一種船用壓差控制噴嘴的改進設計

喻俊峰，呂恒輝，謝軍龍

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;2.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074)

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一種船用壓差控制噴嘴的改進設計

喻俊峰1，呂恒輝2，謝軍龍2

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;2.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074)

為適應船舶的安裝環境，對文丘里噴嘴進行改進設計，簡化型線，縮短長度，利用CFD軟件進行仿真模擬，各工況下的流量和壓差數據初步驗證了設計的正確性，搭建試驗平臺，試驗結果表明，改進后噴嘴的各項指標能夠滿足壓差控制的技術要求。

噴嘴；設計；壓差；流量

應用噴嘴形成射流是目前船舶通風領域中常用做法。射流能在艙室內造成快速的空氣流動，帶來較好的換氣或冷卻效果，可有效改善船舶內部的艙室通風[1-2]。空氣流經噴嘴時，流束形成了局部收縮，使流速增加，靜壓力降低，在噴嘴前后形成了壓差。基于此原理，噴嘴也可用于壓差控制、流量測量等領域。當噴嘴形狀一定時，空氣的流速越大，在其前后產生的壓差也越大，可按節流原件前后壓差和通過的流量設計出特定型線的噴嘴，來滿足某些應用領域的實際需求。根據GB/T 2624.3—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量 第3部分：噴嘴和文丘里噴嘴》規定，噴嘴在管道內是圓形的，其輪廓型線由收縮部分和圓筒形喉部組成，軸向對稱。噴嘴的實際的形狀為型線繞著對應的坐標軸旋轉360°所得。文丘里噴嘴是一種廣泛應用的標準噴嘴，其基本型線見圖1，一般其喉部長度較長。在船舶領域，由于空間狹小，在滿足使用需求的前提下，希望設備尺寸盡可能小，特別是安裝在相鄰艙室的共用艙壁上用于控制2艙室間氣流的設備，因此需要根據實際用途設計特定型線的噴嘴。

1 型線設計

根據GB/T 2624.3—2006的規定，流經噴嘴的流體質量流量qm為

(1)

給定噴嘴的額定工況如Δp、qm時，根據式(1)計算出標準噴嘴的喉部直徑。某工程要求通過噴嘴的空氣體積流程在200～350m3/h，產生的靜壓力差控制在50～150Pa應用工況，計算得到d=88mm，D=132mm，噴嘴長度L>93mm。

工程應用中，為改善標準噴嘴喉部較長的問題，對噴嘴的型線進行改進，考慮到系統中噴嘴作為一種壓力損失元件存在，對出口氣流的平行度要求不大，同時為方便加工，將噴嘴的收縮段由2段圓弧改為1段圓弧，對噴嘴的型線作了如圖2的改進，在保證節流阻力情況下減小軸向長度。

改進后d=90 mm，D=120 mm。

噴嘴采用法蘭形式與外部連接，三維設計效果見圖3。

2 仿真模擬

針對所設計的噴嘴的結構和尺寸，結合計算流體力學CFD系統，對噴嘴的流場特點進行三維數值仿真驗證，求解過程見圖4。

噴嘴內流體流動模型屬于湍流模型。湍流是一種高度復雜的三維非穩態、帶旋轉的不規則流動。在湍流工程計算中，k-ζ模型應用最為廣泛。本設計選取k-ζ模型作為湍流模型。

在模擬時，為保證噴嘴內部流動的穩定，在噴嘴進出口分別增加引流和排流段。同時為了確保引流段進口的壓力接近靜壓，將引流段進口處的速度設為0.3 m/s，由流動的連續性方程可得引流段進口直徑為532 mm，將引流段軸向長度設為300 mm；考慮到射流流動區域和尾流長度，將排流段的出口直徑設為532 mm，排流段的軸向長度設為1 200 mm。其模擬的計算區域的軸向結構見圖5。

在fluent中將引流段的進口設為速度進口，排流段的出口設為壓力出口，選用k-ζ模型進行數值模擬，模擬結果見表1。

由表1可見，當改進后噴嘴的直徑d一定，模擬所得到的噴嘴在不同流量值下的壓差與文丘里噴嘴計算所得到的壓差值是非常接近的，在誤差允許的范圍內，說明模擬的計算區域與計算方法選擇的正確性。圖6為模擬所得的工況1，工況2和工況6的軸向截面速度分布。由圖6可見，氣流通過噴嘴時在出口處形成了明顯的射流。

表1 噴嘴壓差流量模擬數據值

3 試驗驗證

為了驗證噴嘴的設計，搭建的試驗平臺，原理見圖7。在風機的進風口前連接一段風管，利用風機將風管內的空氣抽出產生空氣流動，將噴嘴安裝于風管的入口端，用壓力計和流量計分別對風管內的壓力、流量進行測量。試驗時，用變頻器控制風機轉速，從而控制風管內的空氣流量。

試驗通過不同氣體流量大小分為13個工況點，分別記錄不同流量下的噴嘴前后靜壓力差，擬合記錄值對應得到圖8。

由圖8可見，隨著氣體流量的增加，噴嘴靜壓差逐漸增大，試驗結果滿足實際應用要求，與仿真計算的結果基本一致。擬合試驗工況點二次多項式曲線，擬合公式為

Δp=0.001 14q2V-0.006 65qV+3.289 33

式中：Δp為壓差,Pa；qV為通過氣體流量，m3/h。

4 結論

為滿足船舶工程實際應用需要，對噴嘴進行適應性改進，能夠有效滿足特定工況下的技術指標要求。噴嘴結構上的縮短，較少了對安裝空間的需求，給設備布置帶來了便利，結構上的簡化，使加工更為容易。實際使用中，由于流量不便測量，可以根據壓力流量擬合公式，由壓力計算得到流量。根據噴嘴前后的壓差控制通過噴嘴的空氣流量，從而將噴嘴應用于控制流量控制領域。

[1] 劉亞琴，劉喜元.局部射流送風對船舶機艙通風系統的改進分析[J].船海工程,2016(2):20-23.

[2] 邵飛.空氣射流通風技術在艦船機艙通風系統中的應用[J].中國艦船研究,2007,2(4):47-50.

[3] 謝軍龍,等.亞間速射流實驗與流場模塊[J].工程熱物理學報，2013(8):1457-1461.

[4] 龐生敏，陳沛民.基于CFD的圓柱形噴嘴設計[J].機械制造與自動化.2011(1):41-42.

An Improvemental Design of the Marine Nozzle for Pressure Difference Control

YU Jun-feng1, LV Heng-hui2, XIE Jun-long2

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to adapting the ship's environment, the improvemental design of the Venturi nozzle was made by simplifying the line type and shortening the length. The CFD software was used to get the flow and pressure data in each working condition to verify the design. Experiments were carried out by a test platform, showing that the new improved nozzle's indicators meet the requirements of pressure difference control.

nozzle; design; pressure difference; flow

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.037

2017-03-07

國家部委基金資助項目

喻俊峰(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶輔助系統

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0153-03

修回日期：2017-03-27