細水霧典型參數對艦船臥式排煙降溫的數值模擬分析

霍巖,鄒高萬,呂麗穎,董惠

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院，哈爾濱 150001)

艦船紅外隱身的重點與難點在于艦船的高溫煙氣和排煙管道管壁，利用細水霧高效冷卻能力對排煙管道內的煙氣和管壁進行降溫是實現紅外隱身的有效方法，因此細水霧系統作用下的排煙管道內煙氣和管壁降溫效果直接決定艦船的紅外隱身能力。在船舶排煙管道內細水霧降溫方面，有學者在確認細水霧冷優勢基礎上獲得了細水霧噴霧量不同時，排煙口溫度與噴嘴壓力對應關系變化規律；有學者通過對一艦船排煙管道進行簡化模擬，得到了降溫效果較好的細水霧噴頭布置方式；有學者發現細水霧顆粒粒徑、細水霧流量，以及煙氣溫度這3個因素主要影響著細水霧對高溫煙氣的降溫效果；在細水霧對熱壁面的降溫方面，有學者認為主要影響因素分別是液膜厚度、細水霧顆粒粒徑大小和細水霧顆粒的運動速度以及細水霧的噴射高度；有學者認為是液膜的蒸發和液膜傳熱起主要作用；有學者認為液膜蒸發換熱帶走的熱量只是小部分，而大部分熱量是由汽、液之間的相變帶走的。然而，由于細水霧與排煙管道內煙氣和壁面之間的復雜傳熱傳質過程，涉及多個系統參數的耦合作用，目前對其降溫過程機理特性尚未充分了解，尤其是細水霧噴頭參數對排煙管道內熱煙氣和管壁降溫的影響相關研究較少見報道。當前，細水霧系統由于擁有較高的冷卻能力和滅火方面的優勢，雖已被擴展應用于豪華郵輪、海上平臺和鋰電池熱失控等特殊場景，但鑒于細水霧系統參數直接影響其不同的滅火降溫作用機理，目前尚無適用于艦船排煙管道內的細水霧系統參數或設計方法被確定，一定程度限制了排煙管道適用的細水霧系統設計發展。為此，對一艦船排煙管道內細水霧典型參數對熱煙氣和管壁的降溫效果進行數值模擬，通過結果比較和分析，獲得主要影響參數作用下的出口煙氣和管壁溫降理論關系式，以期供艦船排煙管道內煙氣和管壁降溫的細水霧系統設計參考。

1 模型構建

艦船排煙管道按照布局可以分為立式和臥式。立式排煙管道由于其占用艦面空間，而逐漸改良為“V”形和“T”形，但在紅外隱身方面只能通過安裝雷達天線和利用上層建筑對排煙管道進行熱屏蔽；相比之下臥式排煙管道雖然會占用較多的艦內空間，但是能夠方便地對煙氣和排煙管道進行降溫處理，從而降低紅外輻射，同時也可保證較為充裕的甲板空間，并且隨著艦船自動化的發展，臥式排煙管道對于艦內空間的占用已經可以控制在能夠接收的范圍內，因此臥式排煙管道在追求“紅外隱身”的中小型艦船中應用十分廣泛。

依據文獻[3]中的臥式排煙管道結構建立艦船排煙管道細水霧降溫的模擬模型，艦船排煙管道的形狀及具體尺寸見圖1。

圖1 艦船排煙管道形狀及尺寸示意

艦船排煙管道整體呈現“L”形，煙氣從“L”形排煙管道的水平側進入，從“L”形排煙管道的豎直邊排出，在管道內部布置兩排共20個細水霧噴頭，管道內細水霧噴頭的位置分布見圖2，其中上下兩側各均勻布置4個細水霧噴頭，細水霧噴頭之間的間距為0.2 m，左右兩側各布置兩個細水霧噴頭，位于中心線位置處。排煙管道材質為厚度為0.5 mm，熱輻射發射率為0.82的鋼板；排煙管道入口煙氣初始溫度為600 ℃，流速為5 m/s，煙氣組分為過量氧氣系數為1.25時的煙氣組分，此時煙氣中含79.4%CO、14.8%HO、184×10SO、302×10N、5.74%O。單個細水霧噴頭的霧錐角60°，平均粒徑750 μm，出口流速5 m/s，排煙管道內細水霧總流量40 L/min。

圖2 排煙管道內兩橫截面處細水霧噴頭布置示意

2 數值模擬有效性驗證

數值模擬得到的排煙管道直管段壁面上的溫度分布與文獻[3]實驗結果對比見圖3。

可以發現，圖3中實驗與模擬結果在方向上2 m以內的等溫線形狀均為漏斗形，2 m附近均處于450 ℃等溫線上，4 m附近均處于300 ℃等溫線上，4～6 m的區間內250 ℃的等溫線形狀與位置也大致相同。整體看來，二者在垂直對稱面上的溫度分布幾乎完全相同。

