熱水鍋爐復合水循環射流裝置工作性能的數值模擬研究

2014-03-11 08:08:00李壯男哈爾濱市直屬房產物業管理有限責任公司

經濟技術協作信息 2014年22期

李壯男/哈爾濱市直屬房產物業管理有限責任公司

李壯男/哈爾濱市直屬房產物業管理有限責任公司

針對鍋爐設計運行的實際需要，通過FLUENT軟件對熱水鍋爐復合水循環射流裝置的工作性能進行了數值模擬研究。結果表明：在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離，使射流裝置的噴射系數達到最大；在噴嘴到下降管入口距離保持采用最佳距離的前提下，射流裝置的噴射系數基本不受工作流體射流速度變化的影響；存在一下降管與噴嘴最佳截面比（約為8.65）使射流裝置的噴射系數達到最大；隨下降管折算阻力系數的增大，噴射系數的值不斷地減小。

熱水鍋爐；復合水循環；射流裝置；數值模擬

一、引言

熱水鍋爐是集中供熱系統中必不可少的核心設備。傳統的熱水鍋爐絕大多數采用的是自然循環的水循環方式，但這一方式產生的循環動力較小，鍋爐上升管內的水速遠遠達不到標準中安全水速的要求[1]。在鍋爐運行過程中容易產生局部過冷沸騰，進而導致管板開裂、水冷壁爆管等事故的發生[2]。

為了提高鍋爐循環水速，使之達到標準推薦的要求，人們采用回水引射技術，即利用噴射器原理在鍋爐下降管入口處加裝回水引射裝置[3-4]，構建了“熱水鍋爐復合水循環系統”。所謂“熱水鍋爐復合水循環系統”，如圖1所示，即在下降管入口加設噴嘴，給水經噴嘴以一定的流速噴入下降管，此股流體稱為工作流體；在工作流體的卷吸作用下，鍋筒內的一部分流體卷吸入下降管，稱為卷吸流體；兩者在下降管入口段混合后在回路中循環，稱為混合流體。此時回路中同時作用著兩種力，一是工作流體產生的強制循環動力，一是本身存在的自然循環動力，兩力方向一致，相互疊加，使循環動力增大、循環水速提高，故而稱為復合循環[5]。實踐證明，采用該技術可以大大提高上升管內的水速，使上升管內流速達到或超過最低安全水速的要求。

雖然近年來對“熱水鍋爐復合水循環系統”的研究已有了一些成果，但由于其問題本身的復雜性和測試上的困難，很多重要的規律還無法給出。即使通過數學推導給出相關計算公式，形式也往往及其復雜，使用起來很不方便。而作為目前計算流體動力學（CFD）領域應用最廣泛的軟件，FLUENT的基于有限容積法和非結構化網格的運算方式，使其在解決復雜流體運動問題上有著強大的能力，計算結果形象直觀，這無疑給解決這一問題帶來了一條新路。

2.計算模型的建立。本文采用3D格式對熱水鍋爐復合水循環射流裝置進行幾何模型建立和網格劃分。由于鍋筒空間相對于下降管和工作噴嘴尺寸為絕對大空間，因此，忽略鍋筒本身形狀給回水射流裝置工作帶來的影響，以大直徑的圓柱代替，下降管置于圓柱端面（為方便觀察，文中僅給出1/4表面網格，如圖2所示）。

本文選擇基于壓力（Pressure Based）的非耦合隱式（Implicit）3D求解器對計算模型進行求解；工作噴嘴入口選擇速度入口（Velocity-inlet）條件；鍋筒內自由水面選擇壓力入口（Pressure-inlet）條件；下降管出口截面選擇壓力出口（Pressure-outlet）條件；各壁面選擇默認的壁面（Wall）條件，保持無滑移（No slip）的固定壁面（Stationary wall）條件。

在數值模擬過程中，系統始終保持質量和動量守恒，其中：

質量守恒方程：

其中，表示氣相、液相或顆粒相，為氣體、液體或顆粒的濃度，為氣體、液體或顆粒的速度矢量，為氣體、液體或顆粒的密度，為時間[6]。

動量守恒方程：

其中，為流體粘度，對湍流流動，可按雙方程模型確定[6]。

本文選擇雙方程模型中的可實現模型對熱水鍋爐射流裝置的工作情況進行模擬，其湍流動能和湍流耗散率的輸運方程分別為：

方程：

G 其中：--由于黏度產生的湍流動能；

Gb--由于浮力產生的湍流動能；

Y--可壓縮流動時由脈動擴張引起的湍流耗散；

Sk、 S?--用戶自定義源項；

1、C 、 C2、??、?k--常數[7]。

常規熱水鍋爐給/回水溫度區間內水的密度變化很小，故忽略溫度變化對流體流動的影響；常規的熱水鍋爐鍋筒內壓力在0.7MPa-1.25MPa之間，選擇1.0MPa作為工作環境（Operating Conditions）壓力；不考慮重力（Gravity）對射流裝置工作狀況的影響。

三、.射流裝置結構及運行參數對其工作性能的影響

1.射流裝置工作原理分析。由于鍋筒空間相對于射流裝置噴嘴為一大空間，因此噴嘴射流在進入下降管之前可以看作是自由射流。根據自由射流的性質，當射流速度比較高時，流動成湍流狀態，流體分裂為無數微團，除了向前運動外，還向四周作不規則運動，形成湍流脈動。因此，流體整體上除向前射流外，還作橫向脈動，使部分流體進入周圍介質，并帶動周圍介質隨它一起運動，周圍介質分子也同時向射流內部擴散，使射流的速度降低，最終在宏觀上形成“引射效應”。本文在設定的結構尺寸下，利用Fluent軟件計算得到的射流裝置工作時的流場如圖3所示：

