入射角度對(duì)噴霧碰壁后粒徑分布的影響

王朋輝，杜慧勇，楊豐源，武選柯，王站成，徐 斌

(河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

在選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)后處理系統(tǒng)工作過(guò)程中，尿素水溶液(urea water solution，UWS)經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤庑纬砂睔?NH3)，在催化劑的作用下，與尾氣中的氮氧化物(NOX)發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成氮?dú)夂退源私档筒裼蜋C(jī)尾氣中NOX的含量[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用中，柴油機(jī)后處理系統(tǒng)由于受到整車空間和噴嘴安裝位置的限制，出現(xiàn)噴霧碰壁是不可避免的[4-5]。因此，對(duì)噴霧碰壁后近壁面處液滴空間粒徑分布的研究必不可少。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SCR系統(tǒng)中尿素水溶液的碰壁進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[6]采用耦合排氣流動(dòng)，建立了無(wú)空氣輔助式SCR系統(tǒng)尿素水溶液的噴射、霧化、蒸發(fā)和碰壁過(guò)程的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (computational fluid dynamics，CFD)模型。文獻(xiàn)[7]利用高速攝影機(jī)，在定容燃燒彈內(nèi)對(duì)不同溫度下空氣輔助噴射系統(tǒng)的尿素噴霧特性進(jìn)行了可視化研究。文獻(xiàn)[8]利用高速攝像技術(shù)對(duì)比空氣輔助和無(wú)空氣輔助兩種SCR尿素噴射系統(tǒng)的尿素噴霧粒徑，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了兩種噴射系統(tǒng)的性能差異。文獻(xiàn)[9]通過(guò)高溫狀態(tài)時(shí)流場(chǎng)的散射光法驗(yàn)證了噴霧的發(fā)展過(guò)程，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)拍攝排氣管壁上液膜的形成和沉積物的生成過(guò)程。文獻(xiàn)[10]分析了不同噴射角度(30°、35°、40°和45°)對(duì)排氣管內(nèi)液滴的蒸發(fā)和NH3濃度分布的影響。文獻(xiàn)[11]針對(duì)尿素水溶液碰壁和霧化等問(wèn)題，提出了一體式噴嘴座結(jié)構(gòu)和集成式噴嘴座結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[12]通過(guò)CFD模擬尿素水溶液在排氣管道內(nèi)的噴霧特性及碰壁過(guò)程。文獻(xiàn)[13]選擇不同噴霧模型進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明：選擇不同的模型，會(huì)對(duì)尿素噴霧碰壁的范圍、撞擊壁面的液滴類型和噴霧碰壁的位置等造成不同的結(jié)果。文獻(xiàn)[14]通過(guò)建立CFD三維仿真模型，研究柴油機(jī)SCR系統(tǒng)在空氣輔助噴射系統(tǒng)條件下噴霧的速度流場(chǎng)、霧化后粒徑的大小、噴霧的形態(tài)和貫穿距等變化規(guī)律。文獻(xiàn)[15]對(duì)尿素水溶液蒸發(fā)、霧化過(guò)程進(jìn)行了模擬，在試驗(yàn)驗(yàn)證噴霧模型的基礎(chǔ)上，對(duì)排氣管路中尿素溶液的噴射過(guò)程、霧化及NH3濃度分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[16]通過(guò)CFD軟件，對(duì)柴油機(jī)SCR催化器內(nèi)的排氣流動(dòng)、尿素水溶液噴射霧化、液滴蒸發(fā)、尿素?zé)峤夂痛呋瘎┍砻婊瘜W(xué)反應(yīng)等整個(gè)NOX后處理過(guò)程進(jìn)行了模擬。文獻(xiàn)[17]運(yùn)用CFD軟件，模擬了4種不同噴霧錐角狀態(tài)下排氣管內(nèi)的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)和NH3分布均勻性，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證表明：噴霧錐角為60°時(shí)，排氣管內(nèi)的結(jié)晶風(fēng)險(xiǎn)較低。文獻(xiàn)[18]建立了尿素水溶液的噴射霧化模型，研究液滴在實(shí)際柴油機(jī)后處理過(guò)程中的湍流擾動(dòng)、變形、破碎、碰撞聚合和碰壁反彈等一系列過(guò)程。

