Experimental Characterization and Improved Modelling Methodology for Simple Geometry After-treatment Devices Focused on Pressure Drop and Transmission Loss

Abstract

[ES] Los modelos computacionales tienen potencial para ser empleados como estimadores del desempeño de nuevos dispositivos de postratamiento en varios aspectos, tales como la caída de presión y la perdida por transmisión, reduciendo así la necesidad de medidas experimentales, que pueden generar retrasos e incrementar costos durante las fases de diseño y prueba de nuevos sistemas de postratamiento para líneas de escape, optimizando así el proceso de diseño. Como un intento de sacar provecho a este potencial, se ha buscado una nueva metodología mejorada para modelar y evaluar sistemas de postratamiento, con buenos resultados en términos de caída de presión y pérdida por transmisión. La metodología seguida para esta investigación empieza por la caracterización experimental de los dispositivos a estudiar. A continuación, se preparan plantillas basadas en las instalaciones y procedimientos de los procesos experimentales de medida. Después, se desarrolla un estudio de sensibilidad para acotar los efectos sobre la caída de presión y la perdida por transmisión de los parámetros, configuraciones y elementos seleccionados del programa de modelado, para identificar los que son relevantes. Finalmente, se propone una metodología unívocamente definida para la construcción de modelos capaces de producir resultados tan confiables y acertados como los obtenidos de la medida experimental, usando los resultados experimentales como referencia y para validación. Este trabajo está concebido como el primer paso de un estudio más ambicioso, al limitar su alcance a dispositivos con una geometría simple, esto es, dispositivos con configuración geométrica recta, secciones de tubería concéntricas, elementos cónicos rectos, cavidades con elementos auxiliares comunes como inyectores y mezcladores, y únicamente monolitos de flujo directo. Esta elección se fundamenta en la experiencia de estudios previos desarrollados en el I.U CMT, en los cuales sólo se estudiaron sistemas con configuraciones geométricas realistas sin obtener resultados concluyentes. De hecho, los resultados experimentales no brindaban información suficiente sobre las eventuales fuentes de discrepancias observadas al comparar con los resultados de las simulaciones. Del componente experimental, todas las mediciones se realizaron con éxito, produciendo una base de datos representativa en dispositivos de postratamiento con configuración geométrica simple, con hallazgos interesantes acerca del comportamiento aditivo de la caída de presión y la perdida por transmisión al interconectar dispositivos, y la descomposición de la perdida por transmisión en dos contribuciones: reflectiva y disipativa. Por la parte del modelado, tras algunos ajustes para acomodar el procedimiento de medida de la perdida por transmisión a las opciones y capacidades del software, se consiguió desarrollar plantillas satisfactorias. Los resultados del estudio de sensibilidad permitieron definir el punto de partida para la metodología, que cual fue después complementada y probada durante el modelado de los dispositivos, del cual se obtuvieron resultados con buena correspondencia con los experimentales, con diferencias en caída de presión inferiores al 5% y curvas de perdida por transmisión similares a las experimentales dentro del rango de los 500 Hz y con tendencias apropiadamente representadas hasta los 1000 Hz. Como productos finales se obtuvieron: la última versión de la metodología, acompañada por instrucciones para la discretización de dispositivos, una lista de elementos recomendados para representar los componentes más comunes en sistemas de postratamiento y una serie de parámetros recomendados para calibración de los modelos, todos estos validados en dispositivos de geometría simple. El siguiente paso para continuar con el estudio más ambicioso antes mencionado sería el de extender el alcance y replicar las actividades aquí presentadas en sistem

[EN] Computational models have the potential to be used to account and estimate the performance of new aftertreatment devices in several aspects, such as pressure drop and transmission loss, reducing the need for experimental measurements, which may take time and increase cost during the design and testing phases of new exhaust after-treatment systems, thus optimizing the design process. As an attempt to unfold this potential a new, improved modelling and testing methodology for aftertreatment systems, capable of producing good pressure drop and transmission loss, is sought. The methodology followed for this research starts with the experimental characterization of the devices studied. Then, modeled testing templates mimicking the facilities and procedures of the experimental measuring processes are prepared. Following, a sensitivity analysis on the effects over pressure drop and transmission loss of selected software parameters, elements and setups is performed in order to identify the key ones. Finally, a uniquely defined methodology is proposed to build models capable of producing results as reliable and accurate as those of the experimental measurements, using the experimental results as benchmark and validation. This work is intended as the first step of a more ambitious study, by limiting the scope to devices with simple geometry, this is, devices with straight geometrical disposition, concentric pipe sections, straight flow tapers, cavities with common auxiliaries such as injectors and mixers, and flow-through monoliths only. This choice is justified on the grounds of previous researches developed at I.U CMT, in which the devices studied included only complex realistic systems that did not allow to obtain conclusive results. In fact, the experimental results did not provide enough information about the eventual source for the discrepancies observed between the results of the simulations and the measurements. From the experimental characterization side, all measurements were performed successfully, producing a representative database on simple geometry aftertreatment devices, with some interesting findings on the additivity of pressure drop and transmission loss of interconnected devices, and the decomposition of transmission loss into reflective and dissipative terms. With respect to the modelling work, after some adjustments to suit the transmission loss testing procedure into the software capabilities and options, satisfactory modeled testing templates were obtained. The sensitivity study results led to define the starting point for the methodology which was then tested and improved with the modelling of the devices, which also produced results with good correlation to experimental, with pressure drop results below 5% error and transmission loss curves similar to the experimental ones within the 500Hz range and with trends well reproduced up to 1000 Hz. The following outcomes were obtained: a final version of the methodology, accompanied by discretization guidelines, sets of recommended elements to model many of the common components of aftertreatment systems and recommended tuning parameters, all of them validated on simple geometry devices. The following steps of the aforementioned ambitious study should be to extend the scope, replicating the tasks here presented on aftertreatment systems with more realistic and complex characteristics, in order to further expand the experimental database, and improve and validate the proposed methodology and its complements in order to enable its use regardless of the complexity level of the aftertreatment system studied.