热水锅炉复合水循环射流装置工作性能的数值模拟研究

2014-03-11李壮男哈尔滨市直属房产物业管理有限责任公司

经济技术协作信息 2014年22期

李壮男/哈尔滨市直属房产物业管理有限责任公司

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针对锅炉设计运行的实际需要，通过FLUENT软件对热水锅炉复合水循环射流装置的工作性能进行了数值模拟研究。结果表明：在其它条件一定的前提下，存在一射流装置喷嘴到下降管入口的最佳距离，使射流装置的喷射系数达到最大；在喷嘴到下降管入口距离保持采用最佳距离的前提下，射流装置的喷射系数基本不受工作流体射流速度变化的影响；存在一下降管与喷嘴最佳截面比（约为8.65）使射流装置的喷射系数达到最大；随下降管折算阻力系数的增大，喷射系数的值不断地减小。

热水锅炉；复合水循环；射流装置；数值模拟

一、引言

热水锅炉是集中供热系统中必不可少的核心设备。传统的热水锅炉绝大多数采用的是自然循环的水循环方式，但这一方式产生的循环动力较小，锅炉上升管内的水速远远达不到标准中安全水速的要求[1]。在锅炉运行过程中容易产生局部过冷沸腾，进而导致管板开裂、水冷壁爆管等事故的发生[2]。

为了提高锅炉循环水速，使之达到标准推荐的要求，人们采用回水引射技术，即利用喷射器原理在锅炉下降管入口处加装回水引射装置[3-4]，构建了“热水锅炉复合水循环系统”。所谓“热水锅炉复合水循环系统”，如图1所示，即在下降管入口加设喷嘴，给水经喷嘴以一定的流速喷入下降管，此股流体称为工作流体；在工作流体的卷吸作用下，锅筒内的一部分流体卷吸入下降管，称为卷吸流体；两者在下降管入口段混合后在回路中循环，称为混合流体。此时回路中同时作用着两种力，一是工作流体产生的强制循环动力，一是本身存在的自然循环动力，两力方向一致，相互叠加，使循环动力增大、循环水速提高，故而称为复合循环[5]。实践证明，采用该技术可以大大提高上升管内的水速，使上升管内流速达到或超过最低安全水速的要求。

虽然近年来对“热水锅炉复合水循环系统”的研究已有了一些成果，但由于其问题本身的复杂性和测试上的困难，很多重要的规律还无法给出。即使通过数学推导给出相关计算公式，形式也往往及其复杂，使用起来很不方便。而作为目前计算流体动力学（CFD）领域应用最广泛的软件，FLUENT的基于有限容积法和非结构化网格的运算方式，使其在解决复杂流体运动问题上有着强大的能力，计算结果形象直观，这无疑给解决这一问题带来了一条新路。

2.计算模型的建立。本文采用3D格式对热水锅炉复合水循环射流装置进行几何模型建立和网格划分。由于锅筒空间相对于下降管和工作喷嘴尺寸为绝对大空间，因此，忽略锅筒本身形状给回水射流装置工作带来的影响，以大直径的圆柱代替，下降管置于圆柱端面（为方便观察，文中仅给出1/4表面网格，如图2所示）。

本文选择基于压力（Pressure Based）的非耦合隐式（Implicit）3D求解器对计算模型进行求解；工作喷嘴入口选择速度入口（Velocity-inlet）条件；锅筒内自由水面选择压力入口（Pressure-inlet）条件；下降管出口截面选择压力出口（Pressure-outlet）条件；各壁面选择默认的壁面（Wall）条件，保持无滑移（No slip）的固定壁面（Stationary wall）条件。

在数值模拟过程中，系统始终保持质量和动量守恒，其中：

质量守恒方程：

其中，表示气相、液相或颗粒相，为气体、液体或颗粒的浓度，为气体、液体或颗粒的速度矢量，为气体、液体或颗粒的密度，为时间[6]。

动量守恒方程：

其中，为流体粘度，对湍流流动，可按双方程模型确定[6]。

本文选择双方程模型中的可实现模型对热水锅炉射流装置的工作情况进行模拟，其湍流动能和湍流耗散率的输运方程分别为：

方程：

G 其中：--由于黏度产生的湍流动能；

Gb--由于浮力产生的湍流动能；

Y--可压缩流动时由脉动扩张引起的湍流耗散；

Sk、 S?--用户自定义源项；

1、C 、 C2、??、?k--常数[7]。

常规热水锅炉给/回水温度区间内水的密度变化很小，故忽略温度变化对流体流动的影响；常规的热水锅炉锅筒内压力在0.7MPa-1.25MPa之间，选择1.0MPa作为工作环境（Operating Conditions）压力；不考虑重力（Gravity）对射流装置工作状况的影响。

三、.射流装置结构及运行参数对其工作性能的影响

1.射流装置工作原理分析。由于锅筒空间相对于射流装置喷嘴为一大空间，因此喷嘴射流在进入下降管之前可以看作是自由射流。根据自由射流的性质，当射流速度比较高时，流动成湍流状态，流体分裂为无数微团，除了向前运动外，还向四周作不规则运动，形成湍流脉动。因此，流体整体上除向前射流外，还作横向脉动，使部分流体进入周围介质，并带动周围介质随它一起运动，周围介质分子也同时向射流内部扩散，使射流的速度降低，最终在宏观上形成“引射效应”。本文在设定的结构尺寸下，利用Fluent软件计算得到的射流装置工作时的流场如图3所示：

