基于CFD的离心式高效喷溅装置水力特性

陈倩 郑源 章国芳 栗文灵 王秋景

摘要：为提高离心式高效喷溅装置的布水均匀性，采用欧拉（Eulerian）多相流模型和重整规划群（RNG）k-ε湍流模型对离心式高效喷溅装置的水力特性进行了三维数值模拟，将其模拟的溅洒情况与试验情况进行了对比，验证了模型的正确性。并用此方法研究了离心式喷溅装置在3种水头和4种转速下的水力特性，结果表明其在较广的水头和转速范围下均能实现均匀布水，且一定范围内提高水头和降低转速可以提高布水均匀性，提出离心式高效喷溅装置的建议工作转速为60～120 r/min。

关键词：冷却塔；喷溅装置；数值模拟；试验；水力性能；均匀布水

中图分类号：TK050 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0158-05

Abstract：In order to improve the uniformity of water distribution of efficient centrifugal spray nozzle，the Eulerian model，one of multiphase flow，and the RNG turbulence model were chosen in three-dimensional numerical simulation to investigate the hydraulic characteristics of efficient centrifugal spray nozzle.Comparison of numerical simulation results with experimental results verified the correctness of the model.The hydraulic characteristics of efficient centrifugal spray nozzle were comparatively analyzed under three head conditions and four speed conditions with this numerical simulation method.The results showed that it could achieve uniform water distribution in a wide head range and a wide speed range.The uniformity of water distribution of efficient centrifugal spray nozzle could be improved by raising the head and reducing the speed in a certain range.Accordingly，the recommended working speed range of the efficient centrifugal spray nozzle was 60～120 r/min.

Key words：cooling tower；spray nozzle；numerical simulation；experiment；hydraulic characteristics；uniform water distribution

自然通风逆流湿式冷却塔广泛用作火电、核电的冷端设备，其换热效率影响着整个电站的效益[1]。50 MW的机组，出塔水温升高1 ℃，煤耗率增加1.52 g/（kW·h）[2]。喷溅装置是安装在冷却塔内，喷淋溅散水滴的，对其进行水力分析及结构优化可有效改善布水均匀性，提高冷却塔换热效率[3]。华能巢湖电厂1号机组冷却塔进行喷溅装置改造后，出塔水温降低了1.51 ℃，每年减少标煤消耗

3 750 t以上[4]。针对使用较广的旋转型喷溅装置[5-7]，韩永春[8]提出了多层旋转喷溅装置，刘剑卿[9]提出了离心式高效喷溅装置，本质上都是为使布水更均匀而进行的结构上的改进。目前，研究喷溅装置水力性能多采用实验方法[10-13]，但该方法需要实体的喷溅装置，周期长，经费高。近年来，随着CFD技术的发展，许多水力机械问题都采用CFD进行研究，并得到了较好的效果[14-17]，亦有采用CFD研究冷却塔内布水特性对整塔效率的影响[1，18]，但用其对冷却塔内具体结构进行研究的较少。鉴此，本文采用CFD软件Fluent对离心式高效喷溅装置进行了数值模拟，分别对其在3种水头，4种转速下的水力特性进行了研究，分析其布水性能。

1 离心式高效喷溅装置

离心式高效喷溅装置见图1，其具有连接管、支撑架和溅水碟等结构，连接管上设有套管，支撑架上连有转轮，转轮有40个叶片。离心式高效喷溅装置配有一系列不同口径的套管，以满足不同工况下的流量要求。

2 计算模型

2.1 模型的建立与边界条件

按1∶1的实际尺寸建立离心式高效喷溅装置模型，为避免边界条件对计算结果的影响，建立如图2 所示圆柱形计算区域，圆柱底面半径5 m，高度为3 m。

考虑速度进口收敛性好，套管进口处设为速度进口边界条件，速度大小与水头匹配；计算区域进、出口分别设为压强进、出口边界条件，取各处环境值；并通过设置体积率来界定各边界面上所流过的流体种类；对于旋转区域转轮部分采用多重参考系（MRF）处理，其中转速与水管压力的对应关系由模型试验测得；其余管壁、计算域边界等采用无滑移固体墙壁边界条件；速度分布采用标准壁面函数处理。

2.2 多相流模型和控制方程

为了跟踪不同时刻水流的运动轨迹和分布情况，选取非稳态求解器进行求解，时间步长0.002 s。将空气相设为主相，液态水相设为第二相。考虑到液态水相在喷溅装置工作过程中破碎成液滴体积分数大于10%，采用欧拉（Eulerian）模型。该模型把气体和水滴看成两种流体，在空间的各节点上都有这两种流体各自不同的速度和密度，这些流体存在于同一空间中，并且发生相互渗透，但各自有着不同的体积分数，两相体积分数和为1。

