尿素 SCR の物理モデル推奨設定と非定常解析の高速化手法シーメンスPLMソフトウェア菅貞博 Unrestricted Siemens AG 2017

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れいなはなだて
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1 尿素 SCR の物理モデル推奨設定と非定常解析の高速化手法シーメンスPLMソフトウェア菅貞博

2 ディーゼル排気処理システム Page 2

3 尿素 SCR システムの概要熱伝達尿素水噴射液滴分裂アンモニアイソシアン酸液滴蒸発水発達乱流流れ触媒表面化学反応 NOx 還元排気ガス液膜形成液滴衝突液膜蒸発デポジット Page 3 熱伝導

4 尿素 SCR の物理モデル推奨設定と非定常解析の高速化手法尿素 SCR の物理モデル推奨設定尿素水の物理現象をどう扱うか尿素 SCR の非定常解析の高速化手法いかにスピーディに非定常解析を行うかおわりに Page 4

5 尿素 SCR の物理モデル推奨設定

6 尿素 SCR システムの物理的化学的現象尿素水 (NH2)2CO + H2O NO 還元 NO + NH3 + 1/4 O2 N2 + 3/2 H2O H2O 蒸発アンモニアイソシアン酸混合気体 H2O, HNCO, NH3, O2, NO (250 前後?) 排気ガス NOx (100 ~700 ) 水尿素の加熱分解 (133 以上 ) (NH2)2CO HNCO + NH3 イソシアン酸の加水分解 (350 以上 ) HNCO + H2O CO2 + NH3 Page 6

7 尿素の加熱分解と加水分解を考慮した解析多成分気体反応モデルを採用し 2 つの化学反応を定義した解析が可能 Page 7

8 尿素の加熱分解と加水分解を考慮した解析 Page 8

Numerical Predictions on the Characteristics of Spray-Induced Mixing and Thermal

9 尿素の加熱分解と加水分解を考慮した解析ソリッドコーンインジェクタ 43,745 セル定常解析 /2 並列計算 50 イタレーション目からラグランジェ化学反応計算を開始流量入口 kg/s J. Kim, S. H. Ryu, and J. Soo Ha. Numerical Predictions on the Characteristics of Spray-Induced Mixing and Thermal Decomposition of Urea Solution in SCR System. In ASME 2004 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference, Page 9

10 高負荷な化学反応解析を不要とするアプローチ化学反応という枠組みを無視することが可能尿素の加熱分解 : 蒸発型アプローチを採用尿素の加水分解 : 無視 ( マフラー内で発生しない ) それぞれの分解反応を次ページ以降から吟味 Page 10

11 尿素の加熱分解尿素が加熱されイソシアン酸とアンモニアに分解される現象 133 以上の温度域で発生 (NH2)2CO HNCO + NH3 厳密には図に示される気化と分解の経路をとる [1] 気化に必要なエンタルピー :87.4 KJ/mol 気化により尿素水液滴が冷やされる分解に必要なエンタルピー :98.1KJ/mol 分解により周囲気体が冷やされる尿素 ( 固体? 液体?) 気化尿素 ( 気体 ) 分解 ΔH = KJ/mol ΔH = KJ/mol [1] Birkhold, F.: Selektive Katalytische Reduktion von Stickoxiden: Untersuchung der Einspritzung von Harnstoffwasserlösung. Dissertation, Fakultät für Maschinenbau, Universität Karlsruhe. 2007, Berichte aus der Strömungstechnik, Shaker Verlag, Aachen イソシアン酸 + アンモニア ( 気体 ) Page 11

12 尿素の加熱分解気化した状態の尿素状態として非常に不安定一瞬にしてイソシアン酸とアンモニアへ分解する現実的には気化過程を無視することが可能 [1] つまり以下のように扱える : 尿素がワンステップでイソシアン酸とアンモニアへ分解トータル KJ/mol のエンタルピーを要すると考える尿素 ( 固体? 液体?) 分解 ΔH = KJ/mol イソシアン酸 + アンモニア ( 気体 ) Page 12

13 尿素水尿素の加熱分解蒸発型アプローチの導入尿素の加熱分解を化学反応ではなく蒸発相変化として扱う現象論としては厳密には正確ではないが液体尿素が気体尿素に蒸発すると考える気体尿素とはアンモニアとイソシアン酸の混合気体と考える 32.5% (AdBlue) 尿素 ( 液体 ) ΔH = KJ/mol 蒸発アンモニア + イソシアン酸 ( 気体 ) 67.5% (AdBlue) 水 ( 液体 ) 蒸発 ΔH = KJ/mol 水蒸気 ( 気体 ) Page 13

