水雾雾滴初始位置对喷雾冷却性能的影响

Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｗａｔｅｒ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｐｒａｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ＷＡ ＮＧ Ｘｉａｏ‐ｃｈｕａｎ１ ，ＨＥ Ｇｕｏ２ ，Ｇ Ｕ Ｏ Ｃｈａｏ‐ｙｏｕ１ （１ ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｏｗ ｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｎａｖａｌ Ｕ ｎｉｖ ．ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３ ，Ｃｈｉｎａ ； ２ ．Ｄｅｐｔ ．ｏｆ Ｍ ａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ，Ｎａｖａｌ Ｕ ｎｉｖ ．ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｗｕｈａｎ ４３００３３ ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｖｅａｌ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｐｒａｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗ ａｔｅｒ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｅｒ ‐ ｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅｓ ，ｔｈｅ Ｅｕｌｅｒｉａｎ‐Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ‐ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｏｓｓ‐ｆｌｏｗ ｓｐｒａｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｗ ａｔｅｒ‐ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｂｏｘ （ＷＣＢ） ｏｆ ａｎ ｅｎｇｉｎｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗ ｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｐｒａｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｔ ｗ ｈｉｃｈ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｅｎｔｅｒ ｔｈｅ ｇａｓ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ０ ．１４ ｍ ，ｓｏｍｅ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｗｉｌｌ ｆａｌｌ ｉｎｔｏ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｖｏｒｔｅｘ ａｎｄ ｃｏｌｌｉｄｅ ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｅ ｔｕｂｅｓ ｔｏ ｆｏｒｍ ａ ｌｉｑｕｉｄ ｆｉｌｍ ｗ ｈｉｃｈ ｃａｎ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｗ ａｔｅｒ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ； ｗ ｈｅｎ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅｓ ａｒｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｚｏｎｅ ｏｆ （０ ．１４ ，０ ．２３） ｍ ，ｔｈｅ ｔｗ ｏ ｐｈａｓｅｓ ｗｉｌｌ ｍｉｘ ｗ ｅｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆ ‐ ｆｅｃｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｐｒａｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗｉｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅ ａｓ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｂｅｔｗ ｅｅｎ ｔｈｅ ｃｌａｐ ‐ ｂｏａｒｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｐｒａｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ；ａｎｄ ｗ ｈｅｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｐｒａｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ０ ．