基于CFD的離心式高效噴濺裝置水力特性

陳倩 鄭源 章國芳 栗文靈 王秋景

摘要：為提高離心式高效噴濺裝置的布水均勻性，采用歐拉（Eulerian）多相流模型和重整規(guī)劃群（RNG）k-ε湍流模型對離心式高效噴濺裝置的水力特性進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，將其模擬的濺灑情況與試驗情況進(jìn)行了對比，驗證了模型的正確性。并用此方法研究了離心式噴濺裝置在3種水頭和4種轉(zhuǎn)速下的水力特性，結(jié)果表明其在較廣的水頭和轉(zhuǎn)速范圍下均能實現(xiàn)均勻布水，且一定范圍內(nèi)提高水頭和降低轉(zhuǎn)速可以提高布水均勻性，提出離心式高效噴濺裝置的建議工作轉(zhuǎn)速為60～120 r/min。

關(guān)鍵詞：冷卻塔；噴濺裝置；數(shù)值模擬；試驗；水力性能；均勻布水

中圖分類號：TK050 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0158-05

Abstract：In order to improve the uniformity of water distribution of efficient centrifugal spray nozzle，the Eulerian model，one of multiphase flow，and the RNG turbulence model were chosen in three-dimensional numerical simulation to investigate the hydraulic characteristics of efficient centrifugal spray nozzle.Comparison of numerical simulation results with experimental results verified the correctness of the model.The hydraulic characteristics of efficient centrifugal spray nozzle were comparatively analyzed under three head conditions and four speed conditions with this numerical simulation method.The results showed that it could achieve uniform water distribution in a wide head range and a wide speed range.The uniformity of water distribution of efficient centrifugal spray nozzle could be improved by raising the head and reducing the speed in a certain range.Accordingly，the recommended working speed range of the efficient centrifugal spray nozzle was 60～120 r/min.

Key words：cooling tower；spray nozzle；numerical simulation；experiment；hydraulic characteristics；uniform water distribution

自然通風(fēng)逆流濕式冷卻塔廣泛用作火電、核電的冷端設(shè)備，其換熱效率影響著整個電站的效益[1]。50 MW的機(jī)組，出塔水溫升高1 ℃，煤耗率增加1.52 g/（kW·h）[2]。噴濺裝置是安裝在冷卻塔內(nèi)，噴淋濺散水滴的，對其進(jìn)行水力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有效改善布水均勻性，提高冷卻塔換熱效率[3]。華能巢湖電廠1號機(jī)組冷卻塔進(jìn)行噴濺裝置改造后，出塔水溫降低了1.51 ℃，每年減少標(biāo)煤消耗

3 750 t以上[4]。針對使用較廣的旋轉(zhuǎn)型噴濺裝置[5-7]，韓永春[8]提出了多層旋轉(zhuǎn)噴濺裝置，劉劍卿[9]提出了離心式高效噴濺裝置，本質(zhì)上都是為使布水更均勻而進(jìn)行的結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。目前，研究噴濺裝置水力性能多采用實驗方法[10-13]，但該方法需要實體的噴濺裝置，周期長，經(jīng)費高。近年來，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，許多水力機(jī)械問題都采用CFD進(jìn)行研究，并得到了較好的效果[14-17]，亦有采用CFD研究冷卻塔內(nèi)布水特性對整塔效率的影響[1，18]，但用其對冷卻塔內(nèi)具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的較少。鑒此，本文采用CFD軟件Fluent對離心式高效噴濺裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別對其在3種水頭，4種轉(zhuǎn)速下的水力特性進(jìn)行了研究，分析其布水性能。

1 離心式高效噴濺裝置

離心式高效噴濺裝置見圖1，其具有連接管、支撐架和濺水碟等結(jié)構(gòu)，連接管上設(shè)有套管，支撐架上連有轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪有40個葉片。離心式高效噴濺裝置配有一系列不同口徑的套管，以滿足不同工況下的流量要求。

2 計算模型

2.1 模型的建立與邊界條件

按1∶1的實際尺寸建立離心式高效噴濺裝置模型，為避免邊界條件對計算結(jié)果的影響，建立如圖2 所示圓柱形計算區(qū)域，圓柱底面半徑5 m，高度為3 m。

考慮速度進(jìn)口收斂性好，套管進(jìn)口處設(shè)為速度進(jìn)口邊界條件，速度大小與水頭匹配；計算區(qū)域進(jìn)、出口分別設(shè)為壓強進(jìn)、出口邊界條件，取各處環(huán)境值；并通過設(shè)置體積率來界定各邊界面上所流過的流體種類；對于旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)輪部分采用多重參考系（MRF）處理，其中轉(zhuǎn)速與水管壓力的對應(yīng)關(guān)系由模型試驗測得；其余管壁、計算域邊界等采用無滑移固體墻壁邊界條件；速度分布采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。

