liu.seSearch for publications in DiVA
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
CFD Simulation of Urea Evaporation in STAR-CCM+
Linköping University, Department of Management and Engineering, Applied Thermodynamics and Fluid Mechanics.
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Diesel engines produce large amounts of nitrogen oxides (NOX) while running. Nitrogen oxides are highly toxic and also contribute towards the formation of tropospheric ozone. Increasingly stringent legislation regarding the amount of nitrogen oxides that are allowed to be emitted from diesel-powered vehicles has forced manufacturers of diesel-engines to develop after-treatment systems that reduce the amount of nitrogen oxides in the exhaust. One of the main components in such a system is selective catalytic reduction (SCR), where nitrogen oxides are reduced to diatomic nitrogen and water with the help of ammonia. A vital part of this process is the spraying of a urea-water-solution (UWS), which is needed in order to produce the reducing agent ammonia. UWS spraying introduces the risk of solid deposits (such as biuret, ammelide and ammeline) forming in the after-treatment system, should the flow conditions be unfavourable. Risk factors include high temperatures, but also low dynamics and high thickness of the resulting liquid film that forms as the UWS spray hits the surfaces of the after-treatment system. It is thus essential that manufacturers of SCR after-treatment systems have correct data on how much UWS that should be sprayed into the exhaust for any given flow condition. Experimental tests are thoroughly used to assess this but are very expensive and are thus limited to prototype testing during product development. When assessing a wider range of concepts and geometries early on in the product development stage, simulation tools such as computational fluid dynamics (CFD) are used instead.

One of the most computationally heavy processes to simulate within a SCR after-treatment system is the UWS spray and its interaction with surfaces inside the after-treatment system, where correct prediction of the formation of solid deposits are of great importance. Most CFD models used for this purpose hold a relatively good level of accuracy and are utilized throughout the whole industry where SCR aftertreatment is applied. Despite this, these models are limited in the fact that they are only able to cover timescales in the scope of seconds to minutes while using a tolerable amount of computational power. However, the time spectrum for solid deposit formation is minutes to hours.

Scania is one of Sweden’s biggest developers of SCR after-treatment, with the technology being incorporated directly into its silencers. AVL Fire is the main UWS spray simulation tool for engineers at Scania at the moment. One major drawback of using AVL Fire for UWS spray simulations is that it is deemed too time-consuming to set up new cases and too unstable during simulation, which makes it too costly in terms of expensive engineering hours.

This project has investigated the potential of using STAR-CCM+ for UWS spray simulations at Scania instead. A standard method has been evaluated, as well as parameters that will prove useful in further investigations of a potential speedup method. The studied method in STAR-CCM+ is easy to setup and the simulation process is robust and stable. Various other perks come from using STAR-CCM+ as well, such as: a user-friendly interface, easy and powerful mesh-generation and great post-process capabilities.

Several different parameters have been investigated for their impact on the studied method, such as mesh refinement of the spray injector area and the number of parcels injected every time-step through the spray injector (simply put the resolution of the spray). A possible speedup by freezing the momentum equations when allowed and lowering the amount of inner iterations has also been investigated.

A handful of operating conditions have been studied for two different geometries. The attained simulation results display correlations with physical measurements, but further assessment for identifying the risk of solid deposit needs to be performed on the studied cases to assess the full accuracy of solid deposit prediction of the studied method. Recommendations for future work includes fully implementing and evaluating the speedup method available for spray simulations in STAR-CCM+ as well as directly comparing how the accuracy and performance of the method relates to that of the method used in AVL Fire for spray simulations.

Abstract [sv]

Dieselmotorer producerar under körning stora mängder kväveoxider (NOx). Kväve-oxider är starkt giftiga föreningar som även bidrar till att öka mängden marknära ozon. Allt strängare lagstiftning gällande mängden kväveoxider som får släppas ut från fordon med dieselmotorer har lett till att tillverkare av dieselmotorer blivit tvingade att utveckla efterbehandlingssystem som renar avgasen från motorn. En av huvudkomponenterna i ett sådant system idag är selective catalytic reduction (SCR; på svenska selektiv katalytisk reduktion), där kväveoxider omvandlas till kvävgas och vatten med hjälp av ammoniak. För att producera ammoniak används en lösning av urea och vatten (t.ex. AdBlue®), som introduceras till efterbehandlingssystemet via spray. Denna process har dock en stor nackdel, då det under omvandlingsprocessen kan finnas risk för klumpbildning av ämnen som biuret, ammelid och ammelin ifall flödesförhållandena är ogynnsamma. Riskfaktorer för klumpbildning inkluderar höga temperaturer samt låg dynamik och hög tjocklek för den vätskefilm som bildas när sprayen med urea-lösning kommer i kontakt med ytor i efterbehandlingssystemet. Det är därför av stor vikt för tillverkare av efterbehandlingssystem som använder SCR att känna till hur mycket urealösning som kan sprayas in för varje givet flöde. Experimentella tester används till stor del för att utvärdera detta, men är väldigt dyra och kan endast göras för ett fåtal prototyper under en produkts utveckling. För att kunna utvärdera ett större antal koncept och geometrier tidigare i utvecklingsstadiet av en ny produkt används därför ofta datorkraft med simuleringsverktyg som CFD (Computational Fluid Dynamics).