以往針對(duì)噴霧的研究主要采用仿真分析等方式進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果受設(shè)置參數(shù)的影響較大，不能真實(shí)地預(yù)測(cè)柴油機(jī)實(shí)際工況下噴霧碰壁后近壁面處液滴粒徑的空間分布規(guī)律。本文通過(guò)搭建噴霧碰壁試驗(yàn)臺(tái)架，利用激光粒度儀測(cè)量SCR系統(tǒng)中噴霧以不同入射角度撞壁后，液滴在近壁面處的粒徑空間分布，獲得噴霧碰壁后液滴粒徑分布隨時(shí)間的變化規(guī)律。粒度分布的測(cè)試結(jié)果可用于指導(dǎo)SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)尿素噴嘴的布置安裝，以改善后期尿素水溶液的熱解和水解，從而提高NOX的轉(zhuǎn)化效率。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和激光粒度儀的參數(shù)

試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的噴霧碰壁試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。噴霧碰壁臺(tái)架由尿素水溶液噴射系統(tǒng)、激光粒度儀測(cè)試系統(tǒng)和碰壁工作臺(tái)3部分組成。尿素噴射系統(tǒng)主要由尿素噴嘴、尿素罐、計(jì)量控制單元(drive control unit，DCU)組成。噴嘴選用噴孔直徑為0.185 mm的非氣助式噴嘴。激光粒度儀為德國(guó)新帕泰克公司HELOS-VARIO激光粒度儀，通過(guò)高速的傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol，TCP)或網(wǎng)際協(xié)議(internet protocol，IP)的傳輸方式，可以輸出多種平均粒徑。由于排氣管管徑較大，噴霧液滴的直徑較小，所以本次試驗(yàn)選用與排氣管材料相同的不銹鋼平板近似代替排氣圓管。噴霧碰壁試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。

圖1 噴霧碰壁試驗(yàn)臺(tái)架

1.2 試驗(yàn)方法

目前車用SCR系統(tǒng)中常用的還原劑為尿素水溶液，其中尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32.5%。表1為常溫(20 ℃)下尿素水溶液和純凈水的物性參數(shù)。由表1可知：常溫狀態(tài)下，尿素水溶液和純凈水的密度、黏度和表面張力差別較小。文獻(xiàn)[19]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比純凈水和尿素溶液作為噴霧介質(zhì)時(shí)的液滴粒徑分布得出：兩種噴霧介質(zhì)液滴的索特平均直徑(Sauter mean diameter，SMD)和液滴的粒徑體積都相近。為了防止尿素水溶液對(duì)激光粒度儀的鏡頭造成污染，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)用純凈水替代尿素水溶液進(jìn)行噴霧試驗(yàn)。

表1 常溫(20 ℃)下尿素水溶液和純凈水的物性參數(shù)

為了避免三束噴霧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中液滴的相互干擾，使用工業(yè)修補(bǔ)劑將三孔噴嘴的兩孔密封，改造為單孔噴嘴，采用單孔噴射。噴射系統(tǒng)計(jì)量泵為管路中的溶液提供0.9 MPa的穩(wěn)定壓力，通過(guò)控制噴射單元電子閥開(kāi)閉的持續(xù)時(shí)間，來(lái)控制噴嘴的噴射時(shí)間，試驗(yàn)過(guò)程中，噴嘴的單次噴射量為100 mg，噴射的持續(xù)時(shí)間為50 ms。在實(shí)際柴油機(jī)后處理系統(tǒng)中，噴嘴位置通常布置在排氣管直管段區(qū)域內(nèi)，噴嘴軸線與排氣管中心軸線的夾角為30°，噴孔到排氣管管壁的距離d=100 mm，通過(guò)計(jì)算得到噴霧從噴孔噴出到碰壁位置處噴霧的發(fā)展行程s=200 mm，試驗(yàn)過(guò)程中保持噴霧的發(fā)展行程不變，僅調(diào)整噴嘴的安裝角度和位置。為了消除連續(xù)噴射時(shí)殘余噴霧對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本次試驗(yàn)采用單次實(shí)時(shí)測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)激光粒度儀測(cè)量的總時(shí)長(zhǎng)為1 000 ms，設(shè)定激光粒度儀每隔1.5 ms輸出一次測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)中應(yīng)保證測(cè)量的開(kāi)始時(shí)刻略早于尿素噴射系統(tǒng)的噴射時(shí)刻，使測(cè)量結(jié)果包括1 000 ms內(nèi)該位置處噴霧從開(kāi)始到結(jié)束的全部液滴隨時(shí)間變化的整個(gè)過(guò)程。

