旋流式噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

浦承皓， 丁志偉， 沈遠(yuǎn)嫻， 施 棟

(1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082； 2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200233)

符號(hào)說明：

ρ——密度，kg/m3

U——切向速度，m/s

u——速度，m/s

φ——體積分?jǐn)?shù)

α——噴霧角，(°)

μ——?jiǎng)恿︷ざ?Pa·s

p——壓力，Pa

x、y、z——坐標(biāo)

V——軸向速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

Δp——壓差，kPa

qm——質(zhì)量流量，kg/s

W——徑向速度，m/s

t——時(shí)間，s

下標(biāo)

1、2——液相、氣相

核電廠的穩(wěn)壓器噴淋、化工設(shè)備中的噴霧干燥、農(nóng)業(yè)灌溉和燃油噴嘴等場(chǎng)合中多采用壓力旋流式噴嘴來提供霧化流體。工程中一般采用模擬件試制并開展噴淋試驗(yàn)驗(yàn)證的方式來設(shè)計(jì)旋流式噴嘴，設(shè)計(jì)迭代流程復(fù)雜且成本較高。采用數(shù)值模擬方法可系統(tǒng)分析噴嘴內(nèi)流場(chǎng)各特性參數(shù)及變化規(guī)律，研究噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)霧化性能的影響，從而指導(dǎo)噴嘴的設(shè)計(jì)和使用。陳錦琛等[1]采用體積分?jǐn)?shù)(VOF)方法和雷諾應(yīng)力湍流模型(RSM)，研究了高壓力情況下壓力旋流式霧化噴嘴的霧化流場(chǎng)特性，結(jié)果表明數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。陳炳等[2]通過VOF方法對(duì)噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行三維全尺寸數(shù)值模擬，研究了噴嘴穩(wěn)定噴霧時(shí)內(nèi)流場(chǎng)徑向分布特性及軸向變化規(guī)律，分析了噴嘴內(nèi)部形成空氣渦的噴口旋流條件。于浩洋等[3]通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值計(jì)算結(jié)合的方式對(duì)噴嘴的霧化特性進(jìn)行了研究，測(cè)試了不同壓差和霧化空氣壓力下噴嘴的霧化顆粒度與噴霧角。周昊等[4]利用流量分布測(cè)試系統(tǒng)對(duì)大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究，分析了螺旋噴嘴的尺寸參數(shù)對(duì)其流量分布特性的影響。

核電廠的穩(wěn)壓器噴嘴在一回路超壓時(shí)，在壓差驅(qū)動(dòng)下向穩(wěn)壓器內(nèi)噴淋霧化后的冷卻水，達(dá)到控制核電廠一回路壓力和溫度的目的。傳統(tǒng)核電廠穩(wěn)壓器噴嘴設(shè)計(jì)時(shí)一般僅考慮流量壓差特性，但是在非能動(dòng)壓水堆核電廠中，因非能動(dòng)設(shè)計(jì)理念要求在低壓差運(yùn)行工況下需實(shí)現(xiàn)大流量噴霧，并且應(yīng)盡可能優(yōu)化噴霧特性，提高噴淋冷卻效率和穩(wěn)壓器壓力控制響應(yīng)速度。因此，噴霧分布均勻、噴霧角適中、霧化顆粒度好等高階噴霧特性成為非能動(dòng)核電廠穩(wěn)壓器噴嘴設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)。筆者通過數(shù)值仿真對(duì)某非能動(dòng)核電廠的穩(wěn)壓器噴嘴開展優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，分析噴嘴旋水芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧特性的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核電廠穩(wěn)壓器噴嘴結(jié)構(gòu)見圖1，冷卻水由旋水芯進(jìn)入旋流室，在旋流室內(nèi)混合，最后經(jīng)出口噴出形成霧化。筆者結(jié)合非能動(dòng)核電廠的需求，對(duì)穩(wěn)壓器噴嘴進(jìn)行精細(xì)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬設(shè)計(jì)的某核電廠穩(wěn)壓器壓力旋流式噴嘴性能參數(shù)要求見表1。噴嘴需要在額定壓差下，將冷卻水以表1中的噴霧角和流量均勻地噴入穩(wěn)壓器汽腔中。

表1 擬設(shè)計(jì)的旋流式噴嘴參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 氣液兩相流動(dòng)模型

噴嘴內(nèi)流動(dòng)采用VOF方法進(jìn)行模擬，假定氣液兩相之間不存在化學(xué)反應(yīng)和物理相變。

連續(xù)性方程為：

?ρ/?t+?(ρui)/?xi=0

(1)

動(dòng)量方程為：

(2)

