Prediction of the ammonia homogenization in automotive SCR systems with large eddy simulation

Abstract

Die Selektive Katalytische Reduktion (SCR) stellt eine vielversprechende technische Lösung zur Emissionsreduzierung der Stickoxide (NOx) im Dieselabgas dar. In solchen Nachbehandlungssystemen ist eine schnelle Konvertierung der flüssigen Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) zu gasförmigen Ammoniak und eine gleichmäßige Verteilung des Ammoniakdampfes vor Eintritt in den SCR-Katalysator notwendig, um die Stickoxide effizient zu reduzieren. Diese Dissertation beschreibt ein fortschrittliches CFD Simulationsmodell, welches in der Lage ist, die Ammoniakaufbereitung und Homogenisierung im turbulenten Feld mit hoher Genauigkeit vorherzusagen. Auf Basis von Laser Doppler Anemometrie (LDA) Messungen wurde die Prädiktivität von RANS Turbulenzmodellen (k- Modelle, low-Re k--SST Modell, Reynolds Stress Model), zur genauen Beschreibung des Geschwindigkeitfeldes im Abgasrohr, bestätigt. Das Turbulenzniveau wurde indessen von allen RANS Ansätzen signifikant unterschätzt. Eine Large Eddy Simulation (LES) Methode wurde implementiert, um die Limitierung der RANS Modelle in Bezug auf den Ammoniaktransport zu untersuchen und um die Vorhersagegenauigkeit der Modelle zu verbessern. Grundsätzlich waren alle LES Rechnungen in hervorragender Übereinstimmung mit den gemessenen Geschwindigkeitsvektoren und der Turbulenten Kinetischen Energie (TKE). Die Vorhersage der TKE wurde signifikant verbessert im Vergleich zu RANS. Um die gewonnenen Aussagen unter erweiterten, typischen Randbedingungen zu verifizieren, wurden Untersuchungen mit mehreren Massenströmen und Temperaturen zusätzlich zu den Kaltmessungen durchgeführt. Ein Multikomponenten-Verdampfungsmodell zur Aufbereitung von HWL wurde verbessert implementiert und anhand von Einzeltropfenexperimenten validiert. Eine Analyse der Sprayverdampfung und der Gasinteraktion eines typischen SCR Sprays wird präsentiert. Es konnte gezeigt werden, dass nur eine schwache Interaktion zwischen Spray und dem Trägerfluid vorherrscht. Die hohe Relevanz der Tropfen/Wand-Interaktion wurde durch Sensitivitätsstudien belegt. Ein Multiregime Tropfen/Wand-Interaktionsmodell wurde anhand von Messdaten der Benetzungsgrenztemperatur (Leidenfrosttemperatur) kalibriert. Die Splash-Grenze wurde auf Basis von Verteilungsmessungen der Tropfengröße bestimmt. Ein seriennahes Unterboden-SCR-System wurde simuliert, um die Validität der angewandten Flüssigphasenmodelle zu bestätigen. Die Daten der LES wurden herangezogen, um Analysen der Energiekaskade, des turbulenten Spektrums, der Strömungsanisotropie und der benötigten Netzgrößen durchzuführen. Eine detaillierte Studie der Ammoniakdurchmischung wurde zur Validierung der Vorhersagequalität des gesamten CFD Modells durchgeführt. Die beobachtete Unterschätzung des Mischvorganges der RANS Modelle konnte auf eine Turbulenzunterschätzung zurückgeführt werden. Durch eine Adaptierung der turbulenten Schmidtzahl konnte dieser Umstand kompensiert werden. Der Wert dieses Parameters kann von einer LES Rechnung abgeleitet werden. Beim Vergleich der Aufbereitungsmechanismen und der turbulenten Durchmischung des kalibrierten RANS Modells und der LES, konnten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Auch das validierte RANS Modell korrelierte exzellent mit den entsprechenden Messungen, wobei die LES prädiktive Ergebnisse ohne Anpassung des Turbulenzparameters erzielte.

One promising application in the emission control is the Selective Catalytic Reduction (SCR) system for the reduction of nitrogen oxides (NOx) from diesel exhaust emissions. In these exhaust systems a fast conversion of liquid Urea Water Solution (UWS) to gaseous ammonia and a uniform distribution of the ammonia vapor upstream of the SCR catalyst are essential to reduce the nitrogen oxides efficiently. This thesis presents a sophisticated CFD simulation model which is able to predict the ammonia preparation and homogenization in the turbulent field with high accuracy. The involved submodels were validated with measurement data from experiments and based on literature findings. With the help of Laser Doppler Anemometry (LDA) measurements it has been confirmed that RANS turbulence models (k- model, low-Re k--SST model, Reynolds Stress Model) are capable of predicting the velocity field in the exhaust pipes adequately. However, the turbulence level was underestimated for all RANS approaches. A Large Eddy Simulation (LES) methodology was implemented in order to overcome the limitations of the RANS models on the ammonia scalar transport and to improve the prediction accuracy. In general, all LES calculations were in good agreement with the measured velocity vectors and with the Turbulent Kinetic Energy (TKE) data. The prediction of the TKE was improved significantly compared to the RANS calculations. In addition to the investigations at room temperature, simulations with various mass flows and temperatures were conducted to extend the findings to a broader range of conditions which occur under typical SCR system operation. A multicomponent evaporation model for the vaporization of UWS droplets and film was implemented and validated by comparison with single-droplet experiments from the literature. Additionally, an analysis of the evaporation along with the gas interaction of a typical SCR spray is given in this work. The spray/exhaust interaction was not dominated by turbulent eddies and only a weak interaction with the carrier fluid was confirmed. The high relevance of the droplet/wall interaction was proven by numerical sensitivity studies. A multiregime droplet impingement model was calibrated based on measurement data of the deposition limit temperature (Leidenfrost temperature). The splash boundary (droplet stability) was tuned with spray size data. A close-to-series underbody SCR system was simulated to demonstrate the validity of the applied liquid phase UWS models. The additionally obtained data from the LES was taken into account to analyze the energy cascade, the turbulence spectrum, the flow anisotropy and the required grid sizes. A detailed investigation of the ammonia mixing has been carried out to validate the prediction quality of the complete CFD model. The observed underestimation of mixing processes with RANS models can be attributed to an underprediction of TKE. Through an adaption of the turbulent Schmidt number this could be compensated. The value of this quantity can be derived using the LES. A comparison of the preparation mechanisms and the turbulent mixing has shown no significant differences between LES and the calibrated RANS model. In general, the validated RANS model also showed an excellent correlation with the corresponding measurements while the LES generated predictive results without an adaption of turbulence parameters.