船用柴油機(jī)浸沒(méi)式排氣管冷卻性能優(yōu)化

潘熙希，陸鵬，宋大為，朱奎

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

浸沒(méi)式排氣管在水下航行器、游艇等船舶上應(yīng)用普遍。隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，也對(duì)軍事用途水下航行器保證隱蔽性提出了更嚴(yán)格的要求[1]。關(guān)于降低柴油機(jī)煙氣排放溫度，提高柴油機(jī)排氣系統(tǒng)冷卻性能的措施。目前，主要是在排氣系統(tǒng)上加裝冷卻裝置(如臥式排氣冷卻消音器、集水箱式排氣冷卻消音器等)來(lái)降低煙氣溫度，但排氣冷卻裝置尺寸受到艙室布置空間的限制，冷卻效果十分有限。經(jīng)過(guò)排氣冷卻裝置后的煙氣溫度仍然可達(dá)300～500℃[2]，此時(shí)只能通過(guò)后排氣管路對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻，為達(dá)到冷卻要求不得加長(zhǎng)排氣管路，即便采用浸沒(méi)式排氣管，排氣管路長(zhǎng)度仍可達(dá)20～30 m。如此長(zhǎng)的管路不僅給艙室布置帶來(lái)不便，而且也會(huì)增大排氣系統(tǒng)背壓，影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放。

浸沒(méi)式排氣管利用海水的對(duì)流換熱帶走排氣管的熱量，其總傳熱系數(shù)K為

(1)

式中：h1為煙氣的傳熱系數(shù)，10～70 W/(m2·℃)；δ為排氣管壁厚;λ為排氣管導(dǎo)熱系數(shù)，由于排氣管為薄壁金屬管，管壁熱阻非常小，此項(xiàng)可以忽略不記；h2為海水的傳熱系數(shù)，4 800～8 000 W/(m2·℃)，h1與h2相差上百倍。可見(jiàn)，煙氣側(cè)的熱阻在總熱阻中占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致海水對(duì)排氣管的冷卻非常有限。增強(qiáng)柴油機(jī)排氣管的冷卻性能，應(yīng)從降低煙氣側(cè)的熱阻值入手，采用強(qiáng)化傳熱措施，提高排氣管氣體側(cè)的換熱性能。

1 強(qiáng)化傳熱方法

以某型特殊船用柴油機(jī)浸沒(méi)式排氣管路(見(jiàn)圖1)為研究對(duì)象，該柴油機(jī)排氣系統(tǒng)由前排氣管道、排氣冷卻消聲器、后排氣管道、止回舌閥等管路閥件組成。該柴油機(jī)在排氣消音器后的排氣溫度高達(dá)390 ℃，排氣管出口處煙氣溫度要求降至近乎環(huán)境溫度。為達(dá)到煙氣冷卻的需求，后排氣管路采用了冷卻水套及浸沒(méi)式海水冷卻的方式，但后排氣管路總長(zhǎng)度仍需25 m。

圖1 某型特殊用途柴油機(jī)排氣系統(tǒng)示意

大容積的排氣管路，額外增加了柴油機(jī)排氣背壓，導(dǎo)致柴油機(jī)燃料燃燒效率下降，燃油經(jīng)濟(jì)性變差；輸出功率損失，動(dòng)力性下降，同時(shí)排氣溫度升高，煙度加大，排放變差[3]。優(yōu)化柴油機(jī)后排氣管路冷卻性能，可以減小排氣管路對(duì)柴油機(jī)排氣背壓的影響，提高柴油機(jī)性能；也便于船舶艙室合理布置。

煙氣傳熱過(guò)程的基本方程式為

Q=KA△T

(2)

式中：K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·k);A為傳熱面積，m2;△T為冷熱流體間的平均傳熱溫差，K。

式(2)表明，提高排氣管路傳熱量可以通過(guò)三方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：增加傳熱面積、增大傳熱平均溫差，以及提高傳熱系數(shù)。