體積分?jǐn)?shù)方程為：

?φ/?t+ui?φ/?xi=0

(3)

密度為：

ρ=φρ1+(1-φ)ρ2

(4)

速度為：

ui=φui1+(1-φ)ui2

(5)

流體體積分?jǐn)?shù)φ處于0～1內(nèi)。

2.1.2 網(wǎng)格模型及求解設(shè)置

將計(jì)算域分成出口直斷、渦流室、旋水直斷和旋水芯等區(qū)域，根據(jù)不同尺寸與流域特點(diǎn)分區(qū)塊劃分建立混合網(wǎng)格。以表2中2號(hào)噴嘴的結(jié)構(gòu)為例，計(jì)算域網(wǎng)格平均尺寸為2 mm，網(wǎng)格數(shù)為813 890，節(jié)點(diǎn)數(shù)為562 254，具體見圖2。噴嘴進(jìn)口定義為壓力進(jìn)口，出口為壓力出口，出口處設(shè)置空氣出口回流，壁面條件為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面，求解器設(shè)置離散格式為二階迎風(fēng)格式。

表2 旋水芯仿真模型的設(shè)置

(a) 結(jié)構(gòu)模型

2.2 噴嘴仿真模型的設(shè)置

旋水芯是噴嘴最重要的結(jié)構(gòu)件，其螺旋槽數(shù)目(以下簡(jiǎn)稱槽數(shù))n、槽深h、槽寬b、螺旋升角β和導(dǎo)程對(duì)噴霧性能有決定性的影響。噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵即是旋水芯結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，為分析旋水芯結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧性能的最終影響并開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別取不同的旋水芯關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真研究。

在噴嘴設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上對(duì)滿足表1要求的噴嘴進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)10組模擬計(jì)算的結(jié)構(gòu)參數(shù)(見表2)。圍繞旋水芯結(jié)構(gòu)參數(shù)(槽數(shù)、槽深、螺旋升角)的變化，形成4個(gè)對(duì)照組的研究：槽數(shù)(1號(hào)和2號(hào))，槽深(2號(hào)～7號(hào))，螺旋升角(2號(hào)、8號(hào)和9號(hào))，其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化(2號(hào)和10號(hào))。其中2號(hào)噴嘴與10號(hào)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，區(qū)別在于10號(hào)噴嘴在旋水芯中部增加了補(bǔ)流孔。

3 噴嘴內(nèi)流場(chǎng)特性

3.1 流動(dòng)特點(diǎn)和壓力場(chǎng)特性

以2號(hào)噴嘴計(jì)算結(jié)果為例，流場(chǎng)跡線和中軸面壓力云圖見圖3。內(nèi)流場(chǎng)呈軸對(duì)稱形態(tài)，流體流動(dòng)軌跡近似為螺旋線，流體進(jìn)入旋流室后，在上部進(jìn)行螺旋混合，在下部形成穩(wěn)定漩渦。壓力沿半徑方向由壁面向中心處依次遞減，在旋流中間部位存在似固體旋流區(qū)和準(zhǔn)勢(shì)流區(qū)過渡段，旋轉(zhuǎn)流體在此區(qū)域產(chǎn)生低壓。由于中心區(qū)域的壓力很低，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)背壓，造成外界空氣由噴口壓入噴嘴內(nèi)部的情況，從而在中心區(qū)域內(nèi)形成貫穿整個(gè)旋流腔或出口局部部分的空氣柱。當(dāng)中心產(chǎn)生空氣柱時(shí)，噴霧區(qū)域中間的液滴分布較少，分布均勻性能較差，甚至產(chǎn)生空心錐形噴霧。

3.2 速度場(chǎng)特性

2號(hào)出口截面速度云圖見圖4，出口截面的速度分布見圖5，其中Y方向?yàn)檩S向，X和Z方向?yàn)槌隹诮孛嫣幋怪庇赮方向的切向和徑向。在出口截面處，總速度分布為中間小、兩邊大的“凹”字形態(tài)。噴嘴出口處中間段(r=0～10 mm，r為出口半徑)，平均速度約為7.8 m/s，在出口兩側(cè)(液膜噴出處，r=>10～21 mm)，速度與出口半徑成正比增加，平均速度約為9.5 m/s。中間速度分量保證了實(shí)心噴霧的形態(tài)，同時(shí)噴霧分布量在中間偏少。

圖5 2號(hào)噴嘴出口截面速度分布

根據(jù)出口截面速度矢量的各速度分量，利用式(6)可計(jì)算噴嘴出口截面上各點(diǎn)處的流體噴出角度，即噴霧角。其中液膜厚度中心處的噴霧角與噴嘴實(shí)際噴霧角最為接近，可以定義為平均噴霧角。