２３ ｍ ， ｔｈｅ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｗｉｌｌ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｍｏｖｅ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ＷＣＢ ｗｉｔｈｏｕｔ ｓｃｒｅｗ ｙ ｍｏｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｈａｕｓｔ ｃｈａｍｂｅｒ ，ｗ ｈｉｃｈ ｌｅａｄｓ ｔｏ ａｎ ｕｎｒｅｍａｒｋａｂｌｅ ｓｐｒａｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｄｕｅ ｔｏ ａ ｓｈｏｒｔｅｒ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ．
３ ．１ 烟气流场分析
烟气气流从分流管流出后 ，在排气室内形成强 旋气流 ，气流向排气出口方向螺旋运动 。 图 ４ 为集 水箱排气室纵切面烟气速度矢量分布图 。 从图 ４ 中 可见 ，靠近集水箱壁面处气流速度较高 ，为主流区 ； 集水箱轴线附近区域流速较低 ，为轴向气流回流区 。 在外层分流管出口附近有大量的循环涡存在 。 由 于主流区压力比轴线附近的回流区压力高 ，因此在 排气室存在径向的压力梯度 。
第
２６ 卷 ２０１４ 年
第１ ２月
期
海军工程大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＡＶＡＬ Ｕ ＮＩＶＥＲＳＩＴ Ｙ ＯＦ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏｌ ．２６ Ｎｏ ．１ Ｆｅｂ ．２０１４
ＤＯＩ ：１０ ．７４９５ ／ｊ ．ｉｓｓｎ ．１００９‐３４８６ ．２０１４ ．０１ ．０２２
图 ２ 分流管布置图（从排气室方向看） Ｆｉｇ ．２ Ｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｎｅ ｔｕｂｅｓ （ｓｅｅｎ ｆｒｏｍ ｅｘｈａｕｓｔ ｃｈａｍｂｅｒ）
２ 数值计算
２ ．１ 数学模型
采用欧拉‐拉格朗日方法对烟气与水雾的两相
Βιβλιοθήκη Baidu
流动进行处理 。 将烟气气流作为连续相 ，在欧拉坐
标系中描述 ，由于喷入水雾的量相对较少 ，将水雾雾
１ 集水箱结构及喷雾冷却简介
发动机排气系统排出的高温烟气进入集水箱 后 ，在分隔板的隔离作用影响下 ，烟气进入固定在 分隔板上的分流管内 。 烟气从分流管管束内流出 后 ，进入排气室并旋转 ，最终从集水箱排气出口排 出 。 图 １ 为集水箱内部的分流管布置形式及喷雾 冷却示意图 。 分流管末端弯曲呈 ９０° ，气流从分 流管流出并绕轴线旋转 。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ： ｅｎｇｉｎｅ ；ｔｗ ｏ‐ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ；ｓｐｒａｙ ｃｏｏｌｉｎｇ ；ｉｎｉｔｉａｌ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｌｏｃａｔｉｏｎ
向发动机排气系统集水箱中的高温烟气气流 内喷入一定量低温微细水雾 ，水雾雾滴迅速吸热 并蒸发相变 ，利用水的汽化潜热 ，可使发动机排气 系统的烟气温度迅速降低［１］ 。
第１期
王小川 等 ：水雾雾滴初始位置对喷雾冷却性能的影响
· １０９ ·
雾布置方式对冷却性能的影响进行了比较 ，研究 表明 ，横流逆重力喷射时气雾混合最稳定并且液 滴碰壁最少 。 Ｂａｉ［４］ 利用粒子图像测速法对横流 喷雾进行了拍摄 ，对比了喷射方向与气流来流方 向分别呈 ６０° 、９０°和 １２０°时两相混合的不均匀度 。 研究表明 ：当喷射角为 ６０°（即逆来流方向）时混 合效果最好 ，１２０°时混合效果最差 ，９０°时稳定性 最好 。 文献［５］研究了不同工况下 、不同孔径喷嘴 喷雾的降温性能 ，分析了雾滴尺寸和喷雾量对降 温性能的影响 。 然而 ，雾滴进入流场的初始位置 对喷雾冷却性能影响的研究较少 。
水雾雾滴初始位置对喷雾冷却性能的影响
王小川１ ，贺 国２ ，郭朝有１
（１ ．海军工程大学 动力工程学院 ，武汉 ４３００３３ ；２ ．海军工程大学 管理工程系 ，武汉 ４３００３３）