3.2 射流裝置噴嘴到下降管入口最佳距離的確定

噴射系數u是衡量射流裝置工作性能的標志性參數，其定義為卷吸流體流量與工作流體流量之比：

研究表明：噴射系數u的值受射流裝置噴嘴到下降管入口距離的影響很大[8]。通過對不同噴嘴到下降管入口距離條件下的模擬計算，本文得到了噴嘴到下降管入口距離對噴射系數的影響規律（見圖4）：在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離（以下簡稱最佳距離）使射流裝置噴射系數達到最大。

從射流裝置的工作原理分析可知，在截面比一定的條件下，當噴嘴自由射流在下降管入口處截面與下降管入口截面重合時，工作流體的卷吸作用將得到最充分利用，此時對應的噴嘴到下降管入口距離即為二者間最佳距離；當二者間距離偏大時，自由射流在下降管入口處截面大于下降管入口截面，一部分射流將無法順利進入下降管，造成引射水量下降，噴射系數降低；而當二者間距離偏小時，自由射流在下降管入口處截面小于下降管入口截面，受下降管入口處幾何結構的影響，工作流體的卷吸作用無法得到充分利用，同樣會導致引射水量下降，噴射系數降低。

由于噴嘴的射流為圓管自由射流，射流的外邊界線可認為是一條直線，故可根據圖4得到噴嘴到下降管入口最佳距離的計算公式如下：

d--噴嘴內徑；m --下降管與噴嘴截面比。

3.射流速度對射流裝置工作性能的影響。在噴嘴到下降管入口距離采用最佳距離的前提下，在射流速度=3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s、13m/s六種不同工作條件下，針對射流速度對射流裝置工作性能的影響進行了研究。

結果表明，在截面比一定的條件下，射流裝置噴射系數基本不受工作流體射流速度變化的影響。也就是說，雖然隨著噴嘴射流速度的變化，工作流體流量、卷吸流體流量都會隨之變化，但單位工作流體能卷吸的流體量幾乎保持不變，即卷吸流體流量與工作流體射流速度成正比。

出現這一現象的主要原因是：根據粘性流體湍流流動特性，存在一衡量流體流動狀態的無因次數，即雷諾數：

其中：w

--流體速度，m/s；d --管道直徑，m； --流體運動黏度，m2/s。

當小于某一值（第一臨界速度）時，流動處于層流狀態，流體流動處于第一自?；瘏^，流動皆彼此相似；當大于第一臨界速度時，流動處于湍流狀態，而且越大，湍流程度也越大，但當大到一定值以后，流體湍流程度將不再改變，此值稱為雷諾數第二臨界值；當大于第二臨界速度時，流體流動處于第二自?；瘏^，流動皆彼此相似[9]。在本文中各工況條件下，明顯已大于第二臨界值，流體流動已經入第二自?；瘏^，流體的流動狀態及流速分布已基本不變，單位流體能卷吸的流體量也基本相同。

4.下降管與射流噴嘴截面比對射流裝置工作性能的影響。

由于射流裝置噴射系數基本不受工作流體射流速度變化的影響，因此本文以采用固定的工作流體流量為前提，研究下降管與噴嘴截面比對噴射系數的影響。

從圖6中可以看出，隨著下降管與噴嘴截面比的不斷增大，射流裝置的噴射系數先增大后減小，即存在一最佳截面比（約為8.65）使射流裝置噴射系數達到最大。之所以出現這一現象是因為，雖然隨著截面比的不斷增大，工作流體射流速度和卷吸能力增大，但是與此同時，對應的噴嘴到下降管入口最佳距離也增大，在噴嘴到下降管入口距離保持采用最佳距離的前提下，噴嘴和下降管間阻力也增大；當截面比較小時，對應的噴嘴到下降管入口距離較小，二者間阻力較小，射流卷吸能力的增加占主導，因此噴射系數隨截面比的增大而增大；而當截面比較大時，對應的噴嘴到下降管入口距離也較大，二者間阻力影響成為主導因素，導致噴射系數隨截面比的增大而減小。

5.下降管阻力系數對射流裝置工作性能的影響。

本文中的下降管阻力系數指的是下降管折算阻力系數，是將循環回路各部分的阻力系數都折算為下降管的阻力系數，實際為全回路總阻力系數，可用下式計算：

其中：?0x--下降管折算阻力系數；?s--下降管總阻力系數；?x--上升管總阻力系數；? --下降管與上升管截面比。

據此，在保持固定的工作流體流量的條件下，得到下降管折算阻力系數與噴射系數的關系，見圖7。從圖中可以看出，隨著下降管折算阻力系數的增大，整個循環回路的阻力變大，射流裝置噴射系數不斷地減小。其中，當下降管折算阻力系數的值較小時，其變化對噴射系數的影響更為顯著，噴射系數隨下降管折算阻力系數的增大而快速下降；在此之后，下降趨勢逐步放緩；而當下降管折算阻力系數達到某一較大值后，噴射系數值變得很小，下降管折算阻力系數的增大對噴射系數值的影響也變得很小，說明該情況下，由于整個循環回路的阻力很大，射流裝置已無法有效的實現引射。