熱水鍋爐復合水循環(huán)射流裝置工作性能的數(shù)值模擬研究

李壯男/哈爾濱市直屬房產物業(yè)管理有限責任公司

熱水鍋爐復合水循環(huán)射流裝置工作性能的數(shù)值模擬研究

李壯男/哈爾濱市直屬房產物業(yè)管理有限責任公司

針對鍋爐設計運行的實際需要，通過FLUENT軟件對熱水鍋爐復合水循環(huán)射流裝置的工作性能進行了數(shù)值模擬研究。結果表明：在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離，使射流裝置的噴射系數(shù)達到最大；在噴嘴到下降管入口距離保持采用最佳距離的前提下，射流裝置的噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響；存在一下降管與噴嘴最佳截面比（約為8.65）使射流裝置的噴射系數(shù)達到最大；隨下降管折算阻力系數(shù)的增大，噴射系數(shù)的值不斷地減小。

熱水鍋爐；復合水循環(huán)；射流裝置；數(shù)值模擬

一、引言

熱水鍋爐是集中供熱系統(tǒng)中必不可少的核心設備。傳統(tǒng)的熱水鍋爐絕大多數(shù)采用的是自然循環(huán)的水循環(huán)方式，但這一方式產生的循環(huán)動力較小，鍋爐上升管內的水速遠遠達不到標準中安全水速的要求[1]。在鍋爐運行過程中容易產生局部過冷沸騰，進而導致管板開裂、水冷壁爆管等事故的發(fā)生[2]。

為了提高鍋爐循環(huán)水速，使之達到標準推薦的要求，人們采用回水引射技術，即利用噴射器原理在鍋爐下降管入口處加裝回水引射裝置[3-4]，構建了“熱水鍋爐復合水循環(huán)系統(tǒng)”。所謂“熱水鍋爐復合水循環(huán)系統(tǒng)”，如圖1所示，即在下降管入口加設噴嘴，給水經(jīng)噴嘴以一定的流速噴入下降管，此股流體稱為工作流體；在工作流體的卷吸作用下，鍋筒內的一部分流體卷吸入下降管，稱為卷吸流體；兩者在下降管入口段混合后在回路中循環(huán)，稱為混合流體。此時回路中同時作用著兩種力，一是工作流體產生的強制循環(huán)動力，一是本身存在的自然循環(huán)動力，兩力方向一致，相互疊加，使循環(huán)動力增大、循環(huán)水速提高，故而稱為復合循環(huán)[5]。實踐證明，采用該技術可以大大提高上升管內的水速，使上升管內流速達到或超過最低安全水速的要求。

雖然近年來對“熱水鍋爐復合水循環(huán)系統(tǒng)”的研究已有了一些成果，但由于其問題本身的復雜性和測試上的困難，很多重要的規(guī)律還無法給出。即使通過數(shù)學推導給出相關計算公式，形式也往往及其復雜，使用起來很不方便。而作為目前計算流體動力學（CFD）領域應用最廣泛的軟件，F(xiàn)LUENT的基于有限容積法和非結構化網(wǎng)格的運算方式，使其在解決復雜流體運動問題上有著強大的能力，計算結果形象直觀，這無疑給解決這一問題帶來了一條新路。

2.計算模型的建立。本文采用3D格式對熱水鍋爐復合水循環(huán)射流裝置進行幾何模型建立和網(wǎng)格劃分。由于鍋筒空間相對于下降管和工作噴嘴尺寸為絕對大空間，因此，忽略鍋筒本身形狀給回水射流裝置工作帶來的影響，以大直徑的圓柱代替，下降管置于圓柱端面（為方便觀察，文中僅給出1/4表面網(wǎng)格，如圖2所示）。

本文選擇基于壓力（Pressure Based）的非耦合隱式（Implicit）3D求解器對計算模型進行求解；工作噴嘴入口選擇速度入口（Velocity-inlet）條件；鍋筒內自由水面選擇壓力入口（Pressure-inlet）條件；下降管出口截面選擇壓力出口（Pressure-outlet）條件；各壁面選擇默認的壁面（Wall）條件，保持無滑移（No slip）的固定壁面（Stationary wall）條件。

