基于Fluent的蒸汽噴射器結構研究與優化

王立慧，許玉謀，馮 靜

(1.中船重工海博威(江蘇)科技有限公司，揚州 225000;2.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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基于Fluent的蒸汽噴射器結構研究與優化

王立慧1，許玉謀1，馮 靜2

(1.中船重工海博威(江蘇)科技有限公司，揚州 225000;2.中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

設計了一種用于加熱黏稠類物料的蒸汽噴射裝置，基于計算流體力學軟件Fluent數值模擬方法對不同結構蒸汽噴射裝置的速度場、溫度場和壓力場分布情況進行研究。結果表明，螺旋導柱截面寬度占據混合區域寬度約40%左右時，對蒸汽流的分散作用最佳，速度情況和出口溫度分布情況較為理想；螺旋導柱截面形狀為正方形時其壓力和溫度有最優解，為菱形時其湍動能分布有最優解。研究結果為改進蒸汽噴射器結構和提升噴射器的工作效率提供了必要的理論依據。

蒸汽噴射器；螺旋導柱；數值模擬

0 引 言

在各個行業中，往往需要對不同黏度的物料進行加熱以達到排放和使用要求。對于諸如潤滑油、工業液體廢料等具有相當黏度的液體來說，由于具有一定黏度，其流動性往往較差，加熱不易使物料溫度得到均勻提升。

對于濃漿類物料的加熱來說，常規換熱器裝置很難達到均勻的加熱效果，物料的流動性較差，在設備內部容易出現物料堆積的情況，這就導致物料局部達到所需溫度時其余部分物料已經被過度加熱，使得物料成分發生大幅度變化[1]。本文圍繞美國Pick公司的蒸汽噴射器進行重新設計，并在原有螺旋導柱結構、螺旋導柱位置和蒸汽噴射孔研究的基礎上，對蒸汽噴射器內螺旋導柱尺寸及蒸汽噴射器螺旋截面形狀進行研究，探究其內部結構的合理性。

1 蒸汽噴射器特點與應用

該型蒸汽噴射器結構如圖1所示，其工作原理如下：經過處理的蒸汽從噴射器頂部進入，與右側進入的經過預熱后的高黏度物料在噴射器內部高度混合，伴隨蒸汽噴射器內部的結構變化，物料和蒸汽在噴射器內部進行高度接觸融合。由于蒸汽比同溫度的水攜帶更多的熱能，高溫高壓的蒸汽遇到較低溫度的物料會在其表面冷凝，釋放潛熱，進而有效快速地提高物料表面溫度。在噴射器內部設計有一個能夠進行獨立伸縮的彈簧，彈簧可根據對出口溫度的檢測來調整伸縮長度，進而增減蒸汽噴射孔與物料的接觸范圍。

圖1 蒸汽噴射器裝置結構圖(單位：mm)

由于蒸汽在與物料進行熱交換過程中會釋放大量熱量，在瞬間轉化為冷凝水，其體積與蒸汽相比會減小約1 000倍，蒸汽在冷凝過程中就會形成短暫的真空狀態，導致物料會透過注汽管柱上的小孔倒吸到這個真空的空間，這就在噴射器的內部形成“水錘”現象。此時，獨立運動的彈簧就可上升以打破這一真空狀態，從而消除“水錘”現象，降低設備噪聲，并提高設備運行平穩性。在蒸汽噴射器內部與注汽管柱之間，有專門設計的三螺旋結構，該結構對物料和蒸汽的交互可以起到有效的“混合”作用，同時可以防止高黏稠物料的結塊和粘壁現象，從而防止設備堵塞，使得整個系統運行能夠順利實現。蒸汽噴射器三維圖如圖2所示。

圖2 蒸汽噴射器三維圖

蒸汽噴射器應用于黏稠物料的加熱是一種具有高度創新的加熱方法，可以解決傳統加熱裝置不能解決的高黏稠物料的加熱問題[2]。在食品行業，蒸汽噴射設備能夠有效地應用于諸如大豆濃漿、五谷濃漿、濃縮果汁、巧克力醬等食品類濃漿物料的蒸煮殺菌。在機械行業，蒸汽噴射設備對于工業類潤滑油、黏稠潤滑脂可以起到有效的加熱效果。在化工行業，蒸汽噴射設備可對黏稠廢液進行加熱處理以便滿足后續利用，可見該設備的應用具有較好的市場前景。蒸汽噴射器各零件實物圖如圖3所示，可見噴射器整體易于組裝，檢修方便，部件更換較易，使得其能夠被廣泛應用在許多領域。作者著重從流場角度研究噴射器內部關鍵結構的設計對其內部性能的影響。

