Modelling the liquid film evolution and spray wall interaction in SCR dosing units

The main topic of this work is the development and validation of models for the simulation of surface film in the context of Selective Catalytic Reduction (SCR) systems for Diesel internal combustion engines. The work is structured in a series of chapter, each detailing one aspect of the modeling. In chapter 2, a general introduction to the reasons behind this work are given, with a focus on the challenges associated with the strict emission regulations implemented worldwide. After this general introduction, in chapter 3 the focus is put on the kinematic modeling of surface films, highlighting the effects of the interaction between spray and film and its effects on the choice of the calculation grid. A section of this chapter (3.4) is also dedicated to the description of the model used to simulate the spray wall interaction in the case of dry and wet conditions. In chapter 4, results from the simulation of an impinging spray on a plate are discussed, comparing the film height obtained numerically with the one experimentally measured. As in the case of SCR systems the surfaces involved are usually above the wetting threshold, in chapter 5 the importance of a model capable of capturing the transition between the different heat transfer regimes is emphasized. The model developed is presented and discussed. Application of the model to an experimental case is presented in the section 5.4, showing the potential of the model as well as pointing up its flaws. In particular, the necessity of a complete urea decomposition model is stressed. In chapter 6, the authors discuss two different urea decomposition models, a simplified model, which can be used to evaluate the overall NH3 production after UWS decomposition and a more complete model, taking into account a series of secondary species produced from the decomposition of urea, which can be useful to predict the regions of higher risk of solid deposit formation.

L’argomento principale di questo lavoro è lo sviluppo e la validazione di modelli per la simulazione di film liquidi nel contesto dei sistemi di abbattimento SCR (Selective Catalytic Reduction) utilizzati in motori diesel. Questo lavoro è organizzato in una serie di capitoli, ognuno dedicato a un aspetto particolare della modellazione di questi sistemi. In particolare, nel capitolo 2 viene data una introduzione generale alle ragioni dietro questo lavoro, concentrandosi sugli obiettivi di riduzione degli inquinanti prefissati nei prossimi anni in Europa e in altri paesi. Successivamente, viene anche discusso il meccanismo di funzionamento del sistema SCR e le difficoltà tecniche associate a tale tecnologia. Infine, l’applicazione di questa tecnologia in associazione a carburanti innovativi viene discussa nella prospettiva della progressiva decarbonizzazione della industria dei trasporti. Nei capitoli successivi viene affrontata la tematica della modellazione del film, partendo dagli aspetti della modellazione cinematica e successivamente della modellazione termica e chimica. In particolare, nel capitolo 3 dopo un preambolo sullo strumento della CFD, il focus è posto sulla modellazione lagrangiana dello spray, discutendone le varie equazioni, in luce della dipendenza tra le performance del sistema e l’evoluzione dello spray di soluzione acqua e urea (UWS, urea water solution). Una sezione del capitolo (3.4) è dedicata all’argomento della interazione tra spray e pareti, che influenza fondamentalmente lo spray a causa delle ridotte dimensioni del sistema e che è causa di raffreddamento dei componenti del sistema SCR stesso e formazione di film. La validazione cinematica dei modelli del film è oggetto del capitolo 4, dove viene anche presentato il modello di stripping utilizzato nel film. Successivamente nel capitolo il modello viene validato comparando l’altezza del film in un caso a bassa temperatura, dove la rimozione di massa dal film avviene appunto per principalmente per stripping. Visto che l’applicazione SCR coinvolge range di temperatura anche superiori a quello della formazione del film, nel capitolo 5 la modellazione dello scambio termico nei diversi regimi di temperatura tipici della applicazione è discusso. In particolare, il modello implementato utilizza la distinzione tra regimi di evaporazione caratteristica della curva di Nukiyama per valutare a seconda della temperatura della superfice il coefficiente di scambio termico tra spray o film e parete. Per validare il modello, dati sperimentali dal tunnel EMPA sono utilizzati. La presentazione dell’apparato sperimentale e del setup numerico è l’argomento della sezione 5.4, dove le potenzialità e le debolezze del modello sono discusse. In particolare, la necessità di includere un modello di decomposizione per l’urea è individuata come una debolezza importante. Questo è appunto oggetto di discussione del capitolo 6, dove due diversi modelli sono presentati e discussi. Il primo è un modello semplificato, utile per valutare la produzione di ammoniaca dopo la completa decomposizione della urea, mentre il secondo è un modello più completo, che tiene in considerazione una serie di specie secondarie e la loro chimica e permette di tenere in considerazione il rischio di formazione di depositi solidi. Infine, nelle conclusioni gli obiettivi raggiunti in questo lavoro vengono riassunti e le prossime sfide sono delineate.