蒸汽射流噴嘴的排布優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱從云， 黃盼許， 黃其柏

(1.中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007； 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

近年來(lái)我國(guó)航空事業(yè)不斷發(fā)展，飛機(jī)數(shù)量越來(lái)越多，冬季除冰的需求量越來(lái)越大[1]。我國(guó)飛機(jī)除冰多用除冰液，成本高且對(duì)環(huán)境污染大[2-3]。蒸汽射流除冰是一種高效清潔的除冰方式[4]。采用高溫蒸汽射流除冰可節(jié)省成本，提高效率，且在保護(hù)環(huán)境方面具有重要意義。加強(qiáng)蒸汽射流除冰技術(shù)的研究，對(duì)提高除冰車性能具有較大的意義。采用蒸汽射流除冰需要配備蒸汽發(fā)生裝置、蒸汽傳輸導(dǎo)管、壓力溫度監(jiān)控裝置、蒸汽射流噴頭等。其中蒸汽射流噴頭最為關(guān)鍵，噴頭上噴嘴的布置方式對(duì)蒸汽射流除冰的影響最大。本文針對(duì)基于凝固和融化模型的蒸汽射流除冰系統(tǒng)[5]，基于單噴嘴結(jié)構(gòu)確定噴嘴的分布，用Fluent軟件對(duì)蒸汽射流除冰過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)多噴嘴之間的干擾進(jìn)行分析，并以文獻(xiàn)[6]作參考來(lái)確定噴嘴排布的模型。

1 物理模型的建立

采用蒸汽射流除冰時(shí)，燃料通過(guò)導(dǎo)管被送入鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的熱水通過(guò)泵被送到熱水噴頭，熱水經(jīng)過(guò)噴射形成小水滴，與鼓風(fēng)系統(tǒng)吹入的高溫氣體在壓力通風(fēng)系統(tǒng)中充分混合，經(jīng)過(guò)加熱線圈加熱，產(chǎn)生的濕熱蒸汽由傳輸系統(tǒng)輸送到射流噴頭，噴向工作表面，以達(dá)到除冰雪的目的[7]。蒸汽射流噴頭為柔性氣囊，蒸汽從頂部的進(jìn)氣口進(jìn)入噴頭。噴嘴被均勻布置在噴頭底部，可向待除冰表面噴射高溫飽和蒸汽。考慮到蒸汽射流噴頭的全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在保證求解精度的前提下，本文以文獻(xiàn)[8]作參考，在陣列孔縱截面處進(jìn)行建模。圖1所示為二維冰層融化多相流模型。相應(yīng)的流體計(jì)算域如圖2所示。

圖1 二維冰層融化多相流模型

圖2 流體計(jì)算域簡(jiǎn)圖

2 網(wǎng)格的劃分與計(jì)算模型的選擇

2.1 網(wǎng)格的劃分

考慮到建模區(qū)域的幾何形狀比較規(guī)則，本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在圖3所示的網(wǎng)格模型中，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其相鄰節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系固定不變，且隱含在所生成的網(wǎng)格中，因此不必設(shè)置專用于確認(rèn)節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)[9]。這種結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型具有以下特點(diǎn)：網(wǎng)格生成的速度快，網(wǎng)格質(zhì)量好，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，區(qū)域光滑程度與實(shí)際模型更接近，很容易實(shí)現(xiàn)區(qū)域邊界的擬合[10]。

圖3 網(wǎng)格模型

2.2 計(jì)算模型的選擇

雷諾系數(shù)計(jì)算式為：

(1)

式中：L為圓管流動(dòng)的特征長(zhǎng)度；V為流體截面的平均速度；ρ為蒸汽的密度；μ為流體的動(dòng)力黏度；v為流體的運(yùn)動(dòng)黏度。

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，有

(2)

式中：Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，Cμ=0.09。

流體的湍動(dòng)能為：

(3)

湍動(dòng)能耗散率為：

(4)

流體的湍流強(qiáng)度為：

(5)

當(dāng)V=7 km/h，L=2 mm，v=1.5×10-6kg/(m·s)，ρ=1.672 kg/m3時(shí)，根據(jù)式(1)-式(5)可算出：I=3.44%;k=17.32 m2/s2；ε=84 673.84 m2/s3；Re=308 049.28。顯然，雷諾系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 000，流體為湍流型。因此，根據(jù)文獻(xiàn)[11],本文計(jì)算模型選擇湍流模型。

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，湍動(dòng)能k的輸送方程為：

ρε-YM+Sk

(6)

式中：ui為微元表面dS上流體的速度；μt為流體的動(dòng)力黏度，在k-ε模型中等于μ；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能；σk為湍動(dòng)能的Prandtl常數(shù)，σk=1.0；Sk為自定義的湍動(dòng)能源項(xiàng)。

耗散率ε的輸送方程為：

(7)

式中：σε為耗散率的Prandtl常數(shù)，σε=1.3；Sε為自定義的耗散率源項(xiàng)；此外，兩個(gè)系數(shù)分別為C1ε=1.44，C2ε=1.92。