在數(shù)值模擬過程中，系統(tǒng)始終保持質量和動量守恒，其中：

質量守恒方程：

其中，表示氣相、液相或顆粒相，為氣體、液體或顆粒的濃度，為氣體、液體或顆粒的速度矢量，為氣體、液體或顆粒的密度，為時間[6]。

動量守恒方程：

其中，為流體粘度，對湍流流動，可按雙方程模型確定[6]。

本文選擇雙方程模型中的可實現(xiàn)模型對熱水鍋爐射流裝置的工作情況進行模擬，其湍流動能和湍流耗散率的輸運方程分別為：

方程：

G 其中：--由于黏度產生的湍流動能；

Gb--由于浮力產生的湍流動能；

Y--可壓縮流動時由脈動擴張引起的湍流耗散；

Sk、 S?--用戶自定義源項；

1、C 、 C2、??、?k--常數(shù)[7]。

常規(guī)熱水鍋爐給/回水溫度區(qū)間內水的密度變化很小，故忽略溫度變化對流體流動的影響；常規(guī)的熱水鍋爐鍋筒內壓力在0.7MPa-1.25MPa之間，選擇1.0MPa作為工作環(huán)境（Operating Conditions）壓力；不考慮重力（Gravity）對射流裝置工作狀況的影響。

三、.射流裝置結構及運行參數(shù)對其工作性能的影響

1.射流裝置工作原理分析。由于鍋筒空間相對于射流裝置噴嘴為一大空間，因此噴嘴射流在進入下降管之前可以看作是自由射流。根據(jù)自由射流的性質，當射流速度比較高時，流動成湍流狀態(tài)，流體分裂為無數(shù)微團，除了向前運動外，還向四周作不規(guī)則運動，形成湍流脈動。因此，流體整體上除向前射流外，還作橫向脈動，使部分流體進入周圍介質，并帶動周圍介質隨它一起運動，周圍介質分子也同時向射流內部擴散，使射流的速度降低，最終在宏觀上形成“引射效應”。本文在設定的結構尺寸下，利用Fluent軟件計算得到的射流裝置工作時的流場如圖3所示：

3.2 射流裝置噴嘴到下降管入口最佳距離的確定

噴射系數(shù)u是衡量射流裝置工作性能的標志性參數(shù)，其定義為卷吸流體流量與工作流體流量之比：

研究表明：噴射系數(shù)u的值受射流裝置噴嘴到下降管入口距離的影響很大[8]。通過對不同噴嘴到下降管入口距離條件下的模擬計算，本文得到了噴嘴到下降管入口距離對噴射系數(shù)的影響規(guī)律（見圖4）：在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離（以下簡稱最佳距離）使射流裝置噴射系數(shù)達到最大。

從射流裝置的工作原理分析可知，在截面比一定的條件下，當噴嘴自由射流在下降管入口處截面與下降管入口截面重合時，工作流體的卷吸作用將得到最充分利用，此時對應的噴嘴到下降管入口距離即為二者間最佳距離；當二者間距離偏大時，自由射流在下降管入口處截面大于下降管入口截面，一部分射流將無法順利進入下降管，造成引射水量下降，噴射系數(shù)降低；而當二者間距離偏小時，自由射流在下降管入口處截面小于下降管入口截面，受下降管入口處幾何結構的影響，工作流體的卷吸作用無法得到充分利用，同樣會導致引射水量下降，噴射系數(shù)降低。

由于噴嘴的射流為圓管自由射流，射流的外邊界線可認為是一條直線，故可根據(jù)圖4得到噴嘴到下降管入口最佳距離的計算公式如下：

d--噴嘴內徑；m --下降管與噴嘴截面比。

3.射流速度對射流裝置工作性能的影響。在噴嘴到下降管入口距離采用最佳距離的前提下，在射流速度=3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s、13m/s六種不同工作條件下，針對射流速度對射流裝置工作性能的影響進行了研究。

結果表明，在截面比一定的條件下，射流裝置噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響。也就是說，雖然隨著噴嘴射流速度的變化，工作流體流量、卷吸流體流量都會隨之變化，但單位工作流體能卷吸的流體量幾乎保持不變，即卷吸流體流量與工作流體射流速度成正比。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是：根據(jù)粘性流體湍流流動特性，存在一衡量流體流動狀態(tài)的無因次數(shù)，即雷諾數(shù)：

其中：w

v

--流體速度，m/s；d --管道直徑，m； --流體運動黏度，m2/s。

當小于某一值（第一臨界速度）時，流動處于層流狀態(tài)，流體流動處于第一自模化區(qū)，流動皆彼此相似；當大于第一臨界速度時，流動處于湍流狀態(tài)，而且越大，湍流程度也越大，但當大到一定值以后，流體湍流程度將不再改變，此值稱為雷諾數(shù)第二臨界值；當大于第二臨界速度時，流體流動處于第二自?；瘏^(qū)，流動皆彼此相似[9]。在本文中各工況條件下，明顯已大于第二臨界值，流體流動已經(jīng)入第二自?；瘏^(qū)，流體的流動狀態(tài)及流速分布已基本不變，單位流體能卷吸的流體量也基本相同。

