柴油機煙道導流板設計模擬與實驗研究

杜 軍，張 艷，施 紅

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

世界遠洋行業的蓬勃發展，導致了由船舶所帶來的海上污染愈趨增加，由船舶所引起的污染很大一部分是來自于它的動力裝置——柴油機，它排放的NOx易引起光化學煙霧、酸雨等環境問題[1]。為嚴格控制船舶柴油機的尾氣排放，目前使用最多的是在尾氣煙道安裝SCR反應器。研究SCR催化器在船舶柴油機真實煙氣環境下的脫硝性能，通常需要利用CFD仿真模擬軟件對整個系統的流場進行計算分析[2]。Thanh等[3]通過對SNCR 150 kW中試反應器進行模擬和實驗研究對比，結果基本一致，為后續研究提供了重要參考。Adams等[4]、Mi等[5]都對SCR系統內部流場分布和煙道優化進行了模擬，研究發現改進后的SCR系統工業實用性更強。此外，Morita等[6]也利用CFD軟件對SCR系統流場計算、導流板布置等方面進行仿真，效果良好。Galen Richards[7]通過使用CFD軟件，模擬SCR反應器出口截面上的氮氧化物濃度和流速分布均勻性，噴射系統的仿真，得出導流板設計的較好位置。本文對導流板的數量和布置方式進行進一步優化設計，以期獲得最佳導流效果，并進行試驗驗證。

1 模型建立

1.1 結構模型

為便于模擬研究，本文特對SCR系統總體結構適當簡化（見圖1）。

為使尾氣在進入SCR催化反應器中達到最好的脫硝效果，前端的技術控制非常重要。本文主要對煙道第2個拐角（圖1中b處）的形狀和導流板布置進行設計研究。在煙道拐彎處布置導流板可以起到引流的作用，使NOX與還原劑之間混合更均勻，提高脫硝率。因a，b，c三個拐角結構相似，煙道材料相同，合理的增加導流板都可以改變氣體流過該拐角時的流動方向，模擬方法相同。所以本文對于b處導流板的仿真模擬方法對于a，c也適用，均可以有效地改善煙道內氣體流場分布，降低了煙道拐角區域的壓降。

1.2 理論模型

1.2.1 湍流模型

本文選用由雷諾平均法衍變而來的標準k-ε模型[8–9]，它是目前工程應用最為廣泛的數學模型[10]，對應的k-ε方程如下：

其中：σk為湍動能Prandtl數，數值為1；Gk為生成的湍動能，kg/（m·s3）；σε為湍動耗散率Prandtl數，數值為 1.3；C2ε取值 1.92；C1ε取值 1.44。

模擬采用NH3，NO，CO2，H2O，O2，N2六種混合氣體為研究對象，不考慮混合氣體與煙道壁面進行的熱交換，不考慮溫度影響。混合氣體在煙道中湍流流動模型控制方程表達式[11–15]如下：

式中：ρ為氣體密度，μ為氣體流速，t為流動時間，Г為廣義擴散系數，S為廣義源項，φ為通用變量。

1.2.2 組分輸運模型

本文的研究對象是煙氣與還原劑氨的混合和輸運，是多組分混合物，除了選用標準k-ε模型來模擬湍流流動，還需要確定各化學物質的組分輸運平衡方程[16]，具體公式如下：

式中：Ri為反應凈生成速率；Si為源項額外生成的速率。

2 方案設計

本文選擇的煙道為斜形煙道，如圖2所示。

導流板布置方案如表1所示，斜型煙道存在6種導流板設計方式。

表1 各設計方案中導流板布置形式Tab.1 Arrangement scheme of the guide plate

本文假設柴油機尾氣為理想、定常、不可壓縮流體，煙道壁面絕熱，混合氣體在煙道內不發生催化還原反應，相關模擬與實驗介質參數設計如表2、表3所示。

煙氣進口采用速度入口（Velocity inlet）為邊界條件，入口速度為14.8 m/s，出口邊界條件采用壓力出口（Pressure outlet），設置為 101 325 Pa，其他壁面為WALL。假設導流板的厚度為無限薄，以此進行數值模擬。利用GAMBIT軟件對無導流板的模型進行網格劃分，為了提高模型計算精度，避免煙道壁面過細的網格劃分，近壁面采用成熟的壁面函數。同時本文對網格進行加密，進行網格獨立性測試。計算的網格量分別為：48 781，57 642，62 975，監測出口的平均速度，其誤差不超過5%，因此本文選擇網格量為48 781的網格進行計算分析。

