基于ASNSYS的水冷風(fēng)機(jī)單噴頭霧化冷卻數(shù)值模擬

譚興強(qiáng)，唐 聰，吳 毅

（1.攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院，四川攀枝花617000；2.西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610039）

0 前言

在目前運(yùn)用的工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)備中，主要使用電動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔。相比于自然通風(fēng)冷卻，其冷卻效率更高，因而廣泛應(yīng)用于循環(huán)水冷卻系統(tǒng)中。然而其在保證冷卻效率的同時(shí)，卻存在著能耗過高等問題。其運(yùn)行能耗約占水循環(huán)全部能耗的25%［1］，使得水的冷卻成本大大增加。

為實(shí)現(xiàn)低能耗或無能耗工業(yè)循環(huán)水的冷卻，王仁南［2］對(duì)煉油企業(yè)循環(huán)水冷卻塔進(jìn)行節(jié)能改造研究，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了利用循環(huán)水余壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的可行性。韓靜雷［3］對(duì)改造水冷風(fēng)機(jī)并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益的驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)利用循環(huán)余壓水驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)冷卻存在巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。鞠曉亮等［4］設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于冷卻塔中的水輪機(jī)水動(dòng)風(fēng)機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)在冷卻塔上利用水動(dòng)風(fēng)機(jī)代替普通電動(dòng)風(fēng)機(jī)具有良好的冷卻效果，并有較好的節(jié)能效果。李延頻等［5］基于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的構(gòu)成方式進(jìn)行研究，提出了水輪-風(fēng)機(jī)組余能利用、透平泵余能利用和小型或微型水輪發(fā)電裝置向外送電的余能利用3種余能利用方式。吳韻華等［6］用GLW型水輪機(jī)代替逆流填料冷卻塔風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，驗(yàn)證這種方式不僅可實(shí)現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)零電耗，還減少了二氧化碳排放，并用實(shí)踐證明了該技術(shù)的可行性。考慮到工業(yè)循環(huán)水在從出口水泵排出時(shí)常帶有0.15 Mpa～0.3 Map的余壓，這些余能常因直接排放到冷卻池而白白浪費(fèi)掉。因此設(shè)計(jì)一種噴霧推進(jìn)式水冷風(fēng)機(jī)，通過研究單個(gè)噴頭的霧化冷卻性能，驗(yàn)證其可行性。

1 水冷風(fēng)機(jī)工作原理

水冷風(fēng)機(jī)是通過循環(huán)水余壓推動(dòng)的自旋轉(zhuǎn)裝置。其原理是：將循環(huán)水系統(tǒng)出口水泵排出的帶有余壓的循環(huán)水引入水冷風(fēng)機(jī)，從噴水管上噴頭以液滴的形式噴出；余壓水噴出后產(chǎn)生反作用力驅(qū)動(dòng)水冷風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)形成一股向上的冷風(fēng)，冷風(fēng)與噴出的循環(huán)水進(jìn)行換熱，使空氣增熱增濕，從而快速帶走熱量，達(dá)到熱循環(huán)水降溫的效果。水冷風(fēng)機(jī)示意圖如圖1所示：

圖1 水冷風(fēng)機(jī)示意圖

液滴噴出過程中與空氣接觸面積較大，加之冷風(fēng)促進(jìn)作用，能加快循環(huán)水降溫。噴頭是循環(huán)水霧化的核心部件，循環(huán)水在壓力作用下通過孔徑突然縮小的噴頭流出，在噴頭處可形成單相區(qū)、空穴區(qū)及回流區(qū)三個(gè)工作區(qū)，不同工作區(qū)轉(zhuǎn)變是一個(gè)突變過程，會(huì)產(chǎn)生完全不同的霧化效果。噴頭的內(nèi)部尺寸與形狀決定了流體在噴嘴處噴出的速度、初始顆粒尺寸、以及液滴分散角等，對(duì)水冷風(fēng)機(jī)循環(huán)水噴出后的霧化冷卻效果具有直接影響。

由于水冷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，通過模擬單支噴水管的霧化冷卻狀態(tài)就可以得到水冷風(fēng)機(jī)的冷卻效果。通過對(duì)噴水管內(nèi)部液體流動(dòng)性能進(jìn)行模擬，得出循環(huán)水在噴頭處的流速、流量等噴霧初始條件。改變噴嘴直徑分別進(jìn)行模擬，選用最佳噴嘴直徑下的模擬結(jié)果作為霧化冷卻模擬的初始條件，進(jìn)行循環(huán)水霧化冷卻數(shù)值模擬。

