Cfd study on innovative catalytic substrates for advanced after-treatment systems

This work aims to propose innovative solutions for future after-treatment systems, focusing on the development of novel approaches to reduce emissions from the transportation sector. Hence, the study focuses on the mass transfer performances of open cellular structures, particularly open cellular foams and Periodic Open Cellular Structures (POCS). A detailed analysis is conducted, emphasizing the impact of substrate geometrical parameters on exhaust gas motion within the microstructure. The challenges of limiting the high pressure-drop and the troubles of the manufacturing process are considered. The primary goal of this study is to propose innovative solutions by utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. CFD serves as a cost-effective method to understand the system and can complement experimental data. The proposed approach involves a multi-region solver integrated with an electro-static model to describe electric conduction within the solid domain and utilizes the open-source software OpenFOAM®. The model is validated using an open-source tool simulating electrical circuits. To address these challenges, a new metallic, cylindrically symmetric layout is designed to improve pressure distribution and enable electric heating of the substrate: these geometries have been thought to exploit the main advantages of POCS, but strongly limit their drawbacks. The application of these substrates as electrically heatable, pre-catalytic mixers has the potential to prevent the formation of liquid films, enhance fluid enthalpy and increase the concentration of urea supplied to the honeycomb catalyst. A heat transfer performance index is proposed, although not yet validated, to compare various solid layouts in terms of their heating capabilities. This index takes into account the generated pressure drop, which was found to be lower for cylindrically symmetric geometries compared to a commercially available mixer.

Lo scopo di questo lavoro è quello di proporre soluzioni innovative per i futuri sistemi di post-trattamento, focalizzandosi così sullo sviluppo di nuovi approcci tesi a ridurre le emissioni del settore dei trasporti. Pertanto, lo studio riguarda le prestazioni in termini di mass transfer delle strutture a cella aperta, in particolare "schiume a cella aperta" e "strutture periodiche a cella aperta" (POCS). In questo lavoro viene condotta un'analisi di dettaglio, mettendo in evidenza l'impatto dei parametri geometrici del substrato sul moto dei gas di scarico all'interno della microstruttura. Vengono considerate le difficoltà legate sia alla limitazione delle perdite di carico sia al processo di fabbricazione. L'obiettivo principale di questo studio è proporre soluzioni innovative utilizzando simulazioni di Fluidodinamica Computazionale (CFD). La CFD può essere vista anche come un metodo economico per comprendere il sistema e può integrare i dati sperimentali. L'approccio proposto consiste in un solver multi-region a regioni accoppiate, integrato con un modello elettrostatico per descrivere la conduzione elettrica all'interno del dominio solido e utilizza il software open-source OpenFOAM®. Il modello è validato utilizzando uno strumento open-source per la simulazione di circuiti elettrici. Per gli scopi sopra esposti viene progettato un nuovo layout metallico a simmetria cilindrica, capace di migliorare la distribuzione della pressione al suo interno e di consentire il riscaldamento elettrico del substrato: queste geometrie sono state pensate per sfruttare i principali vantaggi dei POCS, ma limitarne fortemente gli svantaggi. L'applicazione di questi substrati come mixer pre-catalitici, riscaldabili elettricamente, ha il potenziale per prevenire la formazione di film liquido, migliorare l'entalpia dei gas di scarico e aumentare la concentrazione di urea fornita al catalizzatore a nido d'ape. Viene poi proposto un indice di prestazione del trasferimento di calore, sebbene non ancora convalidato, per confrontare diverse geometrie in termini di capacità nell'utilizzo come riscaldatori. Questo indice tiene conto delle perdite di carico, riscontrate più basse per geometrie a simmetria cilindrica rispetto ai tradizionali mixer disponibili in commercio.