為研究噴霧碰壁后近平板處的液滴粒徑分布，將激光束中心布置在距離壁面8 mm、23 mm的位置，以噴霧中心線與平板的交點(diǎn)為原點(diǎn)，原點(diǎn)右側(cè)為正方向，測(cè)量點(diǎn)沿壁面以間隔15 mm的距離均勻分布在原點(diǎn)兩側(cè)，如圖2所示(圖2中僅畫(huà)出原點(diǎn)左側(cè)部分)。以激光粒度儀第1次測(cè)量到近壁面處的液滴粒徑開(kāi)始計(jì)時(shí)，并記錄該時(shí)間為0 ms，由于激光粒度儀在一次噴霧碰壁試驗(yàn)中輸出的數(shù)據(jù)較多，為便于數(shù)據(jù)處理和分析，選取0 ms、10.5 ms、19.5 ms、30.0 ms、40.5 ms和49.5 ms時(shí)噴霧液滴在近壁面處的粒徑分布數(shù)據(jù)。為了消除空氣中懸浮粒子、雜光等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在每次噴射試驗(yàn)開(kāi)始前，激光粒度儀都需要先進(jìn)行一次背景測(cè)試。

圖2 噴嘴軸線與平板夾角30°時(shí)測(cè)量點(diǎn)的位置分布

SMD是表征霧化質(zhì)量的指標(biāo)。SMD越小，說(shuō)明噴霧霧化程度越好，通過(guò)激光粒度儀記錄各時(shí)間段液滴的SMD，來(lái)表示液滴粒徑的大小，以下所稱的液滴粒徑均指液滴的SMD[20]。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得液滴近壁面處的液滴空間粒徑分布云圖，對(duì)各個(gè)測(cè)量時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，得到完整的噴霧粒徑隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 噴霧碰壁對(duì)液滴粒徑分布的影響

為研究噴霧碰壁對(duì)噴霧粒徑空間分布的影響，特設(shè)置了對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)。其余條件不變，僅去掉平板壁面，在無(wú)碰壁狀態(tài)下噴霧，測(cè)量液滴空間粒徑分布隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。圖3和圖4是以入射角30°進(jìn)行噴霧試驗(yàn)過(guò)程中，有碰壁和無(wú)碰壁兩組試驗(yàn)部分時(shí)間的噴霧空間粒徑分布云圖。由于噴嘴噴孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在傾角，導(dǎo)致噴霧中心線相對(duì)噴孔軸線發(fā)生偏移，通過(guò)噴嘴的已知參數(shù)計(jì)算可知：當(dāng)噴嘴軸線與平板夾角為30°時(shí)，噴霧的實(shí)際中心線與平板的碰壁夾角是27.5°；當(dāng)噴嘴軸線與平板夾角為45°時(shí)，實(shí)際噴霧中心線與平板的碰壁夾角是43°。

在0 ms時(shí)，由于此時(shí)噴霧處于碰壁初期，有碰壁和無(wú)碰壁兩組試驗(yàn)液滴的空間粒徑分布規(guī)律基本相同。由圖3a可知：碰壁試驗(yàn)組噴霧主束區(qū)和噴霧反射區(qū)均為大粒徑區(qū)域，噴霧中心區(qū)域粒徑較大，粒徑為100～180 μm；噴霧束外側(cè)和反射區(qū)液滴的粒徑略小，粒徑為100～140 μm。此時(shí)，噴霧剛接觸壁面，只存在大粒徑液滴的剛性碰撞反射，反射前后對(duì)液滴的粒徑大小影響不大。由圖3b可知：無(wú)碰壁試驗(yàn)組噴霧在無(wú)碰壁的情況下向前發(fā)展，噴霧主束區(qū)液滴的粒徑較大，而離噴霧中心較遠(yuǎn)的區(qū)域液滴的粒徑相對(duì)主束區(qū)較小，液滴的粒徑為100～200 μm。造成這一現(xiàn)象的主要原因是：噴霧主束區(qū)液滴數(shù)量多，密度大，容易發(fā)生堆積和碰撞，較易在噴霧主束區(qū)形成大粒徑液滴區(qū)域；而在遠(yuǎn)離主束區(qū)的噴霧邊界區(qū)域，由于液滴數(shù)量少，且受到空氣流動(dòng)的影響，所以此處液滴的粒徑相對(duì)較小。