圖3 蒸汽噴射器各零件實物圖

2 蒸汽噴射器模型的建立

計算流體動力學是通過計算機對設備模型設置的初始參數進行模擬和圖像顯示的方法，該方法可以用于包含流體傳熱和流動等相關物理現象的系統分析和研究。

2.1 幾何模型

本文以裝配三螺旋結構的蒸汽噴射器為研究對象，通過改變其關鍵部件的結構，對混合腔內溫度場、速度場和壓力場等分布進行對比分析。

為便于研究，將噴射器內噴射孔等效為直徑4 mm、高2 mm的原型凸臺，10行排列，行距為15 mm，周向均布8列，螺旋導柱截面為正方形，寬度暫定為5 mm，將物料實際流過的區域等效為實體。圖4給出了一種螺旋導柱居于混合區域中間的簡化幾何模型。

圖4 蒸汽噴射器簡化幾何模型圖

2.2 網格劃分

考慮到網格數量對計算機性能的影響，對簡化后的噴射器結構選用分區劃分網格的方式，對規則的流域采用較大的網格步長，對流域較復雜的采用較小的網格步長。本文采用GAMBIT對簡化后的模型進行網格劃分。為避免網格劃分不合理與實際有較大誤差，將噴射孔和流道的步長分別設定為1.0 mm和3.0 mm，此網格劃分同步增大或者減小對計算結果影響的誤差比例在1%～2%之間，因此所選網格步長符合要求。

2.3 數學模型

數學模型的建立基于以下簡化和假設：

工作流體設定為理想的牛頓流體，在流動過程中，物料自身不發生相變，在流動過程中處于穩定流動狀態，整個過程中忽略流動時由于黏性耗散所產生的熱效應耗損以及密度差異引起的浮升力和重力的影響。

由于本文中涉及的是高溫蒸汽和低溫物料的熱交換，蒸汽會釋放潛熱，由于蒸汽和物料處于動態流動過程，因此認為二者的互動較為頻繁，蒸汽所釋放的潛熱對進入的物料來說是均勻的，其對出口溫度均勻性的影響可以忽略，且本文對出口溫度的具體數值不做具體討論。

本文研究涉及到流動問題和溫度分布問題，所以系統的控制方程主要是連續方程和能量方程、動量方程以及相關的湍流附加控制方程[3-4]。為了節省計算機資源，本研究對動量方程做時均化處理，且采用有限體積法對蒸汽噴射器進行兩相流模擬，應用歐拉兩相流，其控制方程如式(1)～(5)所示。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

式中：ρ為流體密度，單位為kg/m3；t為時間，單位為s；Cs為比定壓熱容，單位為J/(kg·K)；Cp為比熱容，單位為kJ/(kg·℃)；T為溫度，單位為℃；K為流體的傳熱系數，單位為W/(m2·K)；x、y、z代表坐標方向；μ、v和w分別為x，y和z方向的速度分量，單位為m/s；ST為流體的內熱源及由于黏性作用于流體機械能轉換為熱能的部分，即為黏性耗散項。

湍流模型的標準K-ε方程為：

(4)

(5)

2.4 邊界條件

蒸汽噴射器右側設定為物料入口，假設入口流量速度均勻且忽略重力場的影響，為了便于研究，將入口流體介質設為水，溫度為293K，入口流速設定為1.5m/s。 蒸汽噴射孔設置為蒸汽入口，假設入口流速均勻，流體介質采用飽和蒸汽，忽略重力場影響，速度設為50m/s，溫度為423K。蒸汽噴射器所有壁面設定為無滑移速度邊界條件，管壁為初始溫度293K。在歐拉兩相流的體積分數設置中，蒸汽流入口的體積分數設為1，液相設為0，物料流入口的體積分數設為1，氣相體積分數設為0。文中涉及的流體不可壓，因此采用基于壓力求解器、3D空間、單精度、定常流動、絕對速度，計算過程打開能量方程，選擇標準K-ε模型，采用標準壁面函數，其他保持默認設置。控制過程采用一階迎風格式，質量能量方程計算殘差標準均控制在10-6數量級，其余設為10-4數量級，計算過程直到殘差變化收斂為止[6-7]。