14 尿素の加熱分解蒸発型アプローチによる尿素水の蒸発物はアンモニアとイソシアン酸の混合物となるこの混合物は発生後マフラー内の乱流場流れに沿って SCR 触媒側へ流れていく経験則的に : アンモニアとイソシアン酸が分離して著しく異なる挙動をとることは発生しないこの混合物を通常着目すべきアンモニアとして代用してかまわない触媒前端のアンモニア分布の検討例 : OP 1 OP 2 OP 3 OP 4 Measurement 1 Measurement 2 CFD ZöchbauerM., Lauer, T., Hofer, G. and Krenn C. CFD-Simulation and Validation of the Ammonia Homogenisation in SCR Systems," 9th International Exhaust Gas and Particulate Emissions Forum, Ludwigsburg, 2016 Increasing Exhaust Temperature and Mass Flow Normalised Ammonia Concentration low high Page 14

15 尿素の加熱分解一方で触媒前端でのアンモニアやイソシアン酸の分布量を厳密に切り分けることも可能触媒での表面化学反応解析のインプットとしてそれぞれの分布を取り出したい場合などこの場合は結果処理としてモル質量ベースの係数乗算を行い質量分率を求める具体的には以下の手順となる : YNH3 = 2 YUREA XNH3 (MGAS / MNH3) = 2 XUREA (MGAS / MUREA) XNH3 = 2 XUREA (MNH3 / MUREA) = (2 (MNH3 / MUREA)) XUREA = ( / 60) XUREA = XUREA XHNCO = XUREA Y : モル数 M : モル質量 X : 質量分率 Page 15

16 尿素の加熱分解蒸発型アプローチを導入するために物性値として以下が必要 : 飽和圧力蒸発潜熱 (1) 飽和圧力文献 [1] においてアントワン式の定数のあわせこみを実施 STAR-CCM+ において上記と等価となる定数は以下となる Log10 P = A - B / ( T+C ) A = B = C = 0.0 Page 16

17 尿素水尿素の加熱分解 (2) 蒸発潜熱蒸発潜熱は相変化エンタルピーから直接決定可能 Hlat = Hgas(Tsat) - Hliquid(Tsat) = kj/mol = J/kg [1] ΔH = KJ/mol Hlat = kg/j 尿素 ( 液体 ) 蒸発アンモニア + イソシアン酸 ( 気体 ) 水 ( 液体 ) 蒸発水蒸気 ( 気体 ) ΔH = KJ/mol Hlat = kg/j Page 17

18 尿素の加水分解イソシアン酸と水蒸気が反応しアンモニアと二酸化炭素が生成される反応 HNCO + H2O NH3 + CO2 マフラー内のガス中では加水分解は発生しにくい ( イソシアン酸は安定して存在 ) SCR 触媒表面上では急速に加水分解が発生する過去の文献 [1] [2] より : 排気ガス温度 (250 前後 ) ではガス中の加水分解はほとんど発生しない 350 以上において加水分解によるアンモニア発生が活発化するマフラー内 (SCR 触媒より上流側 ) では加水分解は全く発生しないと考えてよい設計観点から : SCR 触媒前端でのアンモニア分布をとらえることが主目的よって加水分解は無視できる [2] J. Kim, S. H. Ryu, and J. Soo Ha. Numerical Predictions on the Characteristics of Spray-Induced Mixing and Thermal Decomposition of Urea Solution in SCR System. In ASME 2004 Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference, Page 18

19 蒸発型アプローチの検証実績高温ガス中での尿素水液滴の蒸発による径変化文献 [3] の計測結果と STAR-CCM+ の結果がよく一致 [3] T. J. Wang, S. W. Baek, and S. Y. Lee. Experimental Investigation on Evaporation of Urea-Water-Solution Droplet for SCR Applications. AIChE Journal, 55, No.12: , K 523 K 673 K 723 K Experiments (Wang et. al.) - STAR-CCM+ Page 19

20 解析コスト化学反応解析と蒸発型アプローチ解析イタレーションあたりの計算時間に明確な差が生じる s (CPU Time / iteration) 43,745 セル定常解析 2 並列計算 s (CPU Time / iteration) 21% 減 Page 20 化学反応解析 50 イタレーションからラグランジュ液滴計算を開始化学反応計算を開始蒸発型アプローチによる解析 50 イタレーションからラグランジュ液滴計算を開始