2.2 多相流模型和控制方程

為了跟蹤不同時刻水流的運動軌跡和分布情況，選取非穩(wěn)態(tài)求解器進(jìn)行求解，時間步長0.002 s。將空氣相設(shè)為主相，液態(tài)水相設(shè)為第二相?？紤]到液態(tài)水相在噴濺裝置工作過程中破碎成液滴體積分?jǐn)?shù)大于10%，采用歐拉（Eulerian）模型。該模型把氣體和水滴看成兩種流體，在空間的各節(jié)點上都有這兩種流體各自不同的速度和密度，這些流體存在于同一空間中，并且發(fā)生相互滲透，但各自有著不同的體積分?jǐn)?shù)，兩相體積分?jǐn)?shù)和為1。

考慮到噴濺裝置在開敞式的空間工作，不考慮空氣和水流的壓縮性；考慮到在冷卻塔中噴淋區(qū)的水流溫降只有整體溫降的4%左右[19]，而冷卻塔里的溫降95%～97%左右來自于蒸發(fā)[7]，可得循環(huán)水在噴淋區(qū)的蒸發(fā)量為整體蒸發(fā)量的4%左右，可認(rèn)為蒸發(fā)對噴濺裝置的水力特性影響很小，本文主要研究噴濺裝置的水力特性，所以不考慮蒸發(fā)等能量影響；歐拉模型的連續(xù)性方程和動量方程[20]為

2.3 網(wǎng)格劃分與求解算法

考慮到離心式高效噴濺裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是轉(zhuǎn)輪葉片等結(jié)構(gòu)細(xì)密，選用了適應(yīng)性較強的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并在轉(zhuǎn)輪葉片處進(jìn)行了網(wǎng)格加密。選用了網(wǎng)格單元為283萬、348萬、428萬三種網(wǎng)格劃分方案分別在1.6 m水頭下模擬計算，噴濺半徑分別為2.6 m，2.8 m和2.85 m，結(jié)果表明網(wǎng)格達(dá)到348萬時，網(wǎng)格再增加對結(jié)果影響很小，考慮到網(wǎng)格越多，計算成本越大，因此采用348萬網(wǎng)格單元。

由于水流從套管中流出，再撞擊濺水碟，屬于射流撞擊，選取重整規(guī)劃群（RNG）[WTB1X]k[WTBX]-ε湍流模型，其在ε方程中加了一個條件，有效地提高了精度[21]。壓力與速度的耦合方式選擇相耦合的SIMPLE算法，并保持其亞松弛因子為默認(rèn)值，體積率的離散方式設(shè)置為QUICK，其余各項皆為二階精度。計算時，以殘差收斂到1e-5數(shù)量級和滿足質(zhì)量守恒定律作為判斷計算收斂的依據(jù)。

3 模擬計算結(jié)果

3.1 模型驗證

為驗證模擬結(jié)果的可靠性，現(xiàn)將離心式噴濺裝置配以口徑32 mm短管，在0.8水頭工況下的模擬計算結(jié)果與實際工作情況進(jìn)行對比，見圖3。從圖中可看出，模擬結(jié)果中的流線圖呈傘狀，與實際工作時水流沖擊濺水碟呈傘狀噴灑吻合；模擬結(jié)果中豎直方向離濺水碟0.8 m的水平面的水量分布云圖為環(huán)狀，中央為無水區(qū)，與實際工作時地面上的水量情況吻合；說明CFD數(shù)值模擬計算方法具有較好的準(zhǔn)確性，可以借此研究噴濺裝置的水力特性。

3.2 離心式高效噴濺裝置水力特性分析

圖4 為離心式高效噴濺裝置配以口徑32 mm的套管在水頭分別為0.8 m、1.2 m、和1.6 m下工作時距離濺水碟0.8 m水平面上水相分布云圖，從圖中可看出：（1）離心式高效噴濺裝置的有效噴濺范圍均為近似環(huán)形，受支撐架結(jié)構(gòu)的影響，其對應(yīng)的位置上有缺口，即支撐架結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置噴濺半徑較小，在有效噴濺范圍內(nèi)水相體積分?jǐn)?shù)較均勻，說明離心式高效噴濺裝置在水頭為0.8～1.6 m的范圍內(nèi)能有效實現(xiàn)均勻噴灑。（2）隨著水頭增大，噴濺范圍內(nèi)中空區(qū)域增大，噴濺半徑增大，即噴濺的整體范圍增大，水相體積分?jǐn)?shù)普遍減小，即水相體積分?jǐn)?shù)的最大值和平均值均減小。

圖5 為離心式高效噴濺裝置配以口徑32 mm的套管在不同水頭下工作時距離濺水碟0.8 m水平面上水相沿徑向分布圖，由圖可看出：（1）隨著水頭的增大，離心式高效噴濺裝置的有效噴濺范圍沿著徑向整體外移，即噴濺半徑和中空半徑都增大，分別從1.8 m增大到2.8 m和從0.8 m增大到1.4 m，且噴濺半徑與中空半徑的差值在增大，從1 m增大到1.4 m，即有效噴濺范圍增大。（2）隨著水頭的增大，離心式高效噴濺裝置的有效噴濺范圍內(nèi)的水相體積分?jǐn)?shù)最大值在減小，從0.1252%減小到0.08686%，即噴灑的更均勻。