3 計算結果與分析

通過Fluent仿真模擬結果，對不同蒸汽噴射器內部的速度場、壓力場等進行分析對比，明確不同結構對噴射器內部混合區域的影響，探究其結構的最優形式。

3.1 螺旋導柱尺寸對噴射器內部流場的影響

已有文獻表明，螺旋導柱結構對噴射器內部的速度、壓力和溫度場都有一定的影響，且螺旋導柱居于中間位置時混合區域分布情況最佳。本節針對螺旋導柱均處在中間位置但各個截面尺寸均不同的蒸汽噴射器進行模擬，探究螺旋導柱截面尺寸不同時噴射器內部流場的最優解[8]。

圖5給出了3種螺旋導柱截面依次減小的三維Pro/E建模圖，截面均為徑向垂直的正方形(由于螺旋視角導致圖中所示為扇形)，具體尺寸依次為11mm、7mm、3mm，通過不同的截面尺寸來探究截面大小對內部速度場和溫度場的影響[9]。

圖5 螺旋導柱寬度不同時出口截面建模圖

圖6和圖7給出了螺旋導柱尺寸分別為11mm、7mm、3mm的正方形時噴射器內部對稱截面溫度分布云圖和速度矢量圖。從圖6(a)中出口溫度分布情況可以很明顯地看出，當螺旋導柱截面過大時，對溫度影響較為明顯；在相鄰節距中間，物料溫度有較明顯的變化；在出口溫度云圖中，較大的螺旋導柱節距后方有明顯的低溫物料區，同時在噴射器上方有較明顯的“死區”存在。形成這種現象的原因是，較寬的螺旋結構對物料運動造成了一定的阻礙作用，使得蒸汽不能夠很好地圍繞螺旋結構分散運動形成很好的環流；蒸汽與物料的混合主要集中在相鄰節距中間，由于上方蒸汽溫度較高，下方較低，所以在相鄰節距中間，帶來了溫度逐漸降低的情況；同時蒸汽不能有效地進入噴射器的頂部，所以在上方有低溫區的存在。從圖7(a)的速度矢量圖可以看出，由于較大的螺旋導柱結構阻礙了物料的有效流動，在相鄰節距中間形成了較為明顯的速度環流，這種情況不利于物料的有效排出。

圖6 螺旋導柱截面寬度不同時溫度分布云圖

圖7 螺旋導柱截面寬度不同時速度矢量圖

當螺旋導柱截面尺寸有所減小時，溫度分布情況和速度分布情況均有明顯改善，從圖6(b)中可知，當截面為7mm時，溫度分布自上而下逐漸均勻，出口處溫度分布現象比圖6(a)有所改善。從圖7(b)中速度矢量圖的局部放大可看出，蒸汽流在遇到螺旋導柱結構時會分散開來，與未分散的蒸汽流在螺旋導柱節距之間形成有效的回流。由于螺旋導柱結構與混合區邊緣的寬度能夠使得物料有效通過，因此分散的蒸汽流圍繞螺旋導柱結構也能形成有效的回流。種種回流的疊加混合，使得蒸汽與物料的接觸更加充分，螺旋導柱兩側所剩余的空間足以使得物料順利通過，因此最終出口溫度的分布圖較為理想。

當截面尺寸再度減小為3mm時，從圖6(c)可以看出出口溫度的分布比截面為11mm時有所改善，但是不如截面為7mm時理想。因為截面為3mm時，出口溫度的邊緣區域與中心區域形成了明顯的兩級分布。從圖7(c)可看出，造成這種現象的原因是較小的螺旋導柱結構不能有效地分散蒸汽流，大部分的蒸汽流直接沖擊到混合區的邊緣，與物料混合后形成了反彈并集中在中心區域流下，所以出口邊緣區域的溫度與中間區域形成了一定的兩級分布。