考虑到喷溅装置在开敞式的空间工作，不考虑空气和水流的压缩性；考虑到在冷却塔中喷淋区的水流温降只有整体温降的4%左右[19]，而冷却塔里的温降95%～97%左右来自于蒸发[7]，可得循环水在喷淋区的蒸发量为整体蒸发量的4%左右，可认为蒸发对喷溅装置的水力特性影响很小，本文主要研究喷溅装置的水力特性，所以不考虑蒸发等能量影响；欧拉模型的连续性方程和动量方程[20]为

2.3 网格划分与求解算法

考虑到离心式高效喷溅装置结构复杂，尤其是转轮叶片等结构细密，选用了适应性较强的四面体非结构化网格，并在转轮叶片处进行了网格加密。选用了网格单元为283万、348万、428万三种网格划分方案分别在1.6 m水头下模拟计算，喷溅半径分别为2.6 m，2.8 m和2.85 m，结果表明网格达到348万时，网格再增加对结果影响很小，考虑到网格越多，计算成本越大，因此采用348万网格单元。

由于水流从套管中流出，再撞击溅水碟，属于射流撞击，选取重整规划群（RNG）[WTB1X]k[WTBX]-ε湍流模型，其在ε方程中加了一个条件，有效地提高了精度[21]。压力与速度的耦合方式选择相耦合的SIMPLE算法，并保持其亚松弛因子为默认值，体积率的离散方式设置为QUICK，其余各项皆为二阶精度。计算时，以残差收敛到1e-5数量级和满足质量守恒定律作为判断计算收敛的依据。

3 模拟计算结果

3.1 模型验证

为验证模拟结果的可靠性，现将离心式喷溅装置配以口径32 mm短管，在0.8水头工况下的模拟计算结果与实际工作情况进行对比，见图3。从图中可看出，模拟结果中的流线图呈伞状，与实际工作时水流冲击溅水碟呈伞状喷洒吻合；模拟结果中竖直方向离溅水碟0.8 m的水平面的水量分布云图为环状，中央为无水区，与实际工作时地面上的水量情况吻合；说明CFD数值模拟计算方法具有较好的准确性，可以借此研究喷溅装置的水力特性。

3.2 离心式高效喷溅装置水力特性分析

图4 为离心式高效喷溅装置配以口径32 mm的套管在水头分别为0.8 m、1.2 m、和1.6 m下工作时距离溅水碟0.8 m水平面上水相分布云图，从图中可看出：（1）离心式高效喷溅装置的有效喷溅范围均为近似环形，受支撑架结构的影响，其对应的位置上有缺口，即支撑架结构对应位置喷溅半径较小，在有效喷溅范围内水相体积分数较均匀，说明离心式高效喷溅装置在水头为0.8～1.6 m的范围内能有效实现均匀喷洒。（2）随着水头增大，喷溅范围内中空区域增大，喷溅半径增大，即喷溅的整体范围增大，水相体积分数普遍减小，即水相体积分数的最大值和平均值均减小。

图5 为离心式高效喷溅装置配以口径32 mm的套管在不同水头下工作时距离溅水碟0.8 m水平面上水相沿径向分布图，由图可看出：（1）随着水头的增大，离心式高效喷溅装置的有效喷溅范围沿着径向整体外移，即喷溅半径和中空半径都增大，分别从1.8 m增大到2.8 m和从0.8 m增大到1.4 m，且喷溅半径与中空半径的差值在增大，从1 m增大到1.4 m，即有效喷溅范围增大。（2）随着水头的增大，离心式高效喷溅装置的有效喷溅范围内的水相体积分数最大值在减小，从0.1252%减小到0.08686%，即喷洒的更均匀。

表1为离心式高效喷溅装置配以口径32 mm的套管在不同水头H下工作时的水力特性参数，由表可得出随着H增大，喷溅装置的流量系数增加，流量Q增大，喷溅半径R增大，且增加的速度减缓，有效喷溅面积S增大，Q/S减小。根据管嘴的流量系数计算公式可知，喷溅装置的流量系数增加，说明装置套管处的局部水头损失减小，即在一定范围内适当提高装置工作的H可有效提高能源利用率；Q增大显然是由于H增大引起的套管内的流速增大；R增大是由于管内的流速增大，水流撞击溅水碟获得的径向速度增大，这也导致了喷溅面积和中空面积都增大，但喷溅面积增大幅度比中空面积大，导致S增大，根据R与水流溅洒厚道额径向速度正相关，可以将套管中出来的水流分股，部分直接撞击溅水碟，部分降低速度后撞击溅水碟，以减小中空面积，这也是目前应用较多的多级喷溅装置的理论原理；Q/S减小说明单位面积上溅洒的水量较低，易实现更均匀布水。