浸沒(méi)式排氣管冷卻介質(zhì)為海水，相對(duì)于煙氣其溫度已經(jīng)很低，對(duì)其再降溫后用于冷卻排氣管路，不僅難度大且不經(jīng)濟(jì)、不環(huán)保，還會(huì)影響排氣管材料強(qiáng)度，可行性極低。

提高總傳熱系數(shù)是提高換熱量的重要途徑，在柴油機(jī)排氣管煙氣傳熱過(guò)程中，影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素是層流底層的厚度。要想有效提高對(duì)流傳熱系數(shù)，必須減薄層流底層的厚度，主要措施有提高煙氣的流速，以提高傳熱表面湍動(dòng)程度；利用異形管道結(jié)構(gòu)來(lái)提高流體的擾動(dòng)程度從而破壞流體邊界層等。

增大排氣管路的管徑和管長(zhǎng)可以大幅增加傳熱面積，但其與柴油機(jī)性能密切相關(guān)。在柴油機(jī)選定后，其煙氣量也就確定下來(lái)，結(jié)合排氣管道限定的最高流速或限定的最大真空度及背壓，即可確定排氣管路的直徑。在直徑選定情況下，排氣管長(zhǎng)不宜過(guò)長(zhǎng)，以降低柴油機(jī)排氣背壓及機(jī)艙真空度。在柴油機(jī)與排氣管路匹配設(shè)計(jì)好后，單純從提高換熱量角度增加排氣管路直徑或長(zhǎng)度，勢(shì)必以損失柴油機(jī)性能作為代價(jià)。而在合理選擇排氣管徑大小和管路長(zhǎng)度后，通過(guò)擴(kuò)展管路煙氣側(cè)表面積，是更合理的解決方向。

針對(duì)特殊船用柴油機(jī)排氣管路的特點(diǎn)，采用縱向直肋內(nèi)翅片管的形式擴(kuò)展煙氣側(cè)表面積。內(nèi)翅片不但可增加氣體側(cè)換熱面積，而且可促進(jìn)氣體的擾動(dòng)，起到破壞邊界層的作用，提高傳熱表面湍動(dòng)程度，具有良好的抗壓性且經(jīng)濟(jì)及維護(hù)成本低，適合特殊船用柴油機(jī)浸沒(méi)式排氣管使用需求。

運(yùn)用數(shù)值分析方法對(duì)不同翅片數(shù)內(nèi)翅片式排氣管的冷卻、阻力和流動(dòng)特性進(jìn)行分析，比較其傳熱及阻力性能的規(guī)律。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1.1 計(jì)算假設(shè)

1)管內(nèi)煙氣流動(dòng)為不可壓穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

2)煙氣熱物理性質(zhì)穩(wěn)定，不受溫度、壓力影響。

3)不考慮煙氣的自然對(duì)流換熱和輻射換熱。

2.1.2 控制方程

1)連續(xù)方程。

U=0

(3)

2)動(dòng)量方程。

(4)

3)能量方程。

(5)

4)湍流能量控制方程。

(6)

使用FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。采用Coupled算法求解，對(duì)流項(xiàng)使用Second Order Upwind格式進(jìn)行離散，湍流模型采用Realizable κ-ε模型和增強(qiáng)壁面方程方法。

2.2 計(jì)算模型

取一段浸沒(méi)排氣管進(jìn)行模擬計(jì)算，管外徑160 mm，內(nèi)徑150 mm。分別對(duì)光管、4翅管、8翅管、10翅管、12翅管進(jìn)行計(jì)算。翅片為縱向直肋，肋片高度50 mm、長(zhǎng)度700 mm、厚度5 mm。

網(wǎng)格劃分在Hypermesh軟件中完成，以4翅管為例，網(wǎng)格總數(shù)約1.6×106個(gè)，網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。

圖2 4翅管網(wǎng)格模型

2.3 煙氣物性

煙氣物性隨溫度變化很大并在一定范圍內(nèi)呈線性分布，采用線性插值方法得到計(jì)算溫度下的煙氣物性參數(shù)。該特殊用途柴油機(jī)經(jīng)過(guò)排氣冷卻消音器后的煙氣溫度為390 ℃，計(jì)算得到該溫度下的煙氣物性見(jiàn)表1。