En av de mest beräkningstunga processerna att simulera i ett efterbehandlingssystem med SCR är sprayandet av urea-lösning och dess interaktion med ytor, där korrekta förutbestämmelser av huruvida det finns risk för klumpbildning eller inte är av stor betydelse. De flesta CFD modeller som används i detta syfte har förhållandevis god noggrannhet och används i stor utsträckning i den bransch där efterbehandling med SCR tillämpas. Däremot är dessa modeller begränsade i att de endast kan åstadkomma simuleringar (med en acceptabel mängd datorkraft) som sträcker sig i tidsintervallet sekunder till minuter. Bildningen av klump är dock en process som kan ta upp till flera timmar.

Scania är en av Sveriges största tillämpare av SCR, då tekniken används i de efterbehandlingssystem som finns inbyggda i tillverkarens ljuddämpare. Scania använder främst AVL Fire för simulering av spray med urea. AVL Fire anses dock vara för tidskrävande vid skapelsen av nya simuleringsfall och för instabilt under simulering.

Detta projekt har därför undersökt möjligheten att använda STAR-CCM+ för simulering av spray med urea hos Scania. Den metod i STAR-CCM+ som utvärderats är enkel att använda då nya simuleringsfall ska skapas, samtidigt som den är robust och stabil under simulering. Relevanta parametrar för en potentiell uppsnabbningsmetod har också undersökts. STAR-CCM+ i sin helhet är användarvänligt, där verktyget för att skapa och generera mesh är enkelt att använda såväl som kraftfullt när mer avancerade operationer krävs. Möjligheterna för postprocessing är väldigt smidiga för transienta förlopp, vilket är ett stort plus för simuleringar med urea-spray, vars injektion och resulterande processer är väldigt transienta skeenden i sig.

Flera olika parametrar har undersökts, för att granska hur stor påverkan de har på prestandan och noggrannheten hos den studerade metoden. Två av dessa är tätheten av beräkningsnoder i den region där spray-munstycket är placerat samt antalet paket med urea-vatten lösning som injiceras varje tidssteg via spray-munstycket. En möjlig uppsnabbning av metoden, som går ut på att frysa ekvationerna för bevarelse av rörelsemängd (eng - momentum equations) när det är tillåtet och samtidigt minska antalet inre iterationer för varje tidssteg, har också undersökts.

Ett flertal olika flödesförhållanden har också undersökts för två olika geometrier. De erhållna resultaten tyder på korrelation med data från fysiska experiment. Dock bör ytterligare hydrodynamiska utvärderingar tillämpas för att ordentligt kunna redogöra för hur väl STAR-CCM+ kan användas för att förutse risken för klump- bildning i en spray-process med urea-vatten lösning. Framtida arbete borde fokusera på att utvärdera den uppsnabbningsmetod som finns för spray-simuleringar i STAR-CCM+, samt direkt jämföra hur väl metodens noggrannhet och prestanda står sig gentemot den metod som används i AVL Fire för spray-simuleringar.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 58
Keywords [en]
Urea, AdBlue, SCR, Solid Deposit, NOx, nitrogen oxides, CFD, speedup, spray simulation, UWS, diesel after-treatment, STAR-CCM+, AVL Fire, Scania, Sweden, NXPS, LiU, DOE
Keywords [sv]
Urea, AdBlue, SCR, Klump, NOx, kvävedioxider CFD, uppsnabbning, spray simulering, UWS, efterbehandling av diesel-motor, STAR-CCM+, AVL Fire, Scania, Sverige, NXPS, LiU, DOE
National Category
Fluid Mechanics and Acoustics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-160484ISRN: LIU-IEI-TEK-A--19/03559—SEOAI: oai:DiVA.org:liu-160484DiVA, id: diva2:1356622
External cooperation
Scania
Subject / course
Applied Thermodynamics and Fluid Mechanics
Presentation
2019-06-19, 315:934, A-huset, Olaus Magnus väg 37, Linköping, 583 30, 10:15 (English)
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-10-02 Created: 2019-10-02 Last updated: 2019-10-02Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Exjobbsrapport(18292 kB)16 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 18292 kBChecksum SHA-512
bc6673cbb8ab2e21cd94bb198f08a4ce0b1b037b6f26260ec4e433a92f175fd5e69863797d189fda38e6da3f3546419aec25c3c63f8d9f490d46d49d8faf305e
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Ottosson, Oscar
By organisation
Applied Thermodynamics and Fluid Mechanics
Fluid Mechanics and Acoustics

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 16 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 108 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf