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现代汽车工业快速发展，为人类社会创造了巨大的财富，同时也带来了诸多环境问题。其中，重型柴油机NO_x（氮氧化物）排放已经成为大气污染物中氮氧化物的主要来源之一。针对NO_x排放须满足日益严格的排放法规，国内外已出现多种技术方案，选择性催化还原（SCR）是目前最有效的柴油机NO_x控制技术。由于还原剂NH3存在运输风险，采用质量分数为32.5%的尿素水溶液代替，其在车辆排气管中可以生成氨气。采用尿素水溶液产生还原剂，对车用SCR系统结构设计提出了更高的要求。本文对试验柴油机的尾气后处理装置Urea-SCR（尿素选择性催化还原系统）进行了模拟研究和优化设计。在深入理解Urea-SCR系统反应理论及各物理化学过程时间尺度的基础上，建立了SCR系统的数值模型，通过特征工况点的NO_x转化率、系统压降验证了模型的可靠性。模拟计算揭示了Urea-SCR系统内部运动规律，包括流场分布、尿素水溶液蒸发、热解、混合气形成过程以及选择性催化还原反应过程。具体研究内容如下：（1）在了解SCR系统工作原理和各物理化学过程时间尺度的基础上，总结了模拟计算过程中涉及的理论和数学模型。在计算流体力学的基础上，考虑了尿素热解反应。（2）在发动机排放试验的基础上，通过氮氧化物转化率和排气压降两方面验证了所建模型的可靠性；小样试验得到了NH3在催化剂上的吸附速率，从试验的角度研究了温度、NH3浓度以及空速对吸附速率的影响规律。研究结论为进一步研究SCR内部流场规律提供了参照依据。（3）建立了Urea-SCR系统的三维计算模型，计算结果展示了一个喷射周期内速度场、温度场以及各组分浓度的分布规律。结果表明，尿素液滴蒸发、热解过程的时间与SCR反应的时间尺度相当，在对车用SCR系统仿真时，考虑了液滴的蒸发、尿素的热解过程。（4）在所建的三维模型基础上，研究了喷嘴的不同喷孔数、喷嘴的安装位置对催化转化率的影响，得出了一些有用结论。通过对Urea-SCR系统的三维模拟研究，发现尿素水溶液液滴蒸发、尿素热解、还原剂和排气的混合过程研究对SCR系统的结构设计具有很重要的意义。