一种基于OpenFOAM二次开发的SCR系统共轭传热计算方法

本发明涉及流体力学，特别涉及一种基于openfoam二次开发的scr系统共轭传热计算方法。

背景技术：

1、汽车产业的高速发展加剧了能源危机和大气污染问题，柴油机的动力性较好，碳排放较低，具有良好的经济性，广泛应用于商用车、工程机械、农业机械等领域。但是，柴油机尾气是大气氮氧化物(nox)及颗粒物(pm)的主要污染源之一。2020年开始实施重型柴油机国vi排放标准，对柴油机的排放控制提出了较高的标准及技术要求。目前，scr(selective catalytic reduction,，选择性催化还原)技术已经比较成熟，广泛应用于各种中重型柴油车上。

2、利用计算流体力学(cfd)数值模拟方法，获得尿素水溶液雾化、排气流动和组分分布等信息，可以为scr催化器结构设计和优化提供依据，缩短研发周期，节省开发成本。当前，常用的商业软件如ansys fluent，star ccm、avl等能用于求解各种类型的流体力学问题，具有一定的适用性、精确性和鲁棒性，且计算结果大都能满足工程需求。但是，这些商业软件的程序源代码都已被封装，程序细节无从得知，更无法对源代码进行修改，很大程度上限制了对具体问题进行深入研究。openfoam作为cfd开源库，对用户的自定义权限完全开放，在开展scr系统共轭传热问题研究时具有天然优势。

3、但是，针对scr系统共轭传热问题，目前openfoam中的求解器还未发展成熟。因此，有必要基于openfoam进行二次开发，提高scr系统共轭传热问题的数值仿真精度，以满足当前柴油机尾气scr系统共轭传热问题研究的需要。

技术实现思路

1、目前国内对于柴油机尾气后处理系统结构内部流动的数值模拟大部分基于商用软件进行，自定义模型时不可避免受到软件本身的限制。同时，关于后处理系统流场温度场的研究基本都使用发动机台架展开试验研究，而在数值模拟时较少考虑系统内部实际存在的共轭传热现象。将基于开源cfd库openfoam进行二次开发，在原有流体域求解方法的基础上植入固体域的温度求解方法，以解决现有技术中针对柴油机后处理系统流场共轭传热特性的求解器还未发展成熟的问题。

2、一种基于openfoam二次开发的scr系统共轭传热计算方法，具体如下：

3、s1：计算域初始化，由t＝tstart时刻开始计算；

4、s2：开始喷雾，并建立喷雾模型；

5、s3：获得中间密度ρtemp；中间密度ρtemp由连续性方程得到；其中，ρ为气体密度，u为气体速度，t为时间，sc为质量方程源项；

6、s4：基于中间密度ρtemp和动量方程求解得到此时流场的中间速度utemp；

7、s5：构建并求解气相输运方程从而更新气体域的组分yi；其中，sc为质量方程源项，yi为第i种组分的质量分数，μeff为有效粘性系数，si为组分源项；

8、s6：构建流体域能量方程并求解得到比焓h，同时根据h求得流体域的温度分布t，并通过状态方程p＝ρrt求得流体域的密度ρtemp1；其中，k为比机械能，αeff为有效热扩散系数，e为比内能，sheat为能量方程源项，r是气体常数；

9、s7：对固体域中的热传导过程进行建模，获得固体域中各网格单元的比焓，同时求得固体域的温度分布情况；

10、s8：根据utemp和ρtemp1构建压力泊松方程，其中，压力项p与重力项g数值处理后定义prgh＝p-ρg·h，而后求解得到流场的压力prghtemp，并根据压力泊松方程更新此时的流场速度utemp’；其中，h表示网格单元体心的位置矢量；

11、s9：根据连续方程和utemp’获得修正的流场密度ρtemp2；

12、s10：若ρtemp2不满足收敛条件，则重新回到s4进行迭代直至收敛，收敛条件为ρtemp2与ρtemp1趋于一致，即为此时流场的密度。

13、s11：若t不满足t＞tend，则需重新回到s1继续进行，若满足t＞tend，则计算完成。

14、优先地，建立喷雾模型包括：

15、液滴运动模型：

16、式中，md为液滴质量，ud为液滴速度，∑f为液滴受到的合外力，包括曳力和重力；

17、液滴蒸发模型：

18、当液滴温度小于水的沸腾温度时，液滴蒸发速率为：

19、

20、当温度上升大于等于水的沸腾温度时，液滴蒸发速率变为：

21、

22、式中，dd为液滴直径，ρm为混合气体的密度，γ为扩散系数，sh为舍伍德数，bm为质量输运数，λ为气体导热系数，nu为努赛特数，cvap为水蒸气定压比热容，bt为质量输运数。

23、优先地，对固体域中的热传导过程进行建模，具体为：

24、尿素热解模型：

25、(nh2)2co(1)→(nh2)2co(s)+h2o(g)

26、(nh2)2co(s or l)→nh3(g)+hcno(g)

27、固体域传热控制方程为：

28、式中，ρs、hs和αeff,s分别为固体域的密度、比焓和有效热扩散系数，t为时间。

29、优先地，求解时，固体-气体域交界处的边界处理如下：

30、

31、式中，kg、ks分别为气体、固体的热传导系数，t为温度，n为边界处网格单元的法向量。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：在计算流体力学开源库openfoam的气体域求解器基础上，植入固体域的热传导计算方法，实现柴油机尾气后处理scr系统共轭传热问题的数值计算，有效拓宽其应用范围。

技术特征：

1.一种基于openfoam二次开发的scr系统共轭传热计算方法，其特征在于，具体如下

2.如权利要求1所述的一种基于openfoam二次开发的scr系统共轭传热计算方法，其特征在于，建立喷雾模型包括：

3.如权利要求1所述的一种基于openfoam二次开发的scr系统共轭传热计算方法，其特征在于，对固体域中的热传导过程进行建模，具体为：

4.如权利要求3所述的一种基于openfoam二次开发的scr系统共轭传热计算方法，其特征在于，求解时，固体-气体域交界处的边界处理如下：

技术总结
本发明公开了一种基于OpenFOAM二次开发的SCR系统共轭传热计算方法，将基于开源CFD库OpenFOAM进行二次开发，在原有流体域求解方法的基础上植入固体域的温度求解方法，以解决现有技术中针对柴油机后处理系统流场共轭传热特性的求解器还未发展成熟的问题。本发明在计算流体力学开源库OpenFOAM的气体域求解器基础上，植入固体域的热传导计算方法，实现柴油机尾气后处理SCR系统共轭传热问题的数值计算，有效拓宽其应用范围。

技术研发人员：朱一西,孙强,邹晔,叶林,李玲玲
受保护的技术使用者：无锡职业技术学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11