新型清洗喷嘴的结构设计与冲击力度实验*

□陈楷 □唐亚鸣

河海大学机电工程学院 江苏常州 213022

新型清洗喷嘴的结构设计与冲击力度实验*

□陈楷 □唐亚鸣

河海大学机电工程学院 江苏常州 213022

针对传统高压水射流喷嘴在清洗空冷岛散热翅片时存在耗水量大的缺点，对高压水射流喷嘴结构进行了改进，设计了一种新型气液两相喷嘴，通过Fluent仿真软件了解其流场的速度分布情况，并通过实验测试其冲击力。

翅片清洗 气液两相喷嘴 仿真 冲击力

直接空冷技术在富煤缺水地区的发电厂建设中得到广泛应用，而空冷岛散热翅片的清洗效果直接关系到空冷系统的冷却效果。现有的空冷岛散热翅片清洗装置采用高压水射流清洗，清洗系统主要由高压水泵、高压管路系统、清洗装置和控制系统组成，这种装置清洗效率较高，但在清洗过程中需要消耗大量的水资源，这是富煤缺水的发电地区所面临的困境之一［1］。

笔者对该装置的清洗喷嘴进行改进设计，在保证翅片清洗效果的同时，可以大大减少水用量，降低能耗，从而达到节能减排的目的。

1 气液两相喷嘴的设计

1.1 喷嘴设计原理

如图1所示，传统的高压水射流喷嘴结构较为简单，利用高压使水流具有较高的速度，从而具有比较大的冲击力，但这种喷嘴耗水量较大。由于气体的流速高，因此考虑将高压气融入到传统的清洗方式中，设计的气液两相喷嘴结构如图2所示，其工作原理是：喷雾时，高压水和高压气体分别从各自入口进入喷嘴混合腔，由于气流相对水流有更高的流速，因此会对水流产生较大的摩擦力，形成巨大的推动和撕裂作用，液体在出口处被加速、雾化［2-3］。但由于清洗翅片以水流冲击力为主，气流起到辅助冲击作用，对水雾的细化要求较

低，所以，在气液射流束中，水流走中间，气流走环形周向。

▲图1 高压水射流喷嘴结构示意图

▲图2 气液两相喷嘴结构图

1.2 两相方程

由文献［4］、［5］可知两相特性满足以下控制方程：连续方程：

动量方程：

能量守恒方程：

组分质量守恒方程：

式中：ui、uj为流体在i、j方向的动力黏性系数；k为绝热系数，对于压缩空气k=1.4；cP为比热容；Si为i方向上的外部体积力；ST为化学反应热和其它体积热源；S1为其他质量源项；Γ1为质量扩散系数，ρ为流体密度，T为流体组分的总焓（与温度有关）；m1为流体质量。

2 气液两相喷嘴速度场的仿真模拟

由于清洗空冷岛散热翅片的实际工况较复杂，无法直接由仿真得到射流经过翅片的冲击力分布情况，因此选择模拟射流打击壁面的速度场来推测其冲击力变化。由已知研究结果［6］可知，高压纯水射流在空气中冲击物体时，在起始处随喷距的增大，流速逐步减小。

2.1 气液两相喷嘴模型的建立

喷嘴实物结构较为复杂，为简化数值模拟计算，两相喷嘴的简化模型如图3所示，各参数为：高压水入口直径D=2 mm，水压为30 MPa，喷嘴出口直径d=1 mm，高压气入口外圈直径D1=6 mm，内圈直径D2=3 mm，气压为0.8 MPa。对比传统高压水射流喷嘴，各参数为：高压水入口直径D=2 mm，水压为30 MPa，喷嘴出口直径d=1mm。

▲图3 两相喷嘴简化模型

2.2 仿真结果分析

图4为X轴向的速度曲线图、图5为气液两相喷嘴流场的速度矢量图，由图可知，两相喷嘴的最大速度值并非是在喷嘴的出口处，而是在离喷嘴出口3～5 mm（喷嘴长度为10 mm）处达到最大速度值（此次仿真为274 m/s），且相对于高压水射流喷嘴有更高的出口速度，这有利于在出口处增大流体的冲击力，提升对空冷翅片的清洗效果。

图4 X轴向的速度曲线

▲图5 气液两相喷嘴流场的速度矢量图

3 水雾冲击力测试

3.1 冲击力实验系统

水雾冲击力测试实验系统如图6所示，为量化气液两相雾化喷嘴的清洗效果，本实验通过测试水雾穿过散热翅片200 mm处的冲击力为参考依据，翅片采用间距为2.8 mm的单排蛇形翅片管，污染时间为3个月。其测试原理是：由于空冷散热翅片在附着灰尘时的翅片间距较小，如果喷嘴射出的水雾无法穿过翅片区域，水雾冲击力测试仪将无法采集水雾冲击力度，或者采集的力度数值很小。