21 STAR-CCM+ の推奨設定 STAR-CCM+ での尿素 ( 液体 ) の推奨設定変数値単位分子量 kg/kmol 密度 1320 Kg/m 3 標準状態の温度 K 比熱温度の多項式生成熱 J/kg 粘性係数 Pa-s 臨界圧 E7 Pa 臨界温度 K 蒸発の潜熱エンタルピー差表面張力 N/m 飽和圧力 Antoie 式 Page 21

22 STAR-CCM+ の推奨設定 STAR-CCM+ での尿素 ( 液体 ) の推奨設定比熱飽和圧力 [2][273.15, 600.0][291.07, ][0.0, 1.0]false[K][J/kg-K] Page 22

23 STAR-CCM+ の推奨設定 STAR-CCM+ での尿素 ( 気体 ) の推奨設定変数値単位分子量 kg/kmol 標準状態の温度 K 比熱 J/kg-K 生成熱 0.0 J/kg 粘性係数 E-5 Pa-s Page 23

STAR-CCM+ の推奨設定 SCR シミュレーションアシスタント ( 物理モデル設定の自動化 ) 物理連続体 : 数クリックで完了物性値 : 蒸発型アプローチ Bi-Gosmanモデル : 弊社推奨値文献 [4] に準拠インジェクタパネル形式で設定値を入力尿素質量収支プロット [4] Simon Fischer:

24 STAR-CCM+ の推奨設定 SCR シミュレーションアシスタント ( 物理モデル設定の自動化 ) 物理連続体 : 数クリックで完了物性値 : 蒸発型アプローチ Bi-Gosmanモデル : 弊社推奨値文献 [4] に準拠インジェクタパネル形式で設定値を入力尿素質量収支プロット [4] Simon Fischer: Simulation of the urea-water-solution preparation and ammonia-homogenization with a validated CFD-model for the optimization of automotive SCR-systems (2012) (PhD thesis) Page 24

25 尿素 SCR の非定常解析の高速化手法

26 SCR: 時間スケールの異なる現象が混在液滴液膜 ( と熱伝達 ) 時間スケール :~10 μs 推奨時間ステップ :5E-5 s 時間スケール :~100 s 推奨時間ステップ :0.01 sec 並列コア数 :~50 cores 程度が限界ラグランジェソルバーのスケーラビリティは不十分解析実行時間 (CPU Time) 年単位から日単位へどう落とすのか? 時間ステップ 5E-5 s を用いて物理時間 100 s の解析を行うのに必要な計算時間 Page 26

27 短い物理時間のみの非定常解析実行時の危険性 0.3 sec のみ非定常解析を実行 Page 27

28 短い物理時間のみの非定常解析実行時の危険性液膜質量の合計値プロット 0.3 sec のみ非定常解析を実行一定値に漸近した印象の結果? 0.3 sec Page 28

29 短い物理時間のみの非定常解析実行時の危険性非定常解析をさらに長時間実行 Page 29

30 短い物理時間のみの非定常解析実行時の危険性 0.3 sec 125 sec Page 30

31 非定常解析の高速化のための対策以下 3 点について紹介案 1: 時間ステップのコントロール案 2: 固体の物性値のコントロール案 3: 噴霧と液膜の分離解法 Page 31

32 案 1: 時間ステップのコントロールフィールド関数 ( あるいは Java マクロ ) による時間ステップの自動変更例 : 液膜成長が小さい間 :1E-4 sec 液膜成長が大きい間 :1E-2 sec( ただし解析領域のクーラン数に応じて増減させる ) フィールド関数の記載例 periodictime( 尿素噴霧タイミング [Hz]) fmod($time,1) mytimestep( 時間ステップ長さ ) alternatevalue( ${periodictime}>0.02 && ${periodictime}<0.245? min(${cflavereport}>=20? 0.95*${TimeStep}:1.05*${TimeStep},0.01) : 1e-4, 1e-4) Page 32

33 案 1: 時間ステップのコントロール検証例 Page 33

34 非定常解析の高速化のための対策以下 3 点について紹介案 1: 時間ステップのコントロール案 2: 固体の物性値のコントロール案 3: 噴霧と液膜の分離解法 Page 34