表1為離心式高效噴濺裝置配以口徑32 mm的套管在不同水頭H下工作時的水力特性參數(shù)，由表可得出隨著H增大，噴濺裝置的流量系數(shù)增加，流量Q增大，噴濺半徑R增大，且增加的速度減緩，有效噴濺面積S增大，Q/S減小。根據(jù)管嘴的流量系數(shù)計算公式可知，噴濺裝置的流量系數(shù)增加，說明裝置套管處的局部水頭損失減小，即在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高裝置工作的H可有效提高能源利用率；Q增大顯然是由于H增大引起的套管內(nèi)的流速增大；R增大是由于管內(nèi)的流速增大，水流撞擊濺水碟獲得的徑向速度增大，這也導(dǎo)致了噴濺面積和中空面積都增大，但噴濺面積增大幅度比中空面積大，導(dǎo)致S增大，根據(jù)R與水流濺灑厚道額徑向速度正相關(guān)，可以將套管中出來的水流分股，部分直接撞擊濺水碟，部分降低速度后撞擊濺水碟，以減小中空面積，這也是目前應(yīng)用較多的多級噴濺裝置的理論原理；Q/S減小說明單位面積上濺灑的水量較低，易實現(xiàn)更均勻布水。

4 轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速影響

由于國內(nèi)水質(zhì)的日益惡化，噴濺裝置工作的環(huán)境也日益惡劣，水硬度增加常會導(dǎo)致在噴濺裝置的濺水碟和轉(zhuǎn)輪葉片，甚至轉(zhuǎn)輪與支撐架連接的軸孔內(nèi)結(jié)垢，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，因此研究噴濺裝置在不同轉(zhuǎn)速下的水力特性很有意義。

圖6為離心式高效噴濺裝置配以口徑32 mm套管在水頭1.6 m下，分別以60、120、180和240 r/min轉(zhuǎn)速工作時距離濺水碟0.8 m水平面上水相沿徑向分布圖，由圖可看出：（1）在各轉(zhuǎn)速下，水相沿徑向分布曲線趨勢一致，在徑向距離1.9 m左右出現(xiàn)水相體及分?jǐn)?shù)最大值，即離心式噴濺裝置在各轉(zhuǎn)速下都能實現(xiàn)均勻噴灑。（2）隨著轉(zhuǎn)速增大，噴濺半徑減小，但轉(zhuǎn)速增加到180 r/min時，轉(zhuǎn)速再增大，噴濺半徑變化不大。（3）隨著轉(zhuǎn)速增大，中空范圍變化不大，結(jié)合噴濺半徑考慮，則噴濺有效范圍減小。（4）隨著轉(zhuǎn)速的增大，水相體積分?jǐn)?shù)的最大值相差不大，相差最大是轉(zhuǎn)速60 r/min和120 r/min，為0.0046%。

表2為離心式高效噴濺裝置配以口徑32 mm套管在水頭1.6 m下以不同轉(zhuǎn)速工作的水力特性參數(shù)，由表可得：（1）隨著轉(zhuǎn)速的提高，噴濺半經(jīng)減小， 180 r/min工況下其比60 r/min工況下小0.3 m，這是由于離心式噴濺裝置是自流旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的能量來源于水流的動能，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，消耗水流的動能增大，水流自身的動能降低，速度降低，同時轉(zhuǎn)速增大，使得周向速度增大，徑向速度減小，所以噴濺半徑就降低了；到180 r/min 時轉(zhuǎn)速再增加，噴濺半徑幾乎不變，是因為240 r/min葉片的扭矩值為負(fù)值，即在實際的自流旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速達(dá)不到240 r/min，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速最大極限值要略低于240 r/min。（2）隨著轉(zhuǎn)速增大，有效面積減小，180 r/min工況下其比60 r/min工況下減小明顯，可見轉(zhuǎn)速在60～120 r/min內(nèi)是比較合理的，即在選擇材料和加工轉(zhuǎn)輪與支撐架的軸連接部件時，無需盡可能減小摩擦，只要保持摩擦在合適的范圍內(nèi)即可。

綜上：不考慮轉(zhuǎn)速對水相濺灑后的水滴粒徑大小的影響，離心式噴濺裝置的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速對其水力特性影響較小，因此離心式噴濺裝置在長期工作后不會因結(jié)垢問題引起的轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致嚴(yán)重不利影響，為獲得較優(yōu)的噴灑效果，建議在60～120 r/min內(nèi)工作。

5 結(jié)論

（1）離心式高效噴濺裝置可以在較廣的水頭下實現(xiàn)均勻布水，且一定范圍內(nèi)，提高水頭可以提高單個噴濺裝置的布水均勻性。

（2）離心式高效噴濺裝置水力特性受轉(zhuǎn)速影響較小，其長時間工作后在結(jié)垢導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速下降的情況下仍能實現(xiàn)均勻布水，且轉(zhuǎn)速在60～120 r/min時，能獲得較優(yōu)的水力特性，實現(xiàn)較均勻布水。

（3）由于本文研究中試驗測量的數(shù)據(jù)不夠，需進(jìn)一步完善實驗臺，獲得更多數(shù)據(jù)。

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