为了证明气液两相雾化清洗翅片的可行性，本次

实验与传统的3 mm出口直径的高压水射流喷嘴进行对比试验。

传统高压水射流喷嘴工作参数：出口直径d=3 mm，水流量：13.3 L/min，压力：6 MPa。

气液两相雾化喷嘴各工作参数：出口直径d=1 mm，水流量：5.15 L/min，压力：10 MPa；气流量：17.95 m3/h，压力：0.8 MPa。

▲图6 水雾冲击力测试实验系统

3.2 实验结果分析

表1为喷嘴冲击力对比实验结果，为了使实验兼具特殊性和比较性，得到比较可靠的结论，又对两相喷嘴进行了冲击力测试实验，其水压和气压保持不变。

表1 各喷嘴冲击力实验结果

从表中可知，φ1 mm气液两相雾化喷嘴所能达到的冲击力与φ3 mm的传统高压水射流喷嘴相当，且经过翅片后的冲击力损失更小，说明从两相喷嘴喷射出的射流更易经过翅片，清洗更容易，从实验的数据参数也可以看出高压水射流喷嘴耗水量较大，因此在达到同样清洗效果的情况下，两相喷嘴更加节水。同时只通水和只通气的两相喷嘴也具有一定的冲击能力，对于清洗污垢比较轻的翅片，可以依靠高压空气来除尘，再加上少量高压水来抑尘，达到清洗的目的。

由于实验条件有限，笔者对单个喷嘴的冲击力进行了实验，但空冷岛散热翅片清洗的实际工况较为复杂，与喷嘴的数量、排列方式均有关系，技术成熟度有待提高。

4 结论

（1）从气液两相流的角度对传统的高压水射流喷嘴进行了优化设计，并提出了一种新型的空冷岛散热翅片清洗喷嘴，并对其进行了模拟仿真，了解了两相喷嘴的流场速度分布，同时通过冲击力实验，证明了两相喷嘴在空冷岛翅片上清洗的可行性和先进性。

（2）两相喷嘴喷射出的射流更易经过翅片，清洗更容易，对于清洗污垢比较轻的翅片，可以依靠高压空气来除尘，再加上少量高压水来抑尘，达到清洗的目的。

［1］傅松，王福禄.当前空冷电站存在的问题及国外的先进经验［J］.电力情报，1995（4）：8-10.

［2］张淑荣.气流式雾化喷嘴的特性研究［D］.大连：大连理工大学，2006.

［3］刘联胜，杨华.环状出口气泡喷嘴液膜破碎过程与喷雾特性［J］.燃烧科学与技术，2005，11（2）：121-125.

［4］Y M Lee，R A Berry.Analysis of the Two-phase Flow in a de Laval Spray Nozzle and Exit Plume［J］.Journal of Thermal Spray Techology，1994，3（2）：179-183.

［5］林宗虎.气液两相流和沸腾换热［M］.西安：西安交通大学出版社，2003.

［6］李宝仁，金福旭.细水雾灭火系统雾化喷嘴设计及仿真［J］.液压与气动，2010（9）：1-4.

（编辑 丁 罡）

国内最大自重570 t特大型挖泥机诞生

近日，从北京传来喜讯，经国家科技部5位专家验收并全票通过，由武汉理工大学和卫华集团共同研制生产的一台自重570 t的特大型挖泥机在卫华集团告竣。这台目前国内最大挖泥机的诞生，结束了我国一直没有自主研发、自行设计制造特大型挖泥机的历史。

据悉，该挖泥机是国家“863计划”、国家重点科技攻关项目。此项目经前期市场调研、市场预测、方案制定、专家评审等阶段，于去年6月开始生产制造。在生产制造中，技术和生产制造人员突破重重难关，特别是对一些超大型钢结构及复杂零部件制作，如φ3.6×8.4 m的支撑圆筒，12.5 m×10.5 m× 1.85 m的转台，30 m×4.5 m×1.8 m的臂架等，仅工装胎具就设计制作了20余种，使该设备更加科学、精密。该挖泥机使用了平挖控制、水下挖掘可视化、超大功率变频、多传动控制等先进技术16项，其中3项技术达到国内领先。此机与其相匹配的船只组装后，可用于河道疏浚和海底电缆铺设前的泥石挖掘等。该挖泥机钢丝绳最大拉力70 t，最大下潜深度达60 m，一次可挖泥石18 m3。

据了解，之前国内使用的同类产品全部依赖进口，卫华大型挖泥机的成功研制，打破了国际垄断，标志着我国大型挖泥机一举迈进了世界高端制造领域。

（铁嘉 卫华）

TH122

A

1000-4998（2015）09-0053-03

*江苏省研究生创新项目（编号：KYLX_0426）

2015年3月