通過以上的分析對比可知，螺旋導柱寬度居于混合區域中部時對流場影響最佳。但通過適當增加和減小螺旋導柱截面尺寸，發現螺旋導柱的寬度并不是越大越好，也不是越小越好。本節中螺旋導柱寬度為7mm，混合區域寬度為17mm，溫度和速度分布情況較為理想。當螺旋截面尺寸寬度占據混合區域寬度40%左右時，能夠對蒸汽流起到最好的分散作用，速度情況和出口處的溫度分布情況較為理想。

3.2 蒸汽噴射器螺旋導柱截面的優化分析

由之前的分析可知，螺旋導柱的節距和寬度對噴射器混合區域的流場分布都有一定影響，由于前面的模擬分析所使用的噴射器的截面形狀均為正方形，所以接下來通過改變螺旋導柱的截面形狀來進行類似的模擬，通過分析，尋求截面的變形對內部流場的影響。

為便于研究，另外設計了3種截面形狀，分別為倒三角形、正三角形和菱形，為與之前的正方形截面形狀進行對比，將其作為參考。圖8給出了4種截面形狀的三維建模圖。為保證其他因素對截面形狀變化帶來的影響，保持不同形狀的截面具有相同的截面積，且使用相同的節距，圖中加亮的部分為不同截面形狀的螺旋導柱在混合區域的顯示，保持其余參數和結構相同并通過Pro/E建模，在Gambit中劃分網格，在Fluent中模擬分析，得到4種情況下噴射器混合區域內部的各變量分布圖。

圖8 4種不同螺旋導柱截面三維建模圖

圖9 不同截面時噴射器在對稱截面的湍動能云圖

為了準確描述噴射器內部物料和蒸汽流動的相關情況，圖9給出了4種結構噴射器對稱截面的湍動能云圖。從圖中可看出，倒三角形截面出口處的湍動能不如其他3種情況的大，在出口邊緣位置的湍動能數值十分小；而正三角形截面的情況則有明顯的改善，其內部蒸汽流的湍動能基本都能夠很好地彌散到物料中去，湍動能低的區域面積十分少，同時出口截面處的湍動能分布是十分均勻的。造成這種現象的原因是倒三角形截面向下的面對蒸汽流造成了阻礙作用，蒸汽流中的湍動能被向下“內壓制”，靠近邊緣區域的位置不能有足夠的蒸汽流進入，因此呈現了出口所示的低湍動能區域。而正三角形情況改變的原因在于，蒸汽流遇到靠近噴射孔的截面時，被向上引導，因此靠近邊緣的區域也能夠到達，這就不會有倒三角那樣的不均勻情況。菱形截面的情況是4種情況中最好的，其內部對稱截面的湍動能分布較均勻，與正三角形的情況接近，但是其出口截面的湍動能數值則大于正三角形的情形。這是因為菱形的一個頂點正對噴射孔，蒸汽流剛好可以在菱形頂點處被分散開來，其在上下區域內均可以形成有效的流動，所以其沒有明顯的層級分布。由于混合得較充分，因此出口的湍動能數值也是最大的。正方形截面的情況則介于倒三角形和正三角形截面之間，由于沒有像倒三角形那樣對蒸汽形成明顯的“內壓制”，因此其出口湍動能只有極小部分存在于低湍動能區域，蒸汽被正方形截面阻礙之后，也能夠向上下分別運動，所以其內部的湍動能分布基本滿足完全利用噴射器內部結構的要求，由于沒有正三角形那樣明顯的引導作用，出口湍動能是低于正三角形截面的情形的[10]。

圖10 不同截面時物料入口對稱截面的湍動能云圖

為了更準確地觀察噴射器物料入口處的湍動能分布情況，圖10給出了4種情況下物料入口對稱截面的湍動能云圖。可以明顯地看出正三角形截面的湍動能情況具有最大數值，這是由于正三角形靠近噴射孔的截面對蒸汽的引導作用造成的。倒三角形截面和菱形截面在物料入口處的湍動能接近，正方形截面在入口處的湍動能數值最小。但是4種截面在混合區域的湍動能基本不存在大的“死區”現象，由于是入口截面，所以其分布情況主要說明了蒸汽和物料對入口區域的利用率。因此綜上來看，4種情況下噴射器內部湍動能的情況優劣程度依次是：菱形截面>正三角形截面>正方形截面>倒三角形截面。

