Etude expérimentale et modélisation 3D des phénomènes physico-chimiques liés à l'injection d'une solution aqueuse d'urée dans le système de dépollution DeNOx/SCR

par Arnaud Gapin

Thèse de doctorat en Physique : Energétique

Sous la direction de Béatrice Patte-Rouland.

Soutenue en 2011

à Rouen , dans le cadre de École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016) , en partenariat avec Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....) (laboratoire) .

mots clés

• Automobiles -- Moteurs -- Échappement
• Oxydes d'azote
• Granulométrie -- Simulation par ordinateur
• Atomisation -- Simulation par ordinateur

Résumé

Le contexte dans lequel s’inscrivent les travaux de thèse est la réduction catalytique sélective des émissions automobiles d’oxyde d’azote (NOx), appelée SCR (Selective Catalyst Reduction). Elle s’effectue par une injection directe à l’échappement d’une solution aqueuse d’urée qui offre une sélectivité favorable vis-à-vis des NOx. Cette technologie comprend également en aval de l’injecteur, un catalyseur dédié qui accélère la cinétique de réduction des NOx. Comme pour tous procédés utilisant un spray, l’efficacité de la SCR dépend des caractéristiques de celui-ci. Aussi les travaux de recherche se sont focalisés sur le spray avec l’analyse des distributions de taille de gouttes, puis la simulation de l’évolution du spray. Le code CFD ne disposant pas d’un modèle d’atomisation primaire adapté, une méthode a été proposée. Cette méthode repose sur l’utilisation de la distribution de taille de gouttes du spray mesurée par un granulomètre à diffraction laser. Pour cela, un modèle de distribution initiale de taille de gouttes a été établi à partir de la fonction Gamma Généralisée à trois paramètres. Ce modèle permet d’obtenir la distribution mathématique de taille de gouttes du spray, qui reproduit la distribution mesurée par le granulomètre. La distribution mathématique ainsi obtenue est utilisée comme distribution initiale du spray dans le code CFD. La validation des résultats de simulation numérique a été effectuée en comparant les distributions de taille de gouttes du spray. Le bon accord entre les résultats de simulation numérique et expérimentaux montre que le modèle mathématique défini à partir des distributions expérimentales comporte la quantité nécessaire d’informations sur le spray.

Résumé

The context within the thesis was carried out is the selective catalytic reduction of nitrogen oxide emissions cars (NOx), called SCR (Selective Catalytic Reduction). It is carried out by direct injection into the exhaust of an aqueous urea solution which offers a favorable selectivity to the NOx. This technology also includes downstream of the injector, a dedicated catalyst that accelerates the kinetics of NOx reduction. As with all processes using a spray, the effectiveness of SCR depends on the characteristics of it. Also the research was focused on the spray with the analysis of the experimental drop size distributions and the simulation of the evolution of the spray. The CFD code does not have an adapted primary atomization model, therefore a method has been proposed. This method is based on the use of a spray drop size distribution measured by a laser diffraction granulometer. For this, an initial drop size distribution model was determined from the Generalized Gamma function with three parameters. This model provides the mathematical drop size distribution of the spray, which reproduces the distribution measured by the particle sizer. The mathematical distribution thus obtained is used as the initial distribution of the spray in the CFD code. The validation of the numerical simulation results was performed by comparing with the experimental drop size distributions. The good agreement between the numerical and the experimental results shows that the mathematical model defined from the experimental drop size distribution has the necessary amount of information on the spray.