表1 煙氣物性參數(shù)

2.4 邊界條件

排氣管道入口采用速度入口邊界條件，u=v=0,w=constant，t=390 ℃；出口采用壓力出口邊界，由于海水的傳熱系數(shù)很大，其熱阻可以忽略不記，為提高計(jì)算速度，管道外壁面邊界twall=32 ℃，u=v=w=0；管內(nèi)翅片與煙氣接觸面為共軛傳熱，不需設(shè)置邊界條件。

3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與分析

3.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性及結(jié)果驗(yàn)證

模型的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常大，為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的無(wú)關(guān)性，以光管為例進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，選取網(wǎng)格數(shù)量為1.1×106、2.1×106、4.3×106的3個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)3個(gè)模型的努塞爾數(shù)(Nu)及摩擦系數(shù)基本相同。可見(jiàn)選取1.1×106的網(wǎng)格數(shù)量滿足無(wú)關(guān)性要求。

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。光管的格尼林斯基(Gnielinski)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[4]為

(7)

驗(yàn)證范圍為Re=2 300～106，Prf=0.6～105。

光管模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 努塞爾數(shù)(Nu)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值與模擬值比較

由對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)，光管模擬計(jì)算數(shù)值較好的符合了實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算值，最大誤差為11.21%，在允許誤差(±20%)范圍內(nèi)。因此，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是可信的。

3.2 結(jié)果分析

光管及內(nèi)翅片管管內(nèi)溫度分布見(jiàn)圖4。入口處煙氣流速為4 m/s，煙氣溫度為390 ℃。

圖4 光管、4翅、10翅管x=0截面溫度分布(煙氣速度為4 m/s)

由圖4可見(jiàn)，光管的高溫區(qū)范圍非常大，且出口處煙氣溫度未發(fā)生明顯的變化，煙氣只有在管壁附近的非常薄局部區(qū)域進(jìn)行換熱，因而換熱效果非常受限。4翅片管的高溫區(qū)域較光管有所減少，換熱面積有所提高。10翅管的高溫區(qū)域較光管大幅減小，翅片分隔了管中心的高溫區(qū)域，將高溫氣體分配到各翅片間的狹長(zhǎng)區(qū)域，從而使煙氣與翅片熱量傳遞更充分，換熱效果增強(qiáng)。

各翅片管的Nu比較見(jiàn)圖5。

圖5 努賽爾數(shù)(Nu)對(duì)比

隨進(jìn)口煙氣流速增加，各管的Nu逐漸增加。流速提高則對(duì)應(yīng)煙氣流動(dòng)的雷諾數(shù)提高，煙氣流動(dòng)的湍動(dòng)程度增加，換熱效果增強(qiáng)，Nu變大；光管的Nu最低，其他各內(nèi)翅片管的Nu為光管的1.2～2.0倍。Nu隨翅片數(shù)目增加而增加，12翅管Nu最大，增長(zhǎng)幅度隨翅片增加逐漸趨于平穩(wěn)，10翅管Nu與12翅管已十分相近。各內(nèi)翅管Nu與光管比值隨速度增加呈下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖6，在低速區(qū)域翅片管的強(qiáng)化換熱效果更明顯。

圖6 各管努賽爾數(shù)與光管比值

阻力特性是評(píng)判排氣管性能的另一重要性能指標(biāo)，各管的阻力系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖7。阻力系數(shù)f公式為

圖7 阻力系數(shù)(f)對(duì)比

(8)

