柴油机以尿素为还原剂的氮氧化物(NOx)选择性催化还原后处理系统(Urea-SCR)是欧洲长期研究并趋于成熟的降低NOx排放的后处理技术。该技术具有较低的制造使用成本、适用的排气温度范围和满足欧Ⅳ以上排放标准的能力，在欧洲得到大范围推广应用。针对我国汽车尾气污染物排放过多、炼油水平不高、发动机厂商的设计开发成本不足的缺点，该技术无疑成为我国柴油机达到第Ⅳ阶段排放标准的最佳选择，目前所有已经上国Ⅳ公告的机型无一例外均采用了该技术，对中国发动机制造企业具有非常明显的现实意义。

Urea-SCR系统设计中需要考虑的关键因素包括：

●还原剂尽可能均匀进入催化器->高效氮氧化物转化

●降低压降以提高发动机性能

●尿素用量和氨气泄漏

●紧凑型设计

为应对上述设计挑战，ESTECO公司和CSI公司基于优化软件modeFRONTIER、云优化平台VOLTA以及流体仿真软件CONVERGE合作进行了相应的优化工作。

CONVERGE在Urea-SCR系统CFD仿真中的主要优势包括：

●带自适应网格细分（AMR）技术的自动网格划分功能

●先进的喷雾模型

●可仿真尿素在喷雾／薄膜中的分解

●可考虑液壁相互作用

●可仿真共轭传热（CHT）

●可仿真尿素的沉积

●可考虑SCR表面化学

modeFRONTIER是由意大利ESTECO公司开发并在全球推广的世界上第一个通用多目标优化软件。modeFRONTIER可以建立多学科联合仿真设计工作流，自动显示和探索设计空间，深入了解设计关键点并能提供相应的解决方案，帮助设计工程师自动进行过程分析、快速对比各种设计选项，最终得到产品质量最佳的设计方案。VOLTA是ESTECO公司开发的基于网络的多学科多目标优化协作环境，可以让用户更合理地安排仿真数据和多学科的业务流程，给出创新式的产品发展决策。

在本次优化项目中，在CONVERGE中对Urea-SCR系统进行建模，建模说明如下图：

通过对混合器中各叶片的方向进行优化，以提高混合效果以及氮氧化物的转化效率，同时降低压降，以提升发动机性能。在CONVERGE中可以方便地对表面文件（.dat）直接修改叶片的角度，得到新的设计方案。

在modeFRONTIER中搭建优化流程如下图：

其中CONVERGE计算使用VOLTA节点，可自动调用HPC计算资源，以完成CONVERGE并行计算。

优化后可通过散点图查看全部结果以及Pareto前沿解的分布，如下图（红色点为Pareto前沿点）。

相比原始基准方案，优化方案的混合均匀性效果提升可参见下图：

上图：原始基准方案      下图：优化方案

总结：