3 仿真模擬及結(jié)果分析

3.1 偶數(shù)噴嘴均布排列

在圖4所示的偶數(shù)噴嘴均布排列情況下，計(jì)算區(qū)域尺寸為440 mm×80 mm，10個(gè)直徑為2 mm的噴嘴均勻排列，孔間距為40 mm，冰層厚度為8 mm，蒸汽射流的額定壓力為0.3 mPa。

圖4 偶數(shù)噴嘴均布排列示意圖

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件，經(jīng)過(guò)0.1 s的迅速迭代，可得圖5所示偶數(shù)噴嘴均布排列的溫度場(chǎng)。

分析圖5可知，在偶數(shù)噴嘴均布排列的情況下，溫度場(chǎng)基本呈對(duì)稱分布，各噴嘴的射流之間相互干擾；計(jì)算區(qū)域?qū)ΨQ軸附近的干擾最劇烈，阻止了溫度場(chǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)散；在出口界面附近，蒸汽射流的溢流損失較明顯，降低了蒸汽的利用率。

圖5 偶數(shù)噴嘴均布排列的溫度場(chǎng)

3.2 奇數(shù)噴嘴均布排列

(1) 在圖6所示的奇數(shù)噴嘴均布排列情況下，計(jì)算區(qū)域尺寸為480 mm×80 mm，11個(gè)直徑為2 mm的噴嘴均勻排列，孔間距為40 mm，冰層厚度為8 mm，蒸汽射流的額定壓力為0.3 mPa。

建立奇數(shù)噴嘴均布排列的數(shù)值仿真模型，將模型導(dǎo)入Fluent軟件，經(jīng)過(guò)0.1 s的迅速迭代，可得圖7所示奇數(shù)噴嘴均布排列的溫度場(chǎng)。

圖6 奇數(shù)噴嘴均布排列示意圖

圖7 奇數(shù)噴嘴均布排列的溫度場(chǎng)

由圖7可以看出，奇數(shù)噴嘴均布排列的溫度場(chǎng)亦基本呈對(duì)稱分布，只是在出口界面附近產(chǎn)生了干擾，且在兩端邊界處產(chǎn)生了一定的蒸汽射流的溢流損失。

對(duì)比圖7與圖5可知，與偶數(shù)噴嘴均布排列相比，奇數(shù)噴嘴的射流干擾和溢流損失均有所改善，其計(jì)算區(qū)域?qū)ΨQ軸附近的冰層融化速率更高。因此，本文選擇射流噴嘴的排列類型為奇數(shù)排列。

(2) 在射流噴嘴選擇奇數(shù)排列的基礎(chǔ)上，針對(duì)噴嘴均布排列具有射流干擾較強(qiáng)和溢流損失較大的不足，本文提出了奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流的優(yōu)化方案。

奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流仿真模型是指，在奇數(shù)噴嘴均布排列仿真模型的基礎(chǔ)上，將對(duì)稱軸處的蒸汽射流角度設(shè)為0°，而使兩側(cè)蒸汽以60°的射流角度向?qū)ΨQ軸方向噴射(見(jiàn)圖8)。奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流仿真模型的計(jì)算區(qū)域、冰層厚度、孔間距、噴嘴的數(shù)量和大小、除入口邊界外的其他邊界條件等，均與優(yōu)化前仿真模型一致，只是改變部分蒸汽射流的角度。定義入口邊界即可進(jìn)行仿真。

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件，經(jīng)過(guò)0.1 s的迅速迭代，可得圖9所示奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流的溫度場(chǎng)。

圖8 奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流示意圖

圖9 奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流的溫度場(chǎng)

從圖9可以看出，奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流的溫度場(chǎng)分布已基本克服射流干擾，出口邊界附近的蒸汽溢流損失比優(yōu)化前有所減少，在除冰時(shí)間相同的情況下，冰層剩余量更少。分析可知，奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流仿真模型的溫度場(chǎng)分布更優(yōu)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)平均溫度較高，除冰更快，能夠提高整車的除冰效率。

通過(guò)仿真模擬，對(duì)蒸汽射流噴嘴的排布進(jìn)行了整體優(yōu)化(見(jiàn)圖10)。其設(shè)計(jì)面積為480 mm×480 mm，共有121個(gè)噴嘴，按11列交錯(cuò)排布，每列間隔為40 mm，以有效減小噴嘴之間的干擾。

圖10 整體優(yōu)化后蒸汽射流噴嘴的排布

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 對(duì)蒸汽射流噴嘴的3種排布方式進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：奇數(shù)噴嘴均布排列非完全垂直射流的噴頭計(jì)算區(qū)域溫度場(chǎng)分布均勻，平均溫度較高，冰層余量最小，能夠滿足對(duì)飛機(jī)機(jī)身快速除冰的需要。

(2) 采用蒸汽射流除冰，除冰完成后采用高溫?zé)犸L(fēng)對(duì)機(jī)身表面進(jìn)行處理，可防止機(jī)身二次結(jié)冰。

(3) 采用本文蒸汽射流噴嘴的優(yōu)化排布方法，使噴嘴均布排列，可減少飛機(jī)機(jī)身除冰的蒸汽使用量，降低能源消耗，節(jié)約成本。