式中：△p為進(jìn)出口平均壓力(面積平均值)的差值；ρ為流體密度；v為入口速度。

由圖7可見(jiàn)，隨煙氣流速增加，阻力系數(shù)呈下降趨勢(shì)；各內(nèi)翅管的阻力系數(shù)均大于光管，隨翅片數(shù)目的增加，阻力系數(shù)變大；煙氣速度為2 m/s時(shí)，內(nèi)翅片管較光管阻力系數(shù)增加倍數(shù)最大，隨速度增大，阻力系數(shù)增加的倍數(shù)逐漸降低。翅片數(shù)目的增加，使得排氣管內(nèi)結(jié)構(gòu)越密集，對(duì)煙氣的擾動(dòng)效果越強(qiáng)，強(qiáng)化了換熱的同時(shí)增大了煙氣流動(dòng)阻力。在低速區(qū)域，雷諾數(shù)較小，擾動(dòng)效果更明顯，強(qiáng)化換熱效果明顯，阻力系數(shù)增加的倍數(shù)也越大。

為綜合評(píng)價(jià)各內(nèi)翅片排氣管的強(qiáng)化傳熱效果，采用performance evaluation criteria(PEC)，當(dāng)PEC>1，表明在同樣的輸送功耗下，強(qiáng)化管傳遞熱量的能力比光管大。PEC綜合考慮強(qiáng)化換熱對(duì)換熱系數(shù)和摩擦壓降的影響，許多研究以PEC作為強(qiáng)化效果的評(píng)定方式。PEC計(jì)算公式如下。

PEC=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3

(9)

式中：Nu為強(qiáng)化管的努賽爾數(shù)；Nu0為光管的努賽爾數(shù)；f為強(qiáng)化管的阻力系數(shù)；f0為光管的阻力系數(shù)。

由圖8可見(jiàn)，4翅管PEC值均小于1，未達(dá)到強(qiáng)化換熱效果。8翅管PEC值在1附近浮動(dòng)，強(qiáng)化換熱效果不明顯。10翅管曲線與12翅曲線交織在一起，PEC值在1.1～1.3之間，強(qiáng)化換熱效果顯著。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，10翅管強(qiáng)化換熱性能較優(yōu)。

圖8 各翅片管PEC值

4 結(jié)論

對(duì)于船用柴油機(jī)浸沒(méi)式排氣管，由于氣體側(cè)傳熱系數(shù)太小，若不采用任何強(qiáng)化傳熱的措施，煙氣僅一次性通過(guò)管道，那么冷卻水對(duì)煙氣的冷卻效果不大。為進(jìn)一步提高浸沒(méi)式排氣管的冷卻性能，采用了內(nèi)展翅片的管道形式。

1)采用內(nèi)展翅片形式的浸沒(méi)式排氣管換熱效果明顯提高。對(duì)比管內(nèi)煙氣溫度分布發(fā)現(xiàn)，光管的中心高溫區(qū)域范圍非常大，而內(nèi)翅片管的高溫區(qū)域被翅片分隔，高溫氣體被分配到各翅片間的狹長(zhǎng)區(qū)域，使煙氣更充分的與翅片進(jìn)行熱量傳遞，換熱效果增強(qiáng)。

2)內(nèi)展翅片形式的浸沒(méi)式排氣管Nu為光管的1.2～2.0倍。Nu隨翅片數(shù)目增加而增加，但增長(zhǎng)幅度隨翅片數(shù)目增加而逐漸減小，10翅與12翅管的Nu已十分接近。隨煙氣流速提高，內(nèi)翅片管與光管Nu的比值逐漸降低。可見(jiàn)，在低速區(qū)域內(nèi)翅片管的強(qiáng)化換熱效果更明顯。

3)內(nèi)展翅片形式的浸沒(méi)式排氣管的阻力系數(shù)為光管的1.7～2.9倍。阻力系數(shù)隨翅片數(shù)目增加而增加，12翅管的阻力系數(shù)最大。隨煙氣流速提高，各內(nèi)翅片管的阻力系數(shù)逐漸降低。各管與光管阻力系數(shù)比值也逐漸降低。

4)采用PEC綜合評(píng)價(jià)各管的強(qiáng)化傳熱效果。計(jì)算發(fā)現(xiàn)4翅管PEC值小于1，未達(dá)到強(qiáng)化效果，10翅管與12翅管的PEC值相接近，在1.1～1.3之間，強(qiáng)化效果較好。