(a) 有碰壁 (b) 無(wú)碰壁

在3 ms時(shí)，如圖4a所示，有碰壁試驗(yàn)組經(jīng)過(guò)噴霧的持續(xù)噴射，碰壁后液滴整體粒徑有明顯的減小，一部分液滴破碎反射在近壁面處形成小粒徑區(qū)域。此時(shí)，小粒徑區(qū)域正在初步成型并有擴(kuò)大的趨勢(shì)，噴霧主束區(qū)的液滴粒徑為80～120 μm，反射區(qū)液滴粒徑為60～80 μm。如圖4b所示，對(duì)于3 ms時(shí)無(wú)碰壁組液滴粒徑與0 ms時(shí)無(wú)碰壁組液滴粒徑相比，粒徑分布較均勻，中心大粒徑區(qū)域消失；與3 ms有碰壁組的液滴粒徑相比，液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中僅依靠空氣阻力的作用使液滴發(fā)生破碎，液滴的破碎程度相比于碰壁時(shí)弱，液滴的整體粒徑較大，且不存在小粒徑區(qū)域，粒徑為70～120 μm。

(a) 有碰壁 (b) 無(wú)碰壁

2.2 噴霧入射角對(duì)噴霧碰壁后粒徑分布的影響

為了探究不同入射角度對(duì)碰壁后近壁面處液滴空間粒徑分布規(guī)律的影響，本文選擇30°和45°兩個(gè)噴霧入射角進(jìn)行噴霧的碰壁試驗(yàn)。

2.2.1 噴霧入射角30°碰壁時(shí)液滴的粒徑分布

圖5a是噴霧以入射角30°進(jìn)行碰壁試驗(yàn)時(shí)，不同時(shí)間近壁面處液滴空間粒徑分布云圖。圖5a是由0 ms、10.5 ms、19.5 ms、30.0 ms、40.5 ms和49.5 ms 6個(gè)不同噴射時(shí)間測(cè)得近壁面處液滴的空間粒徑分布數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)整理繪制而成的。在0 ms時(shí)，噴霧剛到達(dá)壁面，噴霧處于碰壁和未碰壁的臨界，液滴的整體粒徑為100～180 μm，噴霧主束區(qū)和反射區(qū)的液滴均屬于大粒徑液滴，在噴霧束的中心區(qū)域存在液滴大粒徑區(qū)域。隨著噴嘴的持續(xù)噴射以及噴霧的發(fā)展，在10.5～19.5 ms，撞壁后的液滴一部分吸附在壁面形成液膜，另一部分經(jīng)過(guò)壁面的碰撞反射破碎成小粒徑液滴，在反射區(qū)近壁面位置形成一個(gè)粒徑為40～80 μm的小粒徑區(qū)域，該區(qū)域逐漸變大且此區(qū)域的液滴粒徑隨著噴射時(shí)間的延續(xù)在逐漸變小。在10.5～19.5 ms，液滴碰壁后在反射向上飛濺的過(guò)程中受到空氣阻力的影響，導(dǎo)致低動(dòng)能的小粒徑液滴發(fā)生碰撞堆積的概率變大，小粒徑液滴在遠(yuǎn)離壁面的反射區(qū)域內(nèi)逐漸聚集形成較大粒徑的液滴，在反射區(qū)會(huì)出現(xiàn)粒徑分布不均勻現(xiàn)象，遠(yuǎn)離壁面的位置是大粒徑區(qū)域，靠近壁面的位置是小粒徑區(qū)域，且小粒徑區(qū)域逐漸變大，向上部大粒徑區(qū)域擴(kuò)張。

在30.0～49.5 ms時(shí)，液滴的初始動(dòng)量較大，液滴碰撞壁面后破碎效果較好，主束區(qū)與反射區(qū)均屬于小粒徑區(qū)域，液滴的粒徑為40～60 μm，此時(shí)中心大粒徑區(qū)域已消失，主束區(qū)和反射區(qū)粒徑大小基本相同，逐漸融合。反射區(qū)遠(yuǎn)離壁面區(qū)域的大粒徑區(qū)域液滴粒徑也逐漸減小，與近壁面處的小粒徑區(qū)域粒徑基本相同，反射區(qū)粒徑分布不均勻現(xiàn)象基本消失。

(a) 30°入射角碰壁時(shí)噴霧液滴的粒徑分布 (b) 45°入射角碰壁時(shí)噴霧液滴的粒徑分布

2.2.2 噴霧入射角45°碰壁時(shí)液滴的粒徑分布

在不改變噴射策略和壁面位置的條件下，調(diào)整噴嘴的噴射角度和位置，使得噴霧中心軸線與壁面的夾角為45°，記錄噴霧碰壁后液滴在近壁面處空間粒徑分布隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。如圖5b所示，尿素噴霧以入射角45°碰壁后液滴空間粒徑分布隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與30°碰壁試驗(yàn)的變化趨勢(shì)大致相同。由圖5b可知：在初始時(shí)間液滴粒徑較大，隨著噴射時(shí)間的持續(xù)和液膜的形成，主束區(qū)和反射區(qū)的液滴粒徑逐漸減小，最后噴射主束區(qū)和反射區(qū)液滴粒徑分布逐漸融合，粒徑大小基本相同。與入射角30°進(jìn)行碰壁試驗(yàn)的不同之處在于，隨著入射角度的增大，液滴碰撞后反射角度也會(huì)變大，噴霧反射區(qū)域液滴破碎飛濺的角度也會(huì)隨之變大。在噴射初期(0 ms)時(shí)，圖5b噴霧中心區(qū)域的大粒徑液滴的粒徑比圖5a噴霧中心區(qū)域大粒徑液滴的粒徑略小。在10.5～19.5 ms，反射區(qū)小粒徑液滴區(qū)域出現(xiàn)的位置與30°入射角碰壁時(shí)有所不同，小粒徑區(qū)域出現(xiàn)在反射區(qū)靠近噴霧中心線的整片區(qū)域，近平板區(qū)域和遠(yuǎn)離平板區(qū)的粒徑大小基本相同，此時(shí)小粒徑液滴區(qū)域較噴霧30°入射角碰壁的小粒徑液滴區(qū)域的面積大，擴(kuò)張速度更快，但在反射區(qū)遠(yuǎn)離噴霧中心線的區(qū)域會(huì)有大粒徑液滴出現(xiàn)。噴霧以45°入射角碰壁時(shí)近壁面處液滴粒徑分布在30 ms時(shí)已均勻化。

3 結(jié)論

(1)噴霧中液滴的空間粒徑分布不均勻，在液滴碰壁的初始階段，液滴的粒徑較大，為100～180 μm，隨著噴霧的持續(xù)噴射碰壁，小粒徑液滴逐漸形成，中心大粒徑區(qū)域消失，噴霧主束區(qū)和反射區(qū)液滴粒徑基本相同，為40～60 μm。

(2)噴霧以不同的入射角度進(jìn)行碰壁時(shí)，會(huì)造成噴霧反射區(qū)域液滴破碎飛濺的角度不同，入射角越大，噴霧反射后液滴飛濺角度也越大。同時(shí)，噴霧入射角度的不同，也會(huì)導(dǎo)致碰壁反射區(qū)內(nèi)小粒徑液滴出現(xiàn)的位置、形狀和區(qū)域面積不同。

(3)噴霧以45°入射角碰壁，碰壁初期反射區(qū)小粒徑液滴區(qū)域更大，近壁面處液滴的粒徑分布均勻化更快，液滴的破碎效果比噴霧以30°入射角碰壁時(shí)液滴的破碎效果好。