近年来,随着世界航运业的高速发展,船舶柴油机的NOX排放也在逐年增长,鉴于NOX对环境及人类健康造成的危害,国际海事组织制定了《MARPOL73/78公约》附则VI对其进行限制。面对即将实施的第三阶段(Tier III标准)排放法规,Urea-SCR技术被国内外公认为最有效的船机排放控制方案。与车用SCR系统相比,船机SCR系统的排气流场发生了变化,且对还原剂的需求量增大,为获得较高NOX转化率的同时不增加还原剂的消耗量,需对其排气流场进行研究和优化。本文采用计算流体力学(CFD)模拟手段,对某船用柴油机SCR系统内部的排气流动过程进行了研究,明确了排气流场的属性,并提出了有效的流场优化技术,为实现较高的NOX转化效率提供了理论依据。本文首先分析了不同均匀性评价指标的适用条件,提出采用流速均匀性指数、NH3浓度均匀性指数对排气流场的分布状态进行定量分析,并结合系统压降、NOX转化率、氨泄漏等指标来综合评判流场优化的效果。通过发动机台架试验获取了初始和边界条件,并利用AVL FIRE平台建立了船机SCR系统三维CFD模型,对不同工况下的排气流动过程、尿素喷射及分解过程、催化还原反应过程进行了模拟。根据模拟结果研究了系统内部的速度分布,浓度分布、压力分布的规律等,相关分析表明船机SCR系统的流场是不均匀分布的,不能将其简化为一维流场,应对排气流场进行优化。基于SCR系统三维CFD模型,研究了不同整流器结构、喷嘴结构及布置、混合器结构对SCR系统性能及排气流场的影响,主要结论如下：(1)在喷嘴上游布置多孔板整流器,对弯管后气流的偏向有一定的规正作用,同时可减小催化剂中心区域的流速；其中,50%开孔率多孔板整流器的优化效果较好,系统压降仅增加了0.6kPa。(2)选用四孔径向喷嘴时,NH3在催化剂进口截面上分布得更为均匀；随着喷嘴到催化剂进口距离(混合距离)的增加,NOX转化率不断升高,且上升的幅度逐渐减小；当混合距离为10d(d为排气管直径)时,使用一个喷嘴就可以获得较高的转化效率；当混合距离为4d时,4个喷嘴与一个喷嘴的方案相比, NOX转化率提高了7%。(3)当混合距离为10d时,加装所设计的混合器后,NOX转化效率增幅较小,但从NH3分布均匀性的角度来评价,在喷嘴下游布置a角(叶片与排气管横截面之间的锐角)为45°混合器后的混合效果较好；当混合距离为4d时,加装叶片角度为45°的混合器可使NOX转化率提高8.2%。