2 噴水管內(nèi)部流動(dòng)特性數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

圖2 噴水管網(wǎng)格劃分

2.2 模擬結(jié)果與分析

通過流體后處理系統(tǒng)CFD-Post中Function Calculator功能統(tǒng)計(jì)不同參數(shù)下噴頭處的流速與流量，產(chǎn)生速率與流量分布如圖3、圖4所示：

圖3 噴頭出口流速分布圖

圖4 噴頭出口流量統(tǒng)計(jì)圖

由圖3-4可知，當(dāng)噴嘴直徑為8mm時(shí)，各種壓力下都具有較高的出口流速與流量，具有較好初始條件。

3 單噴頭霧化場(chǎng)冷卻數(shù)值模擬

為驗(yàn)證水冷風(fēng)機(jī)的霧化冷卻效果，對(duì)水冷風(fēng)機(jī)單噴頭外部霧化場(chǎng)效果進(jìn)行數(shù)值模擬。由第二章可知，水冷風(fēng)機(jī)在噴嘴直徑為8mm時(shí)具有較高的流速與流量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，水冷風(fēng)機(jī)縱向風(fēng)速最高可達(dá)5m/s，以0.2MPa循環(huán)水輸入余壓為例，其初始霧化參數(shù)如表1：

3.1 模擬方法

表1 噴嘴霧化初始參數(shù)

霧化場(chǎng)簡化為直徑為1m高度為4m圓柱體，利用ICEM對(duì)霧化場(chǎng)進(jìn)行建模并生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到0.7以上，滿足霧化場(chǎng)分析條件。網(wǎng)格如圖5所示：

圖5 霧化場(chǎng)網(wǎng)格

將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算時(shí)選擇基于壓力法的求解器，采用k-ε湍流模型描述噴霧周圍氣體介質(zhì)連續(xù)相運(yùn)動(dòng)；液滴與空氣之間有能量交換，開啟能量方程；循環(huán)水的霧化過程中含有多種組分的相互作用，因此激活組分傳輸模型，將流體域細(xì)分為氮?dú)猓鯕猓魵狻Ｊ紫葘?duì)連續(xù)相在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)連續(xù)相收斂后，打開DPM離散相方程，引入TAB破碎模型，加入射流源Injection并選取solid-cone模型進(jìn)行瞬態(tài)霧化數(shù)值模擬，用rosin-rammler分布描述液滴分布狀態(tài)。為了模擬大氣環(huán)境，邊界outlet設(shè)置為大氣壓，在DPM選項(xiàng)中將邊界類型設(shè)置為escape。結(jié)合流場(chǎng)變量求解每一個(gè)顆粒的受力情況，追蹤每一個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)軌道，得出粒徑分布。

3.2 霧化原理基礎(chǔ)理論

3.2.1連續(xù)相方程

冷風(fēng)在霧化場(chǎng)中為連續(xù)相，由于細(xì)微的密度變化不會(huì)對(duì)流體流動(dòng)形成明顯的影響，因此可忽視密度脈動(dòng)的影響［7］。考慮到平均密度的變化，可得可壓湍流平均流動(dòng)的控制方程：

式中，ρ為密度，g/cm3；t為時(shí)間，s；u為速度矢量。

在運(yùn)行期內(nèi)，記為第i個(gè)AC的失效次序統(tǒng)計(jì)量，為第i個(gè)MC的失效次序統(tǒng)計(jì)量。顯然，以為節(jié)點(diǎn)，將運(yùn)行期分割成若干連續(xù)運(yùn)行子期，記為第l個(gè)運(yùn)行子期，則有如下結(jié)論：

動(dòng)量方程為：

其他變量的輸運(yùn)方程：

式中：φ為某一個(gè)變量，Γ為擴(kuò)散系數(shù)；S為源項(xiàng)。

3.2.2離散相方程

液滴在霧化場(chǎng)中是離散項(xiàng)，根據(jù)作用在顆粒上的力平衡法則，可得到顆粒在拉格朗日坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Fd為霧滴單位曳力，N；u為連續(xù)相速度，m/s；up為霧滴速度，m/s；μ為流體動(dòng)力黏度，N·s/m2，ρ為流體密度，kg/m3；dp為霧滴直徑，m；Re為雷洛數(shù)；Cd為曳力系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；F為其他作用力，N［8］。

3.2.3破碎模型

循環(huán)水經(jīng)過噴頭破碎后變?yōu)橐旱危瑸榱丝梢栽陟F化模型的初始條件下預(yù)測(cè)噴嘴出口處的初始霧滴粒徑和速度，Rourke等［9］提出了TAB破碎方程：

當(dāng)x＜Cbr時(shí)，霧滴發(fā)生破碎，其中Cb是無量綱數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)得出：Cb＝0.5