4.下降管與射流噴嘴截面比對射流裝置工作性能的影響。

由于射流裝置噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響，因此本文以采用固定的工作流體流量為前提，研究下降管與噴嘴截面比對噴射系數(shù)的影響。

從圖6中可以看出，隨著下降管與噴嘴截面比的不斷增大，射流裝置的噴射系數(shù)先增大后減小，即存在一最佳截面比（約為8.65）使射流裝置噴射系數(shù)達到最大。之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因為，雖然隨著截面比的不斷增大，工作流體射流速度和卷吸能力增大，但是與此同時，對應的噴嘴到下降管入口最佳距離也增大，在噴嘴到下降管入口距離保持采用最佳距離的前提下，噴嘴和下降管間阻力也增大；當截面比較小時，對應的噴嘴到下降管入口距離較小，二者間阻力較小，射流卷吸能力的增加占主導，因此噴射系數(shù)隨截面比的增大而增大；而當截面比較大時，對應的噴嘴到下降管入口距離也較大，二者間阻力影響成為主導因素，導致噴射系數(shù)隨截面比的增大而減小。

5.下降管阻力系數(shù)對射流裝置工作性能的影響。

本文中的下降管阻力系數(shù)指的是下降管折算阻力系數(shù)，是將循環(huán)回路各部分的阻力系數(shù)都折算為下降管的阻力系數(shù)，實際為全回路總阻力系數(shù)，可用下式計算：

其中：?0x--下降管折算阻力系數(shù)；?s--下降管總阻力系數(shù)；?x--上升管總阻力系數(shù)；? --下降管與上升管截面比。

據(jù)此，在保持固定的工作流體流量的條件下，得到下降管折算阻力系數(shù)與噴射系數(shù)的關系，見圖7。從圖中可以看出，隨著下降管折算阻力系數(shù)的增大，整個循環(huán)回路的阻力變大，射流裝置噴射系數(shù)不斷地減小。其中，當下降管折算阻力系數(shù)的值較小時，其變化對噴射系數(shù)的影響更為顯著，噴射系數(shù)隨下降管折算阻力系數(shù)的增大而快速下降；在此之后，下降趨勢逐步放緩；而當下降管折算阻力系數(shù)達到某一較大值后，噴射系數(shù)值變得很小，下降管折算阻力系數(shù)的增大對噴射系數(shù)值的影響也變得很小，說明該情況下，由于整個循環(huán)回路的阻力很大，射流裝置已無法有效的實現(xiàn)引射。

四、結論

（1）在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離，使射流裝置的噴射系數(shù)達到最大。

（2）在噴嘴到下降管入口距離保持為最佳距離的前提下，射流裝置的噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響，即卷吸流體流量與工作流體流量始終成正比。

（3）在采用固定的工作流體流量的前提下，存在一下降管與噴嘴最佳截面比使射流裝置的噴射系數(shù)達到最大。

（4）隨著下降管折算阻力系數(shù)的增大，射流裝置噴射系數(shù)不斷地減小，當下降管折算阻力系數(shù)達到某一較大值后，噴射系數(shù)的值變得很小，射流裝置無法有效的實現(xiàn)引射。

注：內文所有附圖詳見后頁。

[1]王擎，王鵬，任曉平等。小型水火管熱水鍋爐冷態(tài)水動力特性實驗研究。工業(yè)鍋爐，2007（1）：13-17.

[2]劉建敏。自然循環(huán)熱水鍋爐過冷沸騰的影響因素及防止。煤氣與熱力，2003（12）：731-733.

[3]闞潤清。新型混合循環(huán)熱水鍋爐。節(jié)能技術，1986（1）：6-10.

[4]鮑亦齡，陸慧林。鍋爐水動力學及鍋內設備。哈爾濱工業(yè)大學出版社，1996.

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[6]Fluent Inc.FLUENT User'sGuide. USA:Fluent Inc.2001.

[7]溫正，石良辰，任毅如。流體計算應用教程。北京：清華大學出版社，2009.

[8]李世國。自然循環(huán)熱水鍋爐鍋內射流裝置的理論與試驗研究。熱能動力工程，1990（11）：37-42.

圖1 熱水鍋爐復合水循環(huán)系統(tǒng)

圖2 模型網(wǎng)格劃分（1/4表面網(wǎng)格）

圖3 流場速度矢量圖

圖4 噴嘴到下降管入口距離對噴射系數(shù)的影響

圖5 噴嘴射流速度對噴射系數(shù)的影響

圖6 下降管與噴嘴截面比對噴射系數(shù)的影響

圖7 下降管折算阻力系數(shù)對噴射系數(shù)的影響