4 转轮转速影响

由于国内水质的日益恶化，喷溅装置工作的环境也日益恶劣，水硬度增加常会导致在喷溅装置的溅水碟和转轮叶片，甚至转轮与支撑架连接的轴孔内结垢，进而降低转轮转速，因此研究喷溅装置在不同转速下的水力特性很有意义。

图6为离心式高效喷溅装置配以口径32 mm套管在水头1.6 m下，分别以60、120、180和240 r/min转速工作时距离溅水碟0.8 m水平面上水相沿径向分布图，由图可看出：（1）在各转速下，水相沿径向分布曲线趋势一致，在径向距离1.9 m左右出现水相体及分数最大值，即离心式喷溅装置在各转速下都能实现均匀喷洒。（2）随着转速增大，喷溅半径减小，但转速增加到180 r/min时，转速再增大，喷溅半径变化不大。（3）随着转速增大，中空范围变化不大，结合喷溅半径考虑，则喷溅有效范围减小。（4）随着转速的增大，水相体积分数的最大值相差不大，相差最大是转速60 r/min和120 r/min，为0.0046%。

表2为离心式高效喷溅装置配以口径32 mm套管在水头1.6 m下以不同转速工作的水力特性参数，由表可得：（1）随着转速的提高，喷溅半经减小， 180 r/min工况下其比60 r/min工况下小0.3 m，这是由于离心式喷溅装置是自流旋转，即转轮旋转的能量来源于水流的动能，当转速增大时，消耗水流的动能增大，水流自身的动能降低，速度降低，同时转速增大，使得周向速度增大，径向速度减小，所以喷溅半径就降低了；到180 r/min 时转速再增加，喷溅半径几乎不变，是因为240 r/min叶片的扭矩值为负值，即在实际的自流旋转时转速达不到240 r/min，转轮的转速最大极限值要略低于240 r/min。（2）随着转速增大，有效面积减小，180 r/min工况下其比60 r/min工况下减小明显，可见转速在60～120 r/min内是比较合理的，即在选择材料和加工转轮与支撑架的轴连接部件时，无需尽可能减小摩擦，只要保持摩擦在合适的范围内即可。

综上：不考虑转速对水相溅洒后的水滴粒径大小的影响，离心式喷溅装置的转轮转速对其水力特性影响较小，因此离心式喷溅装置在长期工作后不会因结垢问题引起的转速下降导致严重不利影响，为获得较优的喷洒效果，建议在60～120 r/min内工作。

5 结论

（1）离心式高效喷溅装置可以在较广的水头下实现均匀布水，且一定范围内，提高水头可以提高单个喷溅装置的布水均匀性。

（2）离心式高效喷溅装置水力特性受转速影响较小，其长时间工作后在结垢导致转轮转速下降的情况下仍能实现均匀布水，且转速在60～120 r/min时，能获得较优的水力特性，实现较均匀布水。

（3）由于本文研究中试验测量的数据不够，需进一步完善实验台，获得更多数据。

参考文献（References）：

[1] 金台，张力，唐磊，等.自然通风湿式冷却塔配水优化的三维数值研究[J].中国电机工程学报，2012，32（2）：9-15.（JIN Tai，ZHANG Li，TANG Lei，et al.Three-dimensional numerical study on water-distribution optimization in a natural draft wet cooling tower[J].Proceeding of the CSEE，2012，32（2）：9-15.（in Chinese））

[2] 李秀云，林万超，严俊杰，等.冷却塔的节能潜力分析[J].中国电力，1997，30（10）：34-36.（LI Xiu-yun，LIN Wan-chao，YAN Jun-jie，et al.To analyze energy-saving potential of cooling tower[J].Electric Power，1997，30（10）：34-36.（in Chinese））

[3] 马文忠，王国春.改善水塔的布水均匀性提高水塔的换热效率[A].2012（第二届）全国发电企业设备优化检修技术研讨会论文集[C].北京，2012.（MA Wen-zhong，WANG Guo-chun.Improvement of the heat transfer efficiency and water distribution uniformity in water tower[A].The 2th national Symposium on equipment optimization and maintenance technology of power generation enterprise [C].Beijing，2012.（in Chinese））

[4] 张世宏，孙立春，樊岩.华能巢湖电厂1#机组冷却塔喷溅装置节能改造[J].节能，2013（10）：74-76.（ZHANG Shi-hong，SUN Li-chun，FAN Yan.Huaneng Chaohu power plant 1# unit energy-saving cooling tower spray device[J].Energy Conservation，2013（10）：74-76.（in Chinese））

