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실제 실험 장치를 구성하여 신뢰성 검증을 진행하기에는 비용과 시간 등의 제약이 많았다. 그렇기 때문에 선행 연구된 실험논문을 참고하여 신뢰성 검증을 하였다(Birkhold et al., 2007). 본 연구에서 모델링 및 해석 조건은 신뢰성 검증에 참고된 논문과 동일하게 하였다. 참고된 논문에서 NH₃의 변환율 측정 위치는 인젝터를 기준으로 오른쪽 방향으로 3 m, 4.5 m 와 6 m에서 측정하였다. 각각의 측정 위치에서 0.3~1.0 sec의 체류시간에 대하여 NH₃의 변환율을 측정하였고, 이를 동일하게 수치해석하여 비교하였다. [Fig. 3]은 참고 논문과 본 연구의 수치해석 결과를 비교한 것이다. 유속 및 온도의 조건에 따라 비교해본 결과 각각 0.77%, 2.89% 오차를 나타내며 유사하게 나타났다.

[Fig. 3] 
Calculated conversion ratio of NH₃ for different gas velocities & temperatures compared to experimental data of Birkhold et al.(2007).

[Fig. 4]는 믹서가 없는 배기관을 X-Y 평면을 기준으로 하여 중앙을 자른 단면이며, 각 물질의 농도 분포와 온도 분포를 나타낸 것이다.

[Fig. 4] 
Contours of mass fraction and temperature of none mixer pipe at X-Y plane.

요소 수용액이 배기가스 유동방향을 따라 분사되고 있으며, NH₃는 인젝터 부근에서 가장 많이 생성되었다. H₂O와 HNCO의 분포가 점차 줄어드는 것은 식(3)과 같은 반응 때문이며, 최종적으로 NH₃가 생성된다. 또한, 온도 분포를 보게 되면, 흡열 반응이 일어난 것을 확인할 수 있다.

[Fig. 5]와 [Fig. 6]은 배기관을 Y-Z 단면으로 잘랐을 때의 수치해석 결과이다. [Fig. 5]는 단면의 측정 위치를 나타내며, [Fig. 6]은 각 물질의 농도를 나타낸다. [Fig. 5]에서 1번 위치는 배기관 입구에서부터 0.2 m 떨어진 인젝터의 분사면의 단면이며, 2번 위치는 배기관 입구에서부터 1.2 m 떨어진 곳, 3번 위치는 3.2 m 떨어진 곳이며 4번 위치는 SCR 촉매부 전단면을 나타낸다.

[Fig. 5] 
Measurement positions.

[Fig. 6] 
Contours of mass fraction.

<Table 2>는 믹서 형상에 따른 촉매부 전단에서의 NH₃ 변환율과 균일도 및 배기관 내에서의 난류운동에너지를 나타낸 것이다. 베인형 믹서의 NH₃의 변환율이 믹서가 없는 배기관보다 21.4% 증가 하였으며, 균일도는 48.9% 증가하였다. 또한 베인형 믹서의 난류운동에너지가 믹서가 없는 배기관보다 0.493 J/kg (497.5%) 증가하였다.

유체가 믹서를 지나면서 날개 방향으로 혼합이 되어 와류를 발생시키고, 믹서를 지난 유체는 유동의 흐름에 영향을 받아 혼합되어 NH₃의 생성에 영향을 주는 것을 알 수 있다.

[Fig. 7]은 촉매부 전단에서의 NH₃의 농도 분포를 나타낸 것이다. (a)는 베인형 믹서, (b)는 버티컬형 믹서이다. 균일도는 차이가 없으나 NH₃의 농도 분포가 베인형 믹서는 단면부의 중앙부에, 버티컬형 믹서는 상부 쪽으로 위치하고 있다. 믹서의 형상에 따라 농도 분포가 다르게 나타나며, SCR의 적용 상황에 따라 믹서의 형상을 결정하면 효율적으로 이용할 수 있을 것으로 생각된다.

[Fig. 7] 
Contours of NH₃ mass fraction at SCR catalyst area.

[Fig. 8]은 믹서가 없는 배기관, 베인형 믹서, 버티컬형 믹서의 난류운동에너지와 NH₃의 변환율에 대해 나타낸 것이다. X축은 배기관 입구에서부터 거리를 0.1 m 간격으로 측정하여 나타낸 것이며, Y축은 그 위치에서의 난류운동에너지와 NH₃의 변환율을 나타낸다. 믹서가 없는 배기관의 경우 난류운동에너지의 변화가 거의 없지만, 베인형 믹서와 버티컬형 믹서가 0.7 m에서 난류운동에너지가 급격하게 증가하였다. 이는 0.7 m의 위치에 있는 믹서를 지나면서 난류가 발생했기 때문이다. 이에 따라 0.9 m의 위치에서 NH₃의 생성량이 급격하게 증가하였고, 난류운동에너지의 증가와 관련이 있다는 것을 확인할 수 있다.

[Fig. 8] 
Comparison of turbulent kinetic energy and NH₃ conversion ratio for mixer type.

믹서의 형상에 따른 수치해석과는 다르게, 분사 각도에 따른 수치해석은 수직 방향의 분사 각도가 변수이기 때문에 중력 가속도에 대한 경계조건을 추가하였다. <Table 3>은 믹서가 없는 배기관에서 요소 수용액의 분사 각도에 따른 NH₃ 변환율과 촉매부 전단에서의 균일도이다. 요소 수용액을 배기가스 유동방향으로 분사하였을 경우에 비해 배기가스 유동방향과 반대로 분사할 경우, 배기관 내에서의 체류시간이 길어 배기관 하단부로 쌓이는 요소가 증가하고 그만큼 변환 효율이 떨어짐을 알 수 있다.

또한 분사각도가 배기가스 유동 방향을 기준으로 상 방향으로 15°에 비해 45°일 경우 변환율이 크게 나타났다. 생성된 NH₃는 중력의 작용으로 인해 배기관 하단 쪽으로 이동하게 되며, 분사각도를 배기가스 유동 방향을 기준으로 상 방향으로 설정하게 되면 같은 시간동안 배기관 하단에 쌓이는 요소 수용액의 양이 적어져 NH₃의 변환율이 좋은 것으로 생각된다. 또한, 각도가 너무 커지게 되면 월 웨팅(wall wetting) 현상이 일어나게 되므로 45° 이상으로 할 경우 변환율이 저하될 것으로 예측된다(Strots et al., 2010).