3.2 射流装置喷嘴到下降管入口最佳距离的确定

喷射系数u是衡量射流装置工作性能的标志性参数，其定义为卷吸流体流量与工作流体流量之比：

研究表明：喷射系数u的值受射流装置喷嘴到下降管入口距离的影响很大[8]。通过对不同喷嘴到下降管入口距离条件下的模拟计算，本文得到了喷嘴到下降管入口距离对喷射系数的影响规律（见图4）：在其它条件一定的前提下，存在一射流装置喷嘴到下降管入口的最佳距离（以下简称最佳距离）使射流装置喷射系数达到最大。

从射流装置的工作原理分析可知，在截面比一定的条件下，当喷嘴自由射流在下降管入口处截面与下降管入口截面重合时，工作流体的卷吸作用将得到最充分利用，此时对应的喷嘴到下降管入口距离即为二者间最佳距离；当二者间距离偏大时，自由射流在下降管入口处截面大于下降管入口截面，一部分射流将无法顺利进入下降管，造成引射水量下降，喷射系数降低；而当二者间距离偏小时，自由射流在下降管入口处截面小于下降管入口截面，受下降管入口处几何结构的影响，工作流体的卷吸作用无法得到充分利用，同样会导致引射水量下降，喷射系数降低。

由于喷嘴的射流为圆管自由射流，射流的外边界线可认为是一条直线，故可根据图4得到喷嘴到下降管入口最佳距离的计算公式如下：

d--喷嘴内径；m --下降管与喷嘴截面比。

3.射流速度对射流装置工作性能的影响。在喷嘴到下降管入口距离采用最佳距离的前提下，在射流速度=3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s、13m/s六种不同工作条件下，针对射流速度对射流装置工作性能的影响进行了研究。

结果表明，在截面比一定的条件下，射流装置喷射系数基本不受工作流体射流速度变化的影响。也就是说，虽然随着喷嘴射流速度的变化，工作流体流量、卷吸流体流量都会随之变化，但单位工作流体能卷吸的流体量几乎保持不变，即卷吸流体流量与工作流体射流速度成正比。

出现这一现象的主要原因是：根据粘性流体湍流流动特性，存在一衡量流体流动状态的无因次数，即雷诺数：

其中：w

--流体速度，m/s；d --管道直径，m； --流体运动黏度，m2/s。

当小于某一值（第一临界速度）时，流动处于层流状态，流体流动处于第一自模化区，流动皆彼此相似；当大于第一临界速度时，流动处于湍流状态，而且越大，湍流程度也越大，但当大到一定值以后，流体湍流程度将不再改变，此值称为雷诺数第二临界值；当大于第二临界速度时，流体流动处于第二自模化区，流动皆彼此相似[9]。在本文中各工况条件下，明显已大于第二临界值，流体流动已经入第二自模化区，流体的流动状态及流速分布已基本不变，单位流体能卷吸的流体量也基本相同。

4.下降管与射流喷嘴截面比对射流装置工作性能的影响。

由于射流装置喷射系数基本不受工作流体射流速度变化的影响，因此本文以采用固定的工作流体流量为前提，研究下降管与喷嘴截面比对喷射系数的影响。

从图6中可以看出，随着下降管与喷嘴截面比的不断增大，射流装置的喷射系数先增大后减小，即存在一最佳截面比（约为8.65）使射流装置喷射系数达到最大。之所以出现这一现象是因为，虽然随着截面比的不断增大，工作流体射流速度和卷吸能力增大，但是与此同时，对应的喷嘴到下降管入口最佳距离也增大，在喷嘴到下降管入口距离保持采用最佳距离的前提下，喷嘴和下降管间阻力也增大；当截面比较小时，对应的喷嘴到下降管入口距离较小，二者间阻力较小，射流卷吸能力的增加占主导，因此喷射系数随截面比的增大而增大；而当截面比较大时，对应的喷嘴到下降管入口距离也较大，二者间阻力影响成为主导因素，导致喷射系数随截面比的增大而减小。

5.下降管阻力系数对射流装置工作性能的影响。

本文中的下降管阻力系数指的是下降管折算阻力系数，是将循环回路各部分的阻力系数都折算为下降管的阻力系数，实际为全回路总阻力系数，可用下式计算：

其中：?0x--下降管折算阻力系数；?s--下降管总阻力系数；?x--上升管总阻力系数；? --下降管与上升管截面比。

据此，在保持固定的工作流体流量的条件下，得到下降管折算阻力系数与喷射系数的关系，见图7。从图中可以看出，随着下降管折算阻力系数的增大，整个循环回路的阻力变大，射流装置喷射系数不断地减小。其中，当下降管折算阻力系数的值较小时，其变化对喷射系数的影响更为显著，喷射系数随下降管折算阻力系数的增大而快速下降；在此之后，下降趋势逐步放缓；而当下降管折算阻力系数达到某一较大值后，喷射系数值变得很小，下降管折算阻力系数的增大对喷射系数值的影响也变得很小，说明该情况下，由于整个循环回路的阻力很大，射流装置已无法有效的实现引射。