Breakup dynamics in a pressure-swirl injector for urea-water solution applications: A computational study

Abstract

[ES] La cooptimización de la combustión dentro del cilindro y la tecnología de postratamiento se ha convertido en un aspecto clave en el diseño y desarrollo de motores, con el objetivo de cumplir con las normativas de emisiones cada vez más restrictivas en la industria del transporte. La Reducción Catalítica Selectiva es una tecnología robusta para controlar las emisiones de NOx, y la inyección de una solución de urea en agua en el tubo de escape es un aspecto fundamental de su operación. El trabajo propuesto utiliza Dinámica de Fluidos Computacional de alta fidelidad para caracterizar la dinámica de atomización del chorro líquido en condiciones relevantes de flujo cruzado.

El estudio se centra en un inyector comercial de baja presión (9 bares) de tipo "pressure-swirl", cuya geometría interna ha sido caracterizada mediante tomografía computarizada de rayos X de alta resolución. El flujo bifásico interno se ha modelado utilizando el enfoque de volumen de fluido (VoF, por sus siglas en inglés) en un marco de simulación de LES (Large Eddy Simulation) y se ha validado frente a mediciones de radiografía de rayos X cercanas a la tobera.

Además, se ha llevado a cabo la caracterización de la dinámica de rotura de la vena líquida para la formación de un cono hueco en espiral y se evaluó la influencia del flujo cruzado en dicha dinámica de rotura. Los resultados se han reportado proponiendo mapas Re-Oh y funciones de densidad de probabilidad para la cinemática del spray. Un mayor momento del flujo cruzado genera un aumento en la longitud intacta del chorro y una reducción en los diámetros de las gotas de líquido. El momento axial del chorro se ve afectado por el flujo cruzado ya en la región cercana a la tobera, lo que determina una desviación relevante en las velocidades del spray.

Este trabajo tiene como objetivo la inicialización de modelos de spray Euleriano-Lagrangianos mediante la asignación de la cinemática de las gotas y el acoplamiento estático unidireccional entre los resultados del volumen de fluido y los paquetes de spray Lagrangianos, para ser utilizados en simulaciones de dominios del tamaño de la totalidad del sistema SCR.

[EN] The co-optimization of in-cylinder combustion and after-treatment technology has become a major aspect in engine design and development, with the goal of meeting the increasingly restrictive emission regulations in the transportation industry. Selective Catalytic Reduction is a robust technology to control the emission of NOx, and the injection of urea in water solution is the exhaust tailpipe is a key aspect of its operation. The proposed work uses high-fidelity Computational Fluid Dynamics to characterize the atomization dynamics of the liquid jet in relevant cross-flow conditions. The study focuses on a commercial low-pressure (9 bar) pressure-swirl injector which is characterized in its internal geometry through high-resolution X-ray micro-computational tomography. The internal two-phase flow has been modeled according to the volume-of-fluid approach in a large eddy simulation framework and validated against near-nozzle X-ray radiography measurement. Moreover, characterizing the breakup dynamics for the swirling hollow cone formation, and assessing the influence of the cross-flow in the breakup dynamics was completed. The results have been reported proposing Re-Oh maps and probability density functions of the spray kinematics. Higher cross-flow momentum generates an increase in the jet intact length and a reduction of the liquid droplet diameters. The axial momentum of the jet is affected by the cross-flow already in the near-nozzle region, determining a relevant deviation of the spray velocities. This work aims to inform the initialization of Eulerian-Lagrangian spray models through the assignment of droplet kinematics and static one-way coupling between volume-of-fluid results and Lagrangian spray parcels, to be used for system-size domain simulations.