式中：CF、Ck、Cd為無量綱參數(shù)，參數(shù)取值：CF＝1/3，Ck＝8，Cd＝5［10］。

3.3 仿真結(jié)果與分析

如圖6～9所示分別是循環(huán)水噴射時(shí)間5s之后，系統(tǒng)工作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的霧化粒徑分布、中間平面粒徑分布比例、霧化溫度場(chǎng)分布、霧化場(chǎng)速度分布的仿真結(jié)果。由圖6可知，從噴嘴噴出的霧化液滴粒度較均勻，粒度越大的霧化液噴射的越高或越遠(yuǎn)；由圖7可知，霧化的液滴的粒徑小于0.5 mm，其中小于0.35 mm的約占比50%，0.35～0.5 mm的占比50%，而小于0.35 mm的霧滴其直徑主要分布在0.1～0.25 mm之間；由圖8霧化場(chǎng)溫度云圖可知，當(dāng)高溫循環(huán)水從霧化噴嘴噴出達(dá)到3.8米高時(shí)，水溫可降到36℃，此時(shí)霧滴仍在向上運(yùn)動(dòng)與空氣換熱（注：圖中溫度單位為開氏度），可滿足將循環(huán)水從55℃降溫10℃以上設(shè)計(jì)要求。因此仿真結(jié)果證明水冷風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)循環(huán)水的降溫方法是可行的。

圖6 霧化粒徑分布圖

圖8 霧化場(chǎng)溫度云圖

圖9 霧化場(chǎng)速度云圖

考慮水冷風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)的必要性，對(duì)照自然無風(fēng)條件下單噴頭霧化冷卻數(shù)值模擬。無風(fēng)條件下霧化場(chǎng)中的粒徑分布、中間平面粒徑分布比例、溫度場(chǎng)分布與速度場(chǎng)分布如圖10～圖13所示。

將圖10～圖13與圖6～圖9對(duì)比分析可知：在有風(fēng)條件下霧化液滴的粒徑范圍主要為0.3～0.4 mm，其中0.4 mm粒徑約占33%；而在無風(fēng)條件下霧化液滴粒徑以0.5 mm的為主，約占比45%。同比有風(fēng)狀態(tài)較無風(fēng)狀態(tài)粒徑減小20%以上。由速度分布云圖可知，有風(fēng)條件下液滴較容易達(dá)到四米的高度，溫度與空氣換熱時(shí)間更長，降溫效果更加顯著，更接近室溫；無風(fēng)條件下液滴在向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，受重力作用，噴射到2.8米時(shí)便開始慢慢掉落，較少液滴可以達(dá)到四米高，減小了其與空氣換熱時(shí)間。在1.6米液滴集聚的高度時(shí)，有風(fēng)狀態(tài)下液滴普遍可降到38℃，少部分液滴超過40℃，無風(fēng)狀態(tài)下大部分液滴仍在42℃，同比降溫效果有風(fēng)比無風(fēng)高出約10%；無風(fēng)狀態(tài)下軸線方向4 m高處溫度仍在37℃，有風(fēng)狀態(tài)下已經(jīng)接近室溫；因此，有必要在水冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，增設(shè)自旋轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生縱向風(fēng)加速冷卻。

圖10 自然無風(fēng)狀態(tài)粒徑分布圖

圖11 中間平面粒徑分布比例圖

圖12 自然無風(fēng)狀態(tài)溫度云圖

圖13 自然無風(fēng)狀態(tài)速度云圖

4 結(jié)論

（1）仿真結(jié)果表明霧化推進(jìn)水冷風(fēng)機(jī)具有較好的可行性，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)將55℃循環(huán)水降溫10℃以上的目標(biāo)。

（2）仿真研究中噴嘴開口直徑為8 mm時(shí)，可獲得較好的流速與流量，實(shí)現(xiàn)較好的霧化冷卻效果。不同的噴嘴應(yīng)根據(jù)不同的情況合理配置噴頭參數(shù)。

（3）對(duì)照噴水管風(fēng)機(jī)縱向風(fēng)促進(jìn)冷卻與自然噴霧冷卻兩種狀態(tài)，在5 m/s縱向風(fēng)速下，粒徑較自然無風(fēng)條件下小接近20%；在噴射1.6 m高度，有風(fēng)狀態(tài)冷卻效果比無風(fēng)狀態(tài)冷卻效率提高近10%。有風(fēng)狀態(tài)能有效促進(jìn)循環(huán)水霧化，快速實(shí)現(xiàn)冷卻，因此水冷風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)有必要采用自旋轉(zhuǎn)裝置產(chǎn)生縱向風(fēng)加快循環(huán)水冷卻。