35 案 2: 固体の物性値のコントロール前提 : 固体部をモデル化しその温度分布や温度時間変化を正確にとらえることが重要液膜生成 ( と液膜の蒸発 ) の精度にインパクト大固体部をモデル化しない場合 : 壁面の温度低下を過小評価液膜生成量の過大評価液滴 / 液膜蒸発量の過小評価固体部 :SCR では特にミキサーが重要 Page 35

36 案 2: 固体の物性値のコントロール固体の温度分布が平衡状態に達するまでの時間スケール固体温度分布がなじむまでには 100 sec のオーダーの経過時間が必要物性値の変更によりなじむスピードを大きくできる可能性あり熱伝導方程式の ρ*cp に着目 : Page 36

37 案 2: 固体の物性値のコントロール拡散時間 (Tdiffusion) をコントロールするよう比熱の値を調整することを考える尿素噴霧サイクルの1/10の時間で温度がミキサー板厚 L を完全に伝導させる場合 : Tdiffusion = L 2 * ρ*cp / k Tdiffusion: 拡散時間 L: 板厚 ρ: 密度 Cp: 比熱 k: 熱伝導率 L = 3.5 mm, k = 42 W/m-K, Tdiffusion = 0.1 s とすると ρ*cp = 342,857 J/K-m 3 Page 37

38 案 2: 固体の物性値のコントロールプレート温度分布の推移噴射停止 T > T Leidenfrost 液膜なし ( 蒸気クッション ) 熱伝達 : Wruck Model T < TLeidenfrost 液膜生成熱伝達 : 液膜沸騰噴射停止 Page 38

39 Plate Temperature 案 2: 固体の物性値のコントロール本手法 : 冷却効果が大きすぎる傾向非推奨本来の Cp 修正した Cp 冷却スピードが過大 Physical Time Page 39

40 非定常解析の高速化のための対策以下 3 点について紹介案 1: 時間ステップのコントロール案 2: 固体の物性値のコントロール案 3: 噴霧と液膜の分離解法 Page 40

41 案 3: 噴霧と液膜の分離解法噴霧と液膜の分離解法 ( 構築中の技術 ) 噴霧のみの解析ファイルと液膜のみの解析ファイルを分離交互に解析を実行ファイル間で情報交換 Spray Film 時間ステップ : 小時間ステップ : 大 Page 41

42 案 3: 噴霧と液膜の分離解法 Start Main Simulation (Includes film, CHT, gas) Run Exports: Film temperature Film Evaporation Film Film Film Import spray table. Apply as film sources: Species Momentum Species temperature Start Spray Simulation (includes Lagrangian, gas) Film Spray Exports table sources from Lagrangian: Components Momentum Energy Run Import film table: Wall temperature Wall species flux Spray Page 42 Spray Spray

43 案 3: 噴霧と液膜の分離解法通常の連成解法本分離解法通常の連成解法本分離解法 Page 43

44 おわりに

45 公開済みのウェビナー ( 動画 ) 2017 年 2 月 : 海外向けウェビナー Optimize the performance of SCR systems through simulations 2017 年 3 月 : 日本国内向けウェビナー数値解析による尿素 SCR システム性能の最適化 Page 45

46 ディーゼル排気処理に対する STAR-CCM+ 適用範囲 DPF Page 46 Soot Cake の発達による圧損増大 Regeneration による soot 除去 ( 酸化反応 ) と圧損復活

47 ディーゼル排気処理に対する STAR-CCM+ 適用範囲触媒表面詳細化学反応 Page 47

48 ゴールパラメトリック CAD モデリングロバストなメッシャー操作フローの自動化すべての現象をカバーする物理モデル流れ熱伝達 / 熱伝導液滴噴霧 / 液膜反応 (DPF と触媒性能 ) Adjoint ソルバを用いた感度評価設計探査 HEEDS / Design Manager Urea Injection Exhaust Gases Film Formation Components Mixing Page 48

49 Thank you

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation Embedded CFD 1D-3D 連成によるエンジンコンパートメント熱収支解析手法の提案 June 9, 2017 . アジェンダ Embedded CFD 概要エンコパ内風流れデモモデル他用途への適用可能性, まとめ V サイクルにおける,1D-3D シミュレーションの使い分け ( 現状 ) 1D 機能的表現企画 & 初期設計詳細 3D 形状情報の無い段階 1D 1D 空気流れ計算精度に限度

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