[5] 袁小伟，刘晓朵.冷却塔喷嘴性能测试[J].山东工业技术，2015，（06）：54-55.（YUAN Xiao-wei，LIU Xiao-duo.Cooling tower nozzle performance test[J].Shandong Industrial Technology，2015，（06）：54-55.（in Chinese））

[6] 赵振国.冷却塔[M].北京：中国水利水电出版社，1996.（ZHAO Zhen-guo.Cooling Tower[M].Beijing：China Water & Power Press，1996.（in Chinese））

[7] 史佑吉.冷却塔运行与试验[M].北京：水利电力出版社，1990.（SHI You-ji.Operation and test of cooling tower[M].Beijing：Water Conservancy and Electric Power Press，1990.（in Chinese））

[8] 韩永春.多层旋转喷溅装置[P].中国：200920010212.2，2009-10-28.（HAN Yong-chun.The multi-layer rotary spray nozzle[P].China：200920010212.2，2009-10-28.）

[9] 刘剑卿，于秋江.离心式高效喷溅装置[P].中国：200920302958.0，2010-05-19.（LIU Jian-qin，YU Qiu-jiang.efficient centrifugal spray nozzle[P].China：200920302958.0，2010-05-19.）

[10] Thirapong Muangnoi，Wanchai Asvapoositkul，Pibool Hungspreugs.Performance characteristics of a downward spray water-jet cooling tower[J].Applied Thermal Engineering，2014，69：165-176.

[11] P Panwaree，W Asvapoositkul.Droplets Analysis Of Cooling Tower Spray Nozzle by Photography[A].The 11th Asian Symposium on Visualization[C].Japan，2011.

[12] Gao M，Sun F-z，Turan A.Experimental study regarding the evolution of temperature profiles inside wet cooling tower under crosswind conditions[J].International Journal of Thermal Sciences.2014，86：284-91.

[13] Chen Y，Sun F，Wang H，et al.Experimental research of the cross walls effect on the thermal performance of wet cooling towers under crosswind conditions[J].Applied Thermal Engineering.2011，31（17-18）：4007-13.

[14] 熊妍，屈波，霍志红，等.冷却塔专用超低比转速水轮机的设计与数值模拟[J].南水北调与水利科技，2014，12（3）：112-115.（XIONG Yan，QU Bo，HUO Zhi-hong，et al.Design and numerical simulation of turbine with super low specific speed used in cooling tower[J].South-to-North Water Transfers and Water Science &Technology，2014，12（3）：112-115.（in Chinese））

[15] 罗欣，郑源，冯俊.轴流泵内部流场的数值模拟[J].水电能源科学，2012，30（12）：120-122，145.（LUO Xin，ZHENG Yuan，FENG Jun.Numerical simulation of interior flow filed of axial flow pump[J].Water Resources and Power，2012，30（12）：120-122，145.（in Chinese））

[16] 牟童，郑源，郑建坤，等.T型搅拌器数值模拟研究[J].南水北调与水利科技，2014，12（3）：89-94.（MOU Tong，ZHENG Yuan，ZHENG Jian-kun，et al Numerical simulation of T-shaped stirrer[J].Sou-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2014，12（3）：89-94.（in Chinese））

[17]张强，郑源，陈会向.基于CFD 的潮流能水轮机数值模拟研究[J].南水北调与水利科技，2015，13（3）：431-434.（ZHANG Qiang，ZHEN Yuan，CHEN Hui-xiang.Numerical simulation of tidal current energy turbine based on CFD[J].Sou-to-North Water Transfers and Water Science&Technology，2015，13（3）：431-434.（in Chinese））

[18] 郑水华.超大型冷却塔内气液两相流动和传热传质过程的数值模拟研究[D].杭州：浙江大学，2012.（ZHENG Shui-hua.Numerical simulation of gas-liquid flow，heat and mass transfer process in super-large cooling tower[D].Hangzhou：Zhejiang University，2012.（in Chinese））

[19] Rafat Al-Waked，Masud Behnia.CFD simulation of wet cooling towers[J].Applied Thermal Engineer，2006，26：382-395.

[20] FLUENT.User's guide[M].Lebanon：Fluent Inc.，2003.

[21] 李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程案例与案例实战[M].北京：人民邮电出版社，2011（10）：122-131.（LI Peng-fei，XU Min-yi，WANG Fei-fei.Master CFD engineering case and case study[M].Beijing：People's Posts and Telecommunications Press，2011（10）：122-131.（in Chinese））