(6)

2號(hào)噴嘴出口截面處的噴霧角分布見圖6。在出口壁面處噴霧角為82°。

圖6 2號(hào)噴嘴出口截面處的噴霧角分布

4 噴霧性能優(yōu)化分析

4.1 槽數(shù)的影響

在旋水芯其他尺寸不變時(shí)，取槽數(shù)分別為兩槽(1號(hào))和四槽(2號(hào))的噴嘴進(jìn)行計(jì)算。在額定壓差40.8 kPa下，兩槽噴嘴的質(zhì)量流量為5.65 kg/s，四槽噴嘴的質(zhì)量流量為9.91 kg/s。兩槽和四槽噴嘴出口截面處的噴霧角分布見圖7。同等壓差工況下，兩槽噴嘴的噴霧角比四槽噴嘴小。但是在出口截面中心區(qū)域，兩槽噴嘴的噴霧角比四槽噴嘴大，兩槽結(jié)構(gòu)的噴霧分布均勻性更好。因此，增加槽數(shù)可以在有效增加流量的同時(shí)增加噴霧角，但是會(huì)降低噴霧分布均勻性。

圖7 1號(hào)和2號(hào)噴嘴出口截面處的的噴霧角分布

4.2 槽深的影響

4.2.1 槽深對(duì)噴霧形態(tài)的影響

在旋水芯其他尺寸不變時(shí)，取槽深h分別為20 mm(3號(hào))、25 mm(4號(hào))、30 mm(5號(hào))、35 mm(6號(hào))、40 mm(7號(hào))和48 mm(2號(hào))分別開展計(jì)算。不同槽深噴嘴的中軸面空氣相和水相分布見圖8。

由圖8可見，部分噴嘴流場(chǎng)中存在空氣芯?？諝庑究梢苑殖?部分：在旋流腔內(nèi)部為圓柱狀，在噴嘴出口處呈鐘罩狀。槽深較小時(shí)(h=20 mm、25 mm、30 mm)，形成貫穿整個(gè)旋流室的空氣柱，在出口處呈鐘罩狀。隨著槽深增加(h=35 mm、40 mm)，因螺旋槽存在角度，徑向速度與切向速度相比不能忽略，流體在旋流室上端混合充分，中心壓力雖小，但并非貫穿整個(gè)旋流室，空氣回流只產(chǎn)生于噴嘴出口處，只在旋流室出口端形成鐘罩狀空氣柱。隨著槽深繼續(xù)增加(h=48 mm)，徑向速度引起液體在旋流室中完全混合，中心過渡區(qū)雖然壓力低，但為微正壓，空氣回流少，不形成空氣柱，噴霧流為實(shí)心扇形形態(tài)。

因此，槽深是影響噴嘴有效截面系數(shù)的最關(guān)鍵參數(shù)，直接導(dǎo)致旋流室內(nèi)部空氣柱的產(chǎn)生，決定噴霧流是否為實(shí)心扇形噴霧。增加槽深不僅可以有效增大湍流的程度，而且可以降低出口中心形成空氣回流的趨勢(shì)，使霧化形成實(shí)心錐體的效果。

4.2.2 槽深對(duì)噴嘴質(zhì)量流量的影響

在額定壓差40.8 kPa下，不同槽深噴嘴質(zhì)量流量變化見圖9。隨著槽深增加，噴嘴流阻減小，質(zhì)量流量將增加。特別是在槽深從30 mm增加到35 mm時(shí)，質(zhì)量流量增加幅度較大。

圖9 額定壓差40.8 kPa下不同槽深噴嘴的額定質(zhì)量流量

4.2.3 槽深對(duì)噴霧角的影響

不同槽深的噴嘴出口截面處的噴霧角分布見圖10。當(dāng)槽深小于35 mm時(shí)，出口截面空氣柱半徑約為6～10 mm，此處區(qū)域的噴霧角為0°；當(dāng)槽深大于40 mm時(shí)，旋流混合充分使中心處有噴霧量分布，噴霧角由中心處的5°隨半徑遞增至壁面處的80°。隨著槽深減小，噴霧角減小。當(dāng)槽深增加至實(shí)現(xiàn)實(shí)心圓錐噴霧時(shí)，平均噴霧角約為70°；當(dāng)槽深較小，只產(chǎn)生空心圓錐噴霧時(shí)，平均噴霧角約為50°。

