CFD study for the optimization of a mixing pipe for SCR system

Spray–wall interactions represent a critical aspect of engineering systems in automotive exhaust after-treatment technologies, combustion systems, and advanced thermal management devices. The interaction between liquid droplets and hot surfaces involves complex and strongly coupled multiphase mechanisms, including droplet deformation, splashing, secondary atomization, liquid film formation, evaporation, and boiling heat transfer. The accurate prediction of these phenomena is essential for optimizing system efficiency, preventing undesired deposit formation, and improving overall thermal performance. The present thesis focuses on the numerical investigation of spray–wall interaction processes under high-temperature operating conditions typical of selective catalytic reduction (SCR) exhaust after-treatment systems. In this application aqueous urea–water solution (UWS) spray is injected into hot exhaust gas streams to promote ammonia generation through evaporation and thermolysis processes. The effectiveness of this technology strongly depends on the complex interaction between the injected spray and the heated surfaces of the exhaust system components, which directly influences evaporation efficiency, droplet transport dynamics, and potential liquid film accumulation. To investigate these processes, a computational fluid dynamics (CFD) framework based on a multi-region approach is employed and implemented within the OpenFOAM environment. This methodology allows the simultaneous modelling of fluid flow, heat transfer, and conjugate thermal interactions between the gas phase, dispersed liquid phase, and solid structures. To model droplet–wall interaction mechanisms, two widely adopted modelling approaches, namely the Bai model and the Kuhnke model, are implemented and systematically compared to evaluate their capability to reproduce droplet impact dynamics, liquid film formation, and thermally driven secondary atomization phenomena. The modelling framework further incorporates evaporation mechanisms based on boiling heat transfer theory, including film boiling evaporation modelling derived from the O’Rourke formulation. A systematic parametric study is conducted by varying key operating parameters such as airflow velocity, wall temperature, and injector discharge coefficient. This approach allows for a detailed evaluation of aerodynamic and thermal effects on spray evolution, droplet breakup, liquid film dynamics, and evaporation behaviour. Particular attention is devoted to operating conditions across the Leidenfrost temperature range, enabling the investigation of transitions between nucleate boiling, transition boiling, and film boiling regimes, as well as their influence on spray evaporation and liquid film behaviour.

Le interazioni spray–parete rappresentano un aspetto critico nei sistemi ingegneristici impiegati nelle tecnologie di post-trattamento dei gas di scarico nel settore automobilistico, nei sistemi di combustione e nei dispositivi avanzati di gestione termica. L’interazione tra gocce liquide e superfici calde coinvolge meccanismi multifase complessi e fortemente accoppiati, tra cui deformazione della goccia, splash, atomizzazione secondaria, formazione di film liquido, evaporazione e trasferimento di calore per ebollizione. La previsione accurata di tali fenomeni è essenziale per ottimizzare l’efficienza del sistema, prevenire la formazione indesiderata di depositi e migliorare le prestazioni termiche complessive. La presente tesi si concentra sull’indagine numerica dei processi di interazione spray–parete in condizioni operative ad alta temperatura, tipiche dei sistemi di post-trattamento dei gas di scarico basati sulla riduzione catalitica selettiva (SCR). In questa applicazione, una soluzione acquosa di urea (UWS) viene iniettata nei flussi caldi dei gas di scarico per favorire la generazione di ammoniaca attraverso processi di evaporazione e termolisi. L’efficacia di tale tecnologia dipende fortemente dalla complessa interazione tra lo spray iniettato e le superfici riscaldate dei componenti del sistema di scarico, che influenza direttamente l’efficienza di evaporazione, la dinamica di trasporto delle gocce e il potenziale accumulo di film liquido. Per investigare questi processi, viene impiegato un framework di fluidodinamica computazionale (CFD) basato su un approccio multi-regione, implementato nell’ambiente OpenFOAM. Questa metodologia consente la modellazione simultanea del moto del fluido, del trasferimento di calore e delle interazioni termiche coniugate tra la fase gassosa, la fase liquida dispersa e le strutture solide. Per modellare i meccanismi di interazione goccia–parete, vengono implementati e confrontati sistematicamente due approcci di modellazione ampiamente adottati, ovvero il modello di Bai e il modello di Kuhnke, al fine di valutarne la capacità di riprodurre la dinamica dell’impatto delle gocce, la formazione del film liquido e i fenomeni di atomizzazione secondaria indotti termicamente. Il framework di modellazione incorpora inoltre meccanismi di evaporazione basati sulla teoria del trasferimento di calore per ebollizione, inclusa una modellazione dell’evaporazione in regime di ebollizione a film derivata dalla formulazione di O’Rourke. Viene condotto uno studio parametrico sistematico variando parametri operativi chiave quali la velocità dell’aria, la temperatura della parete e il coefficiente di scarico dell’iniettore. Questo approccio consente una valutazione dettagliata degli effetti aerodinamici e termici sull’evoluzione dello spray, sulla frammentazione delle gocce, sulla dinamica del film liquido e sul comportamento di evaporazione. Particolare attenzione è dedicata alle condizioni operative nell’intervallo di temperatura del Leidenfrost, permettendo l’analisi delle transizioni tra i regimi di ebollizione nucleata, ebollizione di transizione ed ebollizione a film, nonché della loro influenza sull’evaporazione dello spray e sul comportamento del film liquido.