Development of a CFD model for the simulation of the spray-wall thermal interaction inside the dosing unit of SCR systems for diesel ICE

Pollutants emissions have become in these years one of the main challenges in the design of internal combustion engines. In particular, regarding spontaneous ignition ICEs, one of the main limitation is the emission of nitrous oxides (NOx). In this master thesis, the object of analysis is fluid dynamic analysis of the mixing unit used to ensure the mixing of the AdBlue with the exhaust gases, in order to improve the performances of the catalytic converter downstream, using the open source CFD tool OpenFOAM. The analysis starts with a steady simulation of the component, including a conjugate heat transfer model, to give an initial idea of the temperature distribution in the component. At this stage, different meshing strategies are considered for the component, starting from the OpenFOAM standard meshing tool snappyHexMesh, which was used to generate a hexahedral mesh, and then switching to SALOME, for the generation of a tetrahedral mesh, which is later converted to a polyhedral mesh. As the cooling effect from the impingement of droplets on the evaporator is one of the main sources of localized cooling for this component, a model for the interaction between droplets and wall is developed, together with a finite element method model for the solid wall, and validated against a CHT model, using a simplified geometry as test case. Afterwards, frozen flow simulations are performed, with the injection of the AdBlue mixture, on the original case, applying the models developed. Finally, early results from a simple test case with a wall film model are presented.

La risuzione delle emissioni di inquinanti sono divenute in questi anni una delle principali sfide nella progettazione di motori a combustione interna. Per i motori ad accensione spontanea, una delle limitazioni più imporanti riguarda le emissioni di ossidi di azoto (NOx). In questo lavoro di tesi, l’obiettivo è stato l’analisi fluidodinamica della unità utilizzata per favorire la miscelazione dell’AdBlue con i gas di scarico, necessaria per migliorare le performance del catalizzatore. L’analisi è partita da una serie di simulazioni steady state, che hanno utilizzato dei modelli di conjugate heat transfer (CHT), per dare un’idea iniziale della distribuzione della temperatura all’interno del componente. Durante questa fase, differenti strategie per la generazione della mesh sono state considerate per il componente, partendo da snappyHexMesh, l’utility standard di OpenFOAM per la generazione di mesh esaedriche, e poi passando a SALOME, che è stato utilizzato per la generazione di una mesh tetraedrica che poi è stata convertita a poliedrica. Visto che una delle principali fonti di raffreddamento nell’evaporatore è l’impatto dello spray sulle pareti, un modello per l’interazione tra gocce e parete è stato svilupppato, insieme a un modello a elementi finiti per la parete stessa, ed è stato testato usando il solver CHT standard come benchmark, su una geometria semplificata. Dopo questo step di validazione, una serie di simulazioni frozen flow sono state fatte sulla geometria originale, includendo l’iniezione di AdBlue, applicando il modello sviluppato. Infine, dei risultati preliminari da una simulazione con un modello di wall film sono presentati.