表2 模擬與實驗介質參數設計Tab.2 Simulation and experimental medium design

表3 煙氣各組分摩爾分數Tab.3 The mole fraction of the flue gas

3 斜板形煙道模擬結果及分析

3.1 無導流板模擬分析

圖3為無導流板填充的斜板型流道結構的速度場分布圖。

由圖3可知煙氣在流道中流動時，外側斜板處和拐彎后左側煙道近壁面處均出現大量低速區，從速度云圖可以看出，該區域的煙氣流速比入口流速低很多，且所占區域面積較大。

圖4為無導流板時煙道出口速度，它是根據出口處煙氣流速由內至外的變化情況繪制的出口速度曲線圖，進一步對模擬結果進行分析。

由圖4可知，進出口流速的波動范圍極大，進出口速度差（進口-出口）為–5.7～14.8 m/s，其中出口速度最大值為20 m/s，最小值為0 m/s，由此可見在流場中不僅高速區速度過大，而且出現零速最低值。其主要原因是：混合氣體在拐角處的流動方向由直線向前變為彎曲向上，由于慣性的作用以拋物線的軌跡繼續向前涌動。這就造成一部分氣體高速向前，沖向豎直壁面，易對壁面造成沖擊損壞，降低其使用壽命。

3.2 添加導流板后的模擬結果

圖5為添加導流板后，煙氣在6種導流板布置方案下的流場圖。

由圖5（a）可知，添加3塊導流板后，流道內的速度分布明顯得到改善，相比無導流板時，高速區明顯減少，僅在拐彎處有小面積的高速區，這是流體突遇拐角造成的渦旋，而且左上右側的高速區基本全部消失，速度接近于入口速度，氣流趨于平穩。除了高速區的明顯減少外，還可以看出低速區也減少很多，速度均勻性大幅提高。

圖5（b）為4塊導流板一列布置時模擬的速度場分布圖，豎直方向的煙道左側低速區減少，貼邊處速度出現少量極低的現象。左上右側煙道也在貼邊處出現了少量高速的現象，這是因為沖擊反沖引起的，接近出口時有減小的趨勢但是在拐彎上壁面處的仍存在一定范圍的低速區。

圖5（c）為4塊導流板分列布置的模擬圖，從圖中可以看出，豎直方向，左側的低速區減少，同時速度提高了很多。右側壁面積壓的高速區完全消失，從左到右的速度分布幾乎一致，沒有渦旋，左右兩側速度的差值很小。

圖5（d）為4塊導流板一列布置的模擬圖，從圖可知，豎直方向，左側的低速區幾乎完全消失，左側速度接近與平均速度。拐角內側的高速區面積減少很多，豎直管道的右上側高速區非常小，且在出口處消失。

圖5（e）和圖5（f）是5塊導流板分列布置的模擬圖，它的布置方式分別是“前二后三”和“前三后二”2種模式。從圖5（e）中可以看出，5塊導流板“前二后三”的布置方式，在豎直方向上，左側低速區相比于無導流板時有所減少，速度也提高很多，右側的高速范圍縮減至貼邊處，所占面積很小。由圖5（f）可知，豎直煙道左邊的低速區有所減少，該區域的流速被提高，越接近出口速度越大。中間部分的高溫區全部消失，只在右側貼邊處速度變大。

圖6為添加導流板后，6種導流板布置方案下的煙氣在流道出口處的速度曲線圖。

從圖6中，可以看到不同設計方案的出口流速波動范圍差別較大，但在出口截面上，從左至右，無論導流板的數量和布置方式如何變化，氣體的流速均是由小慢慢增大，到最右端時基本不變。在6種導流板不同設計方案中，4塊導流板分列布置時出口速度差最大，為9.14 m/s；5塊導流板一列布置時出口速度差最小，為 1.5 m/s。

3.3 各方案系統壓損對比分析

圖7為未填充導流板時和6種導流板設計方案的壓力損失圖。

由圖7可知，無導流板時煙道壓力損失最大，達54.44 Pa，添加導流板后，6種方案的壓力損失最大是29.73 Pa，此時煙道內導流板是4塊一列排列；最小是19.29 Pa，此時導流板的排列方式是5塊一列布置。由此可見，添加導流板不僅可以引導混合氣體的流動，減少高速區和低速區，同時還可以降低系統的壓力損失。

因此，結合各方案速度場分布圖、出口截面流速曲線圖、壓損分析可知：當煙道拐彎處設計為斜板狀時，5塊導流板一列布置的設計方案導流效果最佳。

4 模擬與實驗結果對比分析

通過采用優化后的導流板布置方式，在實驗臺上對柴油機混合煙氣在流道中的流動情況進行檢驗。試驗臺的示意圖如圖8所示，實驗數據的采集由速度傳感器、壓差傳感器、流量計等器材獲得。同時，在實驗過程中對變弧長的導流板進行流場特性研究。

實驗所用器材及其功能介紹如表4所示。

實驗過程中，首先根據前面模擬煙氣中各氣體成分配備混合氣體，保證各裝置與煙道之間密封良好，連接系統管路，先通入平衡氣體N2，調節氣體流量，檢查試驗系統的密封性。之后將氣體混合器和SCR反應器加熱至實驗工況溫度（623 K），待煙氣溫度達到設定值后，通入配備好的混合氣體，待氣體流通平衡一段時間后，開啟速度傳感器、壓差傳感器等設備的監測功能，待讀數穩定后，記錄實驗數據。

斜型煙道中，在導流板數量為五塊，排列方式為一列布置的前提下，對不同弧長和相同弧長的導流板的導流效果進行模擬和實驗。其中，等弧長導流板方案中，導流板的弧長選為281 mm；變弧長導流板方案中，從煙道拐彎內側至外側布置，弧長分別為215 mm，275 mm，335 mm，395 mm，455 mm。計算結果如圖9～圖10所示。

可以明顯看出，在斜型煙道內，采用變弧長的5塊導流板一列布置的模擬結果流速偏差值為6.04 m/s，壓損為26 Pa；而等弧長導流板布置時的速度差1.5 m/s，壓損19.29 Pa。同時，在所有參數不變的情況下，在煙道中鋪設相同尺寸和不同尺寸的5塊導流板，如圖9所示，可以看出，導流板相同時，速度偏差值為4.16 m/s，壓力損失為23.77 Pa；布置不同的導流板后，煙道出口截面上的速度偏差值為7.78m/s，壓力損失為25.04 Pa。可見實驗結果與模擬結果在數值上雖有偏差，但趨勢一致。因此，在斜型煙道中，5塊相同導流板一列布置時引流效果最好。

5 結 語

本文針對斜形柴油機煙道進行了導流板的設計研究，基于Fluent軟件對煙道第2個拐角處6種導流板布置進行速度場和壓力場模擬，并與實驗數據對比分析，得出導流板設計的最佳方案。從模擬與實驗結果分析可知：當柴油機煙氣流量為80 214 kg/h，流速為14.8 m/s，溫度為623 K等參數時，斜型煙道中未布置導流板時，出口速度偏差較大。添加尺寸相同的導流板后，對6種導流板不同設計方案的模擬結果顯示：5塊導流板一列布置時出口速度差值最小，為1.5 m/s，壓損最小是19.29 Pa。因此，結合各方案速度場分布圖、出口截面流速曲線圖分析可知：當煙道拐彎處設計為斜板狀時，5塊導流板一列布置的設計方案導流效果最佳。在前面研究的基礎上，改變導流板尺寸參數模擬，并與實驗結果對比分析：采用尺寸不等的5塊導流板一列布置的模擬結果流速偏差值為6.04 m/s，壓損為26 Pa，實驗結果的速度差為7.78 m/s，壓力損失為25.04 Pa。相同導流板布置時的實驗結果是速度差為4.16 m/s，壓力損失為23.77 Pa。因此，實驗和模擬同時證明：在斜型煙道中，5塊相同導流板一列布置時引流效果最好。

表4 實驗部分器材介紹Tab.4 The experiment part equipment introduction

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