由于柴油发动机具有高扭矩输出、热效率高、可靠性好、耐久性强以及燃油消耗低等优点，它们已成为运输行业（尤其是商用车和船舶应用）的主要动力来源[1]。柴油发动机采用压缩点火方式，通常具有比汽油发动机更高的压缩比。在缸内燃烧过程中，高温、高压以及局部氧气过浓的条件会导致空气中的氮（N?）和氧气（O?）生成氮氧化物（NO?）。氮氧化物是一种重要的大气污染物，对环境污染和人类健康有严重危害[2]。选择性催化还原（SCR）技术是减少氮氧化物排放的有效方法。其原理是在SCR催化剂上游注入尿素水溶液，通过化学反应将有害的氮氧化物转化为无害的氮气（N?）和水（H?O）。在这个过程中，混合器在确保尿素均匀混合方面起着关键作用[3]。通过结构优化改进混合器设计是提高SCR系统性能的关键。
随着对氮氧化物排放限制的法规日益严格，混合器经常面临尿素结晶[4]和尿素混合不均匀的问题。尿素沉积会增加混合器的压降，从而导致更大的发动机功率损失、更高的燃油消耗，在严重情况下还会堵塞后处理系统，从而降低其可靠性。混合不均匀会导致催化剂截面上氨气（NH?）分布不均，降低催化剂利用率，甚至可能降低氮氧化物的转化效率[5]。因此，优化混合器的结构设计至关重要。
一系列研究结合CFD模拟和实验验证来优化SCR系统中的混合器设计，以提高性能。研究重点评估和比较了各种混合器几何结构，包括静态混合器[6]、挡板型[5]、旋流型[4,7]、多层金属网型[8]和导向叶片型[9]，关键性能指标包括NH?分布均匀性、氮氧化物转化效率、压降和抗尿素沉积能力。这些研究揭示了诸如混合质量与背压之间的关键权衡[5,7,10]。此外，还开发了考虑壁面膜形成和沉积风险指数的先进建模技术来预测和减少固体沉积[11,13]，同时也提出了适用于紧密耦合或船舶SCR系统的优化配置[14,15]。总体而言，这些工作表明，战略性的混合器设计和尿素喷射策略优化是实现高氮氧化物脱除效率和系统稳定运行的基础。
SCR系统优化研究还扩展到了基本机制和创新设计领域。关于尿素喷射与壁面撞击及分解动力学的研究提供了基础性见解，通过结合先进诊断和建模技术来阐明温度依赖性的液滴行为和副产物形成机制，从而为沉积物减轻策略提供依据[16,17]。同时，还开发并验证了新的混合器几何结构，如带有导向叶片的网格通道[18]或带有弯曲挡板的中央圆柱结构[19]，这些结构在增强流动/氨气均匀性的同时减少了沉积物和背压。通过对喷射器配置的比较研究进一步优化了系统设计，平衡了氨气产量和分布均匀性[20]。这些硬件改进通过以控制为导向的策略得到补充，例如沉积边界方法，这些方法主动管理喷射过程以限制沉积风险[21]。总体而言，这些研究强调了多方面的综合方法——包括机理理解、组件创新和系统控制——以实现高效且可靠的SCR运行[22,23]。
尽管取得了这些进展，但大多数研究仍集中在传统的直管后处理布局上，而对U形配置的混合器优化研究仍然较少。U形布局具有明显的封装优势，包括紧凑的占地面积和可旋转的进出口端口，从而提高了安装灵活性。为填补这一空白，本研究介绍了一种U形后处理系统，并对四种定制的混合器几何结构进行了集成CFD分析、优化和实验验证。
在这种配置中，系统的整体长度显著缩短，促进了更加紧凑的组装。混合器位于U形的拐角处，如果设计不当，可能会导致尿素与废气混合不良、氨气分布不均，从而降低氮氧化物转化效率。模拟中使用的催化剂特性总结在表1中，径向粘性和惯性系数设定为轴向值的1000倍，以表示基材的各向异性流动阻力。通过计算流体动力学（CFD）分析了每种混合器设计的流动特性，并通过台架测试进行了验证，旨在为空间受限应用中的紧凑型高效SCR系统提供实用参考。
U形后处理系统的结构如图1所示。它包括一个进气口、一个柴油氧化催化剂（DOC）、一个柴油颗粒过滤器（DPF）、一个混合器、一个喷嘴、SCR1、带有氨滑移催化剂（ASC）的SCR2以及一个出口。排气气和进气口均位于系统的侧面，两者都可以进行周向旋转，从而提高了安装灵活性。模块化设计还支持快速更换或维护特定组件。