圖3 排煙管道中直通道壁面溫度分布

將排煙口處的煙氣溫度隨時間變化過程的實驗與數值模擬結果進行對比，見圖4。

圖4 出口煙氣溫度模擬與實驗值對比

由圖4可見，實驗與模擬的溫度均在大致10 s內劇增，此后保持穩定，最終實驗和數值模擬得到排煙溫度分別大致穩定在300 ℃和288 ℃，兩者最大偏差在6%以內。由此可見，所采用的數值模擬技術可以較為準確地反映排煙管道內流動與傳熱過程。

3 細水霧噴頭典型參數的降溫影響

針對初始溫度和速度分別為500 ℃和20 m/s的煙氣進入煙道后流動過程為研究對象。此時經過計算可得煙氣在排煙管道內運動過程中與管壁傳熱而導致煙道出口排出的煙氣平均溫度為481 ℃。以此為基礎，分別考慮不同細水霧噴頭形成的不同水霧顆粒粒徑、流量、霧錐角以及噴頭出口流速對煙氣和排煙管道壁面的降溫影響。

3.1 細水霧粒徑

與無細水霧作用時的煙氣和管道壁溫度結果相比，不同細水霧顆粒粒徑作用下的煙氣與排煙管道壁降溫效果見圖5，圖中Δ為無細水霧工況與各不同細水霧參數場景工況的溫度結果之差。

圖5 細水霧顆粒粒徑對煙氣和壁面溫降的影響

由圖5可見，隨著細水霧顆粒粒徑增大，細水霧對煙氣和煙道壁面的降溫效果逐漸減弱，尤其是粒徑超過400 μm后的細水霧降溫能力已隨粒徑尺寸變化不明顯。這是因為相同流量情況下，細水霧顆粒粒徑較小時，對應的比表面積更大，因此具有更強的汽化吸熱能力。但是細水霧顆粒粒徑增大也會造成單個細水霧顆粒質量增大，一定程度上減緩了其運動軌跡的改變，使其在排煙管道內停留時間變長，而這種通過質量變化造成的停留時間的改變需要細水霧顆粒質量達到一定程度后才會愈發明顯。與此同時，未完全汽化的細水霧顆粒以液體形式與高溫煙氣進行摻混，也造成了排煙溫度一定程度上的降低，所以會使細水霧對煙氣的降溫效果隨細水霧顆粒粒徑的增大而變差，且這種影響逐漸不明顯。由此認為，細水霧顆粒粒徑越小，其對煙氣和管壁的降溫效果越好，同時改變細水霧顆粒粒徑對細水霧降溫效果帶來的改變也相對更大。

3.2 細水霧流量

與無細水霧作用時的煙氣和管道壁溫度結果相比，不同細水霧流量作用下的煙氣與排煙管道壁降溫效果見圖6。

圖6 細水霧流量對煙氣和壁面溫降的影響

隨著細水霧流量的增加，被噴撒至排煙管道內的細水霧總量增加，細水霧對煙氣和煙道壁面的降溫效果越來越明顯，但同時未完全汽化便被煙氣帶離排煙管道的液態細水霧也在增加，因此隨著細水霧流量的增加，流量變化對細水霧降溫效果的影響程度逐漸變小。

3.3 細水霧噴霧錐角

與無細水霧作用時的煙氣和管道壁溫度結果相比，不同細水霧噴霧錐角作用下的煙氣與排煙管道壁降溫效果見圖7。

圖7 細水霧噴頭霧錐角對煙氣和壁面溫降的影響

由圖7可見，隨著細水霧噴霧角度變化，煙氣的降溫效果幾乎沒有影響，這是因為雖然細水霧噴霧角度的改變會引起霧通量的變化；但是由于排煙管道橫截面積較小，再加上環繞式的細水霧噴頭布置方式和煙氣的摻混作用，使得細水霧在排煙管道內部分散性較好，因此在研究范圍內細水霧噴霧角度未能對煙氣降溫效果產生明顯影響。與此不同的是，在細水霧噴霧角度增大的過程中，細水霧對管壁的降溫在10 ℃內小幅度持續增大。這是因為雖然無論細水霧噴霧角度大或小，均能使細水霧顆粒與煙氣均勻摻混，因此細水霧的噴霧角度對煙氣的降溫效果影響不明顯；然而隨著細水霧噴霧角度的增大，會使細水霧在排煙管道內參與煙氣換熱的作用范圍增大，同時較小的細水霧顆粒進入排煙管道后會很快被煙氣卷吸輸運，從而使煙氣與壁面的傳熱量稍有降低，因此導致隨著細水霧噴霧角度增大，細水霧對壁面的降溫能力在小范圍內增大。

