch die Anpassung eines einzelnen Faktors unwahrscheinlich. Folglich erscheint eine genauere Berechnung des Strömungsfeldes für eine verbesserte Beschreibung der Mischungsvorgänge erforderlich, was durch LES erreicht werden kann.

Selective Catalytic Reduction (SCR) is a common measure to reduce the nitric oxide emissions in diesel propelled vehicles. A carrier fluid is injected into the hot exhaust gas and decomposes to gaseous ammonia that reduces the nitric oxides in the SCR catalyst. In order to use the catalytic surface efficiently, a homogeneous distribution of the ammonia is necessary. Simulations with Computational Fluid Dynamics (CFD) have proven to be a valuable tool in the development of SCR-systems to achieve this homogeneous distribution. Within the simulation methodology, the species transport by means of convection and turbulent diffusion in the mixing pipe is of special importance. Previous investigations have shown that the RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) approach tends to underestimate the turbulence in complicated flow patterns, which has a considerable influence on the accuracy of the predicted ammonia homogenization in the CFD- simulation. A more accurate representation of the turbulent structures can be achieved with Large Eddy Simulation (LES). This thesis examines an SCR-system showing only a short mixing pipe by using LES. The topology of the turbulent structures is analysed and compared to available results from RANS simulations. It is shown that the level of turbulent kinetic energy is underestimated significantly when using the RANS methodology. In contrast to previous comparisons using the example of long underbody SCR-systems, the short and complex geometry of the current system leads to significant differences in the mean field as well. Especially the point of separation of the flow and the behaviour of the main swirl, induced by the mixing element, in the region of the outlet cone show significant differences. In the past, the comparison of LES and RANS results showed significant differences only in terms of the level of turbulent kinetic energy (TKE). The underestimation of turbulent mixing in the RANS simulations caused by this underestimation of TKE, could be compensated by adapting the turbulent Schmidt-number. Due to the differences in the mean field found in the current investigations as well as the locally non-uniform differences in the level of turbulent kinetic energy within the domain, an enhancement of the turbulent mixing by adaptation of a single factor seems to be insufficient for this system. Consequently a better representation of the flow field is necessary for an improved description of the mixing process, which can be achieved using LES.