圖10 不同槽深噴嘴出口截面處的噴霧角分布

4.3 螺旋升角的影響

保持旋水芯其他尺寸不變時(shí)，選取導(dǎo)程分別為180 mm(8號(hào))、240 mm(2號(hào))和300 mm(9號(hào))的旋水芯(即螺旋升角分別為42.7°、50.9°和57°)進(jìn)行研究。圖11為3種螺旋升角噴嘴出口截面處的速度分布圖。適當(dāng)增大螺旋升角，可以提高出口速度和流量，同時(shí)增加噴嘴中間的流量分布。但是過大的螺旋升角會(huì)減小旋流程度，導(dǎo)致噴霧顆粒度偏大。隨著螺旋升角減小，流道變長導(dǎo)致流阻增大，從而導(dǎo)致流量減小。

圖11 不同螺旋升角的噴嘴出口截面速度分布

4.4 其他結(jié)構(gòu)改進(jìn)的影響

1號(hào)～9號(hào)噴嘴計(jì)算結(jié)果表明，受制于旋流式噴嘴的特性，噴嘴出口截面中間噴霧量偏小，為實(shí)現(xiàn)表1中要求的實(shí)心扇形噴霧形態(tài)且使噴霧量分布均勻，需增加噴嘴中心處的流量分布。因此對(duì)旋水芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改進(jìn)，在旋水芯中心處增加直徑4 mm的補(bǔ)流孔(10號(hào))。10號(hào)噴嘴出口截面的速度和噴霧角分布分別見圖12和圖13。

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后10號(hào)噴嘴出口截面速度分布

圖13 2號(hào)與10號(hào)噴嘴出口截面處的噴霧角分布對(duì)比

通過在旋水芯中間增加中孔補(bǔ)充垂直流道，噴嘴出口截面中心處的軸向流量得到很好的補(bǔ)充，速度分布變得更加均勻，顯著提高了噴霧分布均勻性。對(duì)比10號(hào)與2號(hào)噴嘴出口截面處的噴霧角分布，可以發(fā)現(xiàn)增加中孔會(huì)減輕旋流室的旋流強(qiáng)度，從而減小噴霧角，特別是中心處的噴霧角接近于0°(流體垂直出口噴出)。同時(shí)，在增加中孔后，由于補(bǔ)充流道的作用，在額定壓差(40.8 kPa)下，噴嘴質(zhì)量流量由9.91 kg/s增加到10.12 kg/s。

5 噴霧試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過10種旋水芯結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真對(duì)比，最終結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的10號(hào)噴嘴最能滿足表1要求的噴霧特性。對(duì)10號(hào)噴嘴進(jìn)行冷態(tài)噴霧性能試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與CFD結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。不同工作壓力下的噴嘴流量特性曲線見圖14。

圖14 10號(hào)噴嘴流量特性曲線

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，數(shù)值仿真計(jì)算的噴嘴流量特性曲線與試驗(yàn)結(jié)果接近。通過仿真和試驗(yàn)可以擬合得到流量-壓差關(guān)系，仿真和試驗(yàn)結(jié)果均近似滿足通過伯努利方程推導(dǎo)得到的流量壓差特性，即壓差與流量呈平方比例關(guān)系。

數(shù)值仿真值：

qm=1.593 5×Δp0.498 0

(7)

噴霧試驗(yàn)值：

qm=1.715 7×Δp0.499 8

(8)

通過試驗(yàn)測(cè)得額定壓差下噴嘴的噴霧角見圖15。經(jīng)測(cè)量，出口處的噴霧角約為80°。而圖13中的數(shù)值仿真結(jié)果顯示，10號(hào)噴嘴在出口處的噴霧角為78°，二者吻合度高。

(a) 右側(cè)

6 結(jié) 論

(1) 適當(dāng)增加槽數(shù)，可以在有效增加噴嘴流量的同時(shí)增加噴霧角，但是會(huì)降低噴霧分布均勻性。

(2) 槽深是決定噴嘴內(nèi)空氣柱大小的關(guān)鍵因素，決定了最終是否能夠產(chǎn)生實(shí)心錐形噴霧。同時(shí)，增加槽深可以有效增加流量和噴霧角。

(3) 適量增大螺旋升角，可以在不影響噴霧角的情況下提高流量和分布均勻性。

(4) 在旋水芯中部增設(shè)軸向孔等補(bǔ)流結(jié)構(gòu)，可對(duì)噴霧量和分布均勻性的不足進(jìn)行針對(duì)性的改善。

(5) 旋流式噴嘴的流量壓差特性滿足伯努利方程，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近。

(6) 本文所述方法為研究噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)噴霧特性的影響提供了新的手段，可以有效節(jié)省噴嘴試制階段的設(shè)計(jì)迭代，對(duì)各種工業(yè)運(yùn)用的旋流式噴嘴設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。