3.4 細水霧噴撒初速度

與無細水霧作用時的煙氣和管道壁溫度結果相比，不同細水霧噴頭出口初始流速作用下的煙氣與排煙管道壁降溫效果見圖8。

圖8 細水霧噴頭出口流速對煙氣和壁面溫降的影響

由圖8可以看出，隨著細水霧噴頭出口速度增加，細水霧對煙氣降溫效果逐漸降低。這是由于細水霧出口速度越大，細水霧顆粒撞擊到壁面比例就越大，同時在管道內的停留時間有一定程度的減短，未完全汽化就被煙氣帶離排煙管道的比例增大，導致細水霧對煙氣的降溫效果逐漸變差。但是由于細水霧顆粒很小，細水霧顆粒會在很短時間內與煙氣速度達到一致，細水霧出口速度對其運動軌跡影響不是特別大，所以在本文細水霧出口速度增長10倍的過程中，細水霧對煙氣的降溫僅相差85 ℃；同時，由于未完全汽化的細水霧顆粒與排煙摻混也會對排煙溫度有一定的降溫作用，所以變化趨勢逐漸變緩，即細水霧出口速度對細水霧對煙氣降溫效果的影響逐漸變弱。同時，隨著細水霧出口速度的增大，細水霧對管壁的降溫變化在13 ℃范圍內，且與煙氣降溫曲線不同的是，在細水霧出口速度從5 m/s升至14 m/s的過程中，細水霧對壁面所降的溫度越來越多，而細水霧出口速度大于14 m/s時，細水霧出口速度越大，壁面降溫越少。這是因為細水霧出口速度越大，細水霧對煙氣的降溫效果越差，煙氣與壁面的對流換熱直接影響了壁面的溫度，但當細水霧出口速度小于一定值時，細水霧顆粒由于粒徑小，細水霧顆粒在壁面附近便與煙氣速度一致，運動過程中與壁面接觸，更好地吸收了壁面熱量，而在此情況下，細水霧出口速度越大，其能接觸壁面的范圍越大，對壁面的降溫效果也就越好；大于該臨界值時，與壁面接觸的細水霧顆粒比例逐漸減少，影響壁面溫度的主要因素逐漸變為煙氣，此時壁面溫度的變化趨勢便與煙氣溫度的變化趨勢一致。研究范圍內的臨界值為14 m/s，即細水霧出口速度小于14 m/s時，細水霧出口速度越大，其對排煙管道管壁降溫效果越好；而細水霧出口速度大于14 m/s時，細水霧出口速度越大，其對排煙管道管壁降溫效果反而越差。

4 模型構建

由上述分析初步確定排煙管道出口的排煙溫度與入口煙氣速度、入口煙氣溫度、細水霧顆粒粒徑、細水霧流量與煙氣流量的比值/以及細水霧速度有關，其中入口煙氣速度與細水霧速度共同作用對排煙溫度產生影響，可得排煙溫度的關聯式模型基本形式為

(1)

即

ln[()-]=ln+ln()+ln()+

(2)

根據模擬結果，入口煙氣溫度為500 ℃，細水霧顆粒粒徑為300 μm，細水霧流量為34 L/min，入口煙氣速度和細水霧速度均為20 m/s，該工況下對應的排煙溫度為358 ℃，由此認為，擬合出的經驗公式應經過該狀態下的數據點。將此時的數據帶入式(2)即可得到式(3)，經整理便可以得到式(4)。

ln[(358)-]=ln+ln(500)+

ln(300)+ln(02)+ln(20,20)

(3)

ln[()-]=ln[(358)-]+

[ln()-ln(500)]+[ln()-ln(300)]+

[ln(,)-ln(20,20)]

(4)

將所有模擬數據代入，并利用最小二乘法求得各個參數擬合值，便得到細水霧對煙氣降溫效果的擬合公式(5)，化簡后即可得到排煙溫度的擬合經驗表達式，式(6)。

(5)

(6)

式中：為入口煙氣溫度，℃；為排煙溫度，℃；為入口煙氣速度，m/s；為細水霧出口速度，m/s；為細水霧流量，L/min；為細水霧顆粒平均粒徑，μm。

同理得到細水霧對排煙管道的管壁降溫效果關系式(7)，對其進行化簡得到管壁溫度的經驗公式，式(8)。

(7)

即

(8)

式中：為細水霧降溫后的管壁溫度，℃；為細水霧噴霧角度，°。

為了驗證所得擬合公式的準確性，分別進行四組新參數的典型工況數值模擬和公式計算，四組模擬工況中各參數的設定如表1。

表1 驗證模擬參數表

針對選定的四組工況，通過數值模擬與擬合公式計算得到的煙氣和管壁溫度對比見圖9。

由圖9可見，模擬所得結果與本文擬合公式計算結果之間的偏差均在4%以內，說明采用得到的擬合公式計算排煙溫度和壁面溫度，其結果的準確性較好。

圖9 煙氣和壁面溫度模擬結果與計算值的比較

5 結論

1)隨著細水霧顆粒粒徑增大，細水霧對煙氣和煙道壁面的降溫效果逐漸減弱，一定范圍內粒徑超過一定值后的細水霧降溫能力已隨粒徑尺寸變化不明顯。

2)細水霧噴撒初速度增大到一定程度后，繼續增加初速度反而使不利于排煙管道管壁降溫。

3)排煙管道出口的排煙溫度與入口煙氣速度、入口煙氣溫度、細水霧顆粒粒徑、細水霧流量與煙氣流量的比值以及細水霧速度有關。

4)所建立的排煙管道內細水霧系統主要影響參數與出口煙氣及管壁溫度之間的對應關系式，可在一定范圍內較準確地通過計算預測排煙溫度和壁面溫度值。