李壯男/哈爾濱市直屬房產(chǎn)物業(yè)管理有限責(zé)任公司

熱水鍋爐復(fù)合水循環(huán)射流裝置工作性能的數(shù)值模擬研究

李壯男/哈爾濱市直屬房產(chǎn)物業(yè)管理有限責(zé)任公司

針對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)運(yùn)行的實(shí)際需要，通過FLUENT軟件對(duì)熱水鍋爐復(fù)合水循環(huán)射流裝置的工作性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離，使射流裝置的噴射系數(shù)達(dá)到最大；在噴嘴到下降管入口距離保持采用最佳距離的前提下，射流裝置的噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響；存在一下降管與噴嘴最佳截面比（約為8.65）使射流裝置的噴射系數(shù)達(dá)到最大；隨下降管折算阻力系數(shù)的增大，噴射系數(shù)的值不斷地減小。

熱水鍋爐；復(fù)合水循環(huán)；射流裝置；數(shù)值模擬

一、引言

熱水鍋爐是集中供熱系統(tǒng)中必不可少的核心設(shè)備。傳統(tǒng)的熱水鍋爐絕大多數(shù)采用的是自然循環(huán)的水循環(huán)方式，但這一方式產(chǎn)生的循環(huán)動(dòng)力較小，鍋爐上升管內(nèi)的水速遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)中安全水速的要求[1]。在鍋爐運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生局部過冷沸騰，進(jìn)而導(dǎo)致管板開裂、水冷壁爆管等事故的發(fā)生[2]。

為了提高鍋爐循環(huán)水速，使之達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)推薦的要求，人們采用回水引射技術(shù)，即利用噴射器原理在鍋爐下降管入口處加裝回水引射裝置[3-4]，構(gòu)建了“熱水鍋爐復(fù)合水循環(huán)系統(tǒng)”。所謂“熱水鍋爐復(fù)合水循環(huán)系統(tǒng)”，如圖1所示，即在下降管入口加設(shè)噴嘴，給水經(jīng)噴嘴以一定的流速噴入下降管，此股流體稱為工作流體；在工作流體的卷吸作用下，鍋筒內(nèi)的一部分流體卷吸入下降管，稱為卷吸流體；兩者在下降管入口段混合后在回路中循環(huán)，稱為混合流體。此時(shí)回路中同時(shí)作用著兩種力，一是工作流體產(chǎn)生的強(qiáng)制循環(huán)動(dòng)力，一是本身存在的自然循環(huán)動(dòng)力，兩力方向一致，相互疊加，使循環(huán)動(dòng)力增大、循環(huán)水速提高，故而稱為復(fù)合循環(huán)[5]。實(shí)踐證明，采用該技術(shù)可以大大提高上升管內(nèi)的水速，使上升管內(nèi)流速達(dá)到或超過最低安全水速的要求。

雖然近年來對(duì)“熱水鍋爐復(fù)合水循環(huán)系統(tǒng)”的研究已有了一些成果，但由于其問題本身的復(fù)雜性和測(cè)試上的困難，很多重要的規(guī)律還無法給出。即使通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出相關(guān)計(jì)算公式，形式也往往及其復(fù)雜，使用起來很不方便。而作為目前計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的軟件，F(xiàn)LUENT的基于有限容積法和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的運(yùn)算方式，使其在解決復(fù)雜流體運(yùn)動(dòng)問題上有著強(qiáng)大的能力，計(jì)算結(jié)果形象直觀，這無疑給解決這一問題帶來了一條新路。

2.計(jì)算模型的建立。本文采用3D格式對(duì)熱水鍋爐復(fù)合水循環(huán)射流裝置進(jìn)行幾何模型建立和網(wǎng)格劃分。由于鍋筒空間相對(duì)于下降管和工作噴嘴尺寸為絕對(duì)大空間，因此，忽略鍋筒本身形狀給回水射流裝置工作帶來的影響，以大直徑的圓柱代替，下降管置于圓柱端面（為方便觀察，文中僅給出1/4表面網(wǎng)格，如圖2所示）。