以上分析了4種情況下噴射器內部湍動能的情況，由于噴射器主要是加熱設備，其出口溫度分布是參考的關鍵。接下來對噴射器出口處溫度的分布情況進行分析[11-12]。圖11是噴射器出口溫度分布云圖，可以看出，正三角形截面和倒三角形截面的溫度分布基本接近且均呈現一定程度的層級分布，靠近噴射孔的一側溫度高于邊緣區域，層級分布的邊界線均以三角形居于混合區域的頂點形成；與三角形截面類似，菱形截面的溫度分布也呈現了層級分布的現象，其分界線同樣是菱形居于混合區域中部的頂點。分析認為原因是三角形截面和菱形截面的形狀在混合區域內螺旋存在時，其靠近噴射孔一側有向下“擰”的趨勢，在這個區域內，螺旋結構會對物料和蒸汽造成下壓的趨勢。因此，這個范圍內的物料對吸收更多蒸汽的潛熱造成了出口溫度的層級分布，且此區域溫度高于外側溫度。相比較而言，正方形截面的出口溫度分布情況則有明顯的改善，其出口溫度高于其余3種情況，且沒有明顯的層級分布。

圖11 不同截面出口溫度云圖

圖12 不同截面時噴射器在對稱截面的壓力云圖

為了解不同截面螺旋導柱結構在工作過程中噴射器內部壓力分布情況，圖12給出了4種結構的對稱截面和出口的壓力分布云圖。可以看出，菱形截面的螺旋導柱結構壓強最大，整個混合區內部只在出口處局部形成了負壓，這種情況是不利于物料流動的。比較正三角形截面和倒三角形截面可知，二者的壓力分布基本接近，在混合區域內部，壓力呈現不同的層級分布，且接近出口端時其負壓面積較大，這2種情況下對物料的流動是有好處的。而正方形截面所呈現的壓力分布則是4種情況中最好的，其壓力呈現上下兩級分布，在噴射器內部基本都是負壓區域，濃漿物料的流動優勢最為明顯。綜合來看，4種情況的壓力分布優劣情況依次是：正方形截面>正三角形截面≈倒三角形截面>菱形截面。

4 結束語

針對用于加熱高黏稠物料的在線式蒸汽噴射裝置，使用Fluent數值模擬的方法對其內部流場進行了深入研究[13]，模擬結果直觀地顯示了噴射腔內物料與蒸汽的混合過程，得到了壓力、速度、湍動能和溫度場分布圖。通過對噴射器內部不同結構的分析比較，得到了以下結論：

通過比較3種不同截面尺寸的螺旋導柱結構，發現當螺旋截面尺寸寬度占據混合區域寬度約40%時，能夠對蒸汽流起到最好的分散作用，速度情況和出口處的溫度分布情況較為理想。通過改變螺旋導柱截面形狀，得到了4種截面壓力和溫度的最優解均是正方形截面，湍動能分布的最優解是菱形截面；而正三角形截面和倒三角形截面在溫度、壓力和湍動能等參數中都沒有表現出最優。

鑒于本文在進行分析時事先做了一部分簡化和假設，本研究的數值模擬結果能對設計工作起到一定框架性的指導作用。如果要發揮理論結果更大的應用價值，還需要在此基礎上進一步結合相關試驗，探究結構參數的變化對生產效率和能耗情況的影響。總結而言，本文的工作對噴射器結構的改進和優化提供了深入的參考。

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Research and Optimization of Steam Injector Structure Based on Fluent

WANG Li-hui1,XU Yu-mou1,FENG Jing2

(1.CSIC Hebowi (Jiangsu) Technology Development Co.Ltd.,Yangzhou 225000,China;2.The 723 Instiute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper designs a steam injection device to heat up the high viscosity material,studies the distribution status of velocity field,temperature field and pressure field of steam injection devices with different structures based on numerical simulation method calculating hydrodynamics software Fluent.The results show that the dispersion effect to steam flow is the best,the velocity field and outlet temperature distribution are relatively ideal when the width of spiral guide column section almost occupies 40% of the mixed zone width.The pressure and temperature distribution has the optimal solution when the section shape of spiral guide column is square,the turbulent kinetic energy distribution has the optimal solution when the section shape of spiral guide column is diamond.The results could provide necessary theoretical basis for improving the steam injector structure and raising the injector work efficiency.

steam injector；spiral guide column；numerical simulation

2016-06-30

TQ022

A

CN32-1413(2016)05-0106-07

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.027