摘 要 ： 为揭示集水箱内水雾雾滴喷射的初始位置对喷嘴喷雾冷却性能的影响 ，利用欧拉‐拉格朗日方法和离 散相模型对发动机排气集水箱内横流喷雾冷却过程进行了三维数值模拟 。 结果表明 ：当雾滴进入烟气流场的 初始位置距离分隔板小于 ０ ．１４ ｍ 时 ，部分雾滴进入循环涡流区 ，大量雾滴与分流管管壁反复碰撞 ，在管壁上形 成液膜 ，使得雾滴蒸发速率降低 ；当雾滴初始位置位于 （０ ．１４ ，０ ．２３） ｍ 时 ，两相掺混较好 ，且随着距离的减小 ， 雾滴有效运动行程增加 ，喷雾冷却效果增强 ；当雾滴初始位置大于 ０ ．２３ ｍ 时 ，雾滴未在排气室进行螺旋运动而 是随气流直接排出集水箱 ，蒸发时间短 ，喷雾冷却效果不显著 。 关键词 ： 发动机 ；两相流 ；喷雾冷却 ；雾滴初始位置 中图分类号 ： Ｔ Ｋ１２６ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ：１００９ － ３４８６ （２０１４）０１ － ０１０８ － ０５
由于发动机排出烟气中夹带大量的细小碳颗 粒 ，因此向烟气中喷入冷却水雾与向纯净气体中 喷射时对喷嘴的要求不同 。 若喷嘴逆着来流方向 喷射 ，烟气中的碳颗粒容易将喷嘴的小孔堵塞 。 而使喷嘴喷射方向与来流方向垂直时 ，可以避免 喷嘴喷射孔径被堵塞 。 又由于横流喷射的冷却效 果较好且喷雾性能最稳定 ，因此在本实验中将雾 化喷嘴［６］ 固定在集水箱内壁上对高温烟气进行横 流喷雾冷却 。 文中基于欧拉‐拉格朗日方法 ，运用 ＦＬ Ｕ ＥＮ Ｔ 软件的离散相模型 ，对集水箱旋转气流 中横流喷雾过程进行了三维数值模拟 ，分析了水 雾雾滴进入烟气流场的初始位置对喷嘴的喷雾冷 却性能所产生的影响 。
图 １ 排气集水箱内部结构图 Ｆｉｇ ．１ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ‐ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｂｏｘ
在图 １ 所示的喷雾截面上 ，在集水箱内壁面
上沿圆周布置了 ６ 个同型喷嘴 ，沿径向方向喷射 低温微细水雾（称为“横流喷雾”） 。
图 ２ 为集水箱分隔板上分流管的布置图 （从 排气室方向看） ，内外层管长分别为 ｌ１ 和 ｌ２ （ｌ１ ＝ ２ ｌ２ ＝ ０ ．１４ ｍ） ，两组分流管分布在内外两个同心 圆周（ｏ 为圆心 ）上 ，分流管末端弯曲段按相同旋 向规则地布置在分隔板上 ，内外两层分流管出口 处气流方向与所在圆周的法线方向的夹角分别为 θ１ 和 θ２ ，分别取值为 ５５°和 ９０° 。 喷雾截面距分隔 板的距离为 ｌ３ 。
气中的扩散率和雾滴与烟气之间的蒸汽浓度相关 。
雾滴表面蒸发率方程［９］ 为
ｍ· ｐ ＝ πρｇ Ｓｈｌｎ（１ ＋ ＢＭ ） 。
（１）
式中 ：ρｇ 为烟气密度 ；ｄｐ 为雾滴的直径 ；ＢＭ 为 Ｓｐａｌ‐ ｄｉｎｇ 传质数 ；Ｓｈ 为雾滴 ｓｈｅｒｗｏｏｄ 数 ，定义为
Ｓｈ ＝ ｋｃ ｄｐ ／Ｄｖｇ ＝ ２ ＋ ０ ．６Ｒｅ１ｐ／２ Ｓｃ１／３ 。 （２）
· １１０ ·
海 军 工 程 大 学 学 报 第 ２６ 卷
式中 ：ｋｃ 为表面传质系数 ；Ｄｖｇ 为水蒸气从雾滴表面 向烟气的扩散系数 ；Ｒｅ 为雾滴的 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ 数 ；Ｓｃ 为 雾滴的 Ｓｃｈｍｉｄｔ 数 。
Ｒｏｓｉｎ‐Ｒａｍｍｌｅｒ 分布 ，分布指数为 ２ ．６ 。
加热的过程符合加热 、蒸发和沸腾定律 ，雾滴吸收的
热量用于自身温度的升高和汽化潜热的发挥 。
连续相控制方程包括气相连续性方程 、湍流方
程及组分方程 ，离散相方程由雾滴运动方程 、雾滴吸
热过程总热平衡方程和雾滴直径变化方程组成 ，其
具体形式在文献［１］中有详细描述 。
雾滴的蒸发量由扩散梯度决定 ，即从雾滴向烟
Ｘｉａ［２］ 对水平管内高温气体喷雾冷却进行了 非稳态研究 ，探讨了喷雾量对气体温度影响的规 律 ，但由于喷雾流量较小 ，气体温度降低十分有 限 。 对横流 、逆重力喷射和顺重力喷射［３］ 三种喷
收稿日期 ：２０１３‐０５‐２４ ；修回日期 ：２０１３‐０７‐１８ 。 基金项目 ：海军工程大学自然科学基金资助项目（ＨＧＤＱＮＪＪ１２０１０） 。 作者简介 ：王小川 （１９８５ － ） ，男 ，博士生 ，主要研究方向为舰船动力装置总体设计 。 通信作者 ：王小川 ，Ｅ‐ｍａｉｌ ：ｗａｎｇｘｉａｏｃｈｕａｎ０８＠ １６３ ．ｃｏｍ 。
３ 计算结果与讨论
２ ．２ 数值计算方法
运用 ＦＬＵＥＮＴ 软件 ，应用离散相模型进行求解 计算 。 应用基于压力的求解算法 ，将压力和速度进 行耦合计算 。 经比较发现 ，将 Ｃｏｕｒａｎｔ 数设定为 １ ．０ 时 ，计算收敛较快 ，且计算稳定性好 。 由于烟气与雾 滴之间存在着较大的温差和浓度差 ，两相温度变化 剧烈 ，且气流的湍动对雾滴扩散影响较大 ，因此考虑 两相间的双向耦合作用 。 应用随机轨道模型计算瞬 时湍流速度对雾滴轨道的影响 。 定常耦合求解流动 方程 ，对湍流 、动量和能力方程采用二阶迎风格式进 行离散 。 在迭代计算中 ，每进行 ２０ 次连续相流场的 迭代计算 ，就对离散相源项进行更新 。
滴作为离散相 ，在拉格朗日坐标系中描述 。
用 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ 时均方程描述气相守恒方程 ，湍流
模型采用 ＲＮＧ（重整化群）ｋ‐ε 湍流模型［７］ 。 假设雾
滴形状保持球形不变 。 由于雾滴直径小于湍流最小
尺度 ，因此可忽略惯性力 、Ｂａｓｓｅｔ 力 、附加质量力和提
升力等的影响 ，只计及雾滴重力和阻力［８］ 。 雾滴被