本文選擇基于壓力（Pressure Based）的非耦合隱式（Implicit）3D求解器對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行求解；工作噴嘴入口選擇速度入口（Velocity-inlet）條件；鍋筒內(nèi)自由水面選擇壓力入口（Pressure-inlet）條件；下降管出口截面選擇壓力出口（Pressure-outlet）條件；各壁面選擇默認(rèn)的壁面（Wall）條件，保持無滑移（No slip）的固定壁面（Stationary wall）條件。

在數(shù)值模擬過程中，系統(tǒng)始終保持質(zhì)量和動(dòng)量守恒，其中：

質(zhì)量守恒方程：

其中，表示氣相、液相或顆粒相，為氣體、液體或顆粒的濃度，為氣體、液體或顆粒的速度矢量，為氣體、液體或顆粒的密度，為時(shí)間[6]。

動(dòng)量守恒方程：

其中，為流體粘度，對(duì)湍流流動(dòng)，可按雙方程模型確定[6]。

本文選擇雙方程模型中的可實(shí)現(xiàn)模型對(duì)熱水鍋爐射流裝置的工作情況進(jìn)行模擬，其湍流動(dòng)能和湍流耗散率的輸運(yùn)方程分別為：

方程：

G 其中：--由于黏度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

Gb--由于浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；

Y--可壓縮流動(dòng)時(shí)由脈動(dòng)擴(kuò)張引起的湍流耗散；

Sk、 S?--用戶自定義源項(xiàng)；

1、C 、 C2、??、?k--常數(shù)[7]。

常規(guī)熱水鍋爐給/回水溫度區(qū)間內(nèi)水的密度變化很小，故忽略溫度變化對(duì)流體流動(dòng)的影響；常規(guī)的熱水鍋爐鍋筒內(nèi)壓力在0.7MPa-1.25MPa之間，選擇1.0MPa作為工作環(huán)境（Operating Conditions）壓力；不考慮重力（Gravity）對(duì)射流裝置工作狀況的影響。

三、.射流裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)對(duì)其工作性能的影響

1.射流裝置工作原理分析。由于鍋筒空間相對(duì)于射流裝置噴嘴為一大空間，因此噴嘴射流在進(jìn)入下降管之前可以看作是自由射流。根據(jù)自由射流的性質(zhì)，當(dāng)射流速度比較高時(shí)，流動(dòng)成湍流狀態(tài)，流體分裂為無數(shù)微團(tuán)，除了向前運(yùn)動(dòng)外，還向四周作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，形成湍流脈動(dòng)。因此，流體整體上除向前射流外，還作橫向脈動(dòng)，使部分流體進(jìn)入周圍介質(zhì)，并帶動(dòng)周圍介質(zhì)隨它一起運(yùn)動(dòng)，周圍介質(zhì)分子也同時(shí)向射流內(nèi)部擴(kuò)散，使射流的速度降低，最終在宏觀上形成“引射效應(yīng)”。本文在設(shè)定的結(jié)構(gòu)尺寸下，利用Fluent軟件計(jì)算得到的射流裝置工作時(shí)的流場(chǎng)如圖3所示：

3.2 射流裝置噴嘴到下降管入口最佳距離的確定

噴射系數(shù)u是衡量射流裝置工作性能的標(biāo)志性參數(shù)，其定義為卷吸流體流量與工作流體流量之比：

研究表明：噴射系數(shù)u的值受射流裝置噴嘴到下降管入口距離的影響很大[8]。通過對(duì)不同噴嘴到下降管入口距離條件下的模擬計(jì)算，本文得到了噴嘴到下降管入口距離對(duì)噴射系數(shù)的影響規(guī)律（見圖4）：在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離（以下簡(jiǎn)稱最佳距離）使射流裝置噴射系數(shù)達(dá)到最大。

從射流裝置的工作原理分析可知，在截面比一定的條件下，當(dāng)噴嘴自由射流在下降管入口處截面與下降管入口截面重合時(shí)，工作流體的卷吸作用將得到最充分利用，此時(shí)對(duì)應(yīng)的噴嘴到下降管入口距離即為二者間最佳距離；當(dāng)二者間距離偏大時(shí)，自由射流在下降管入口處截面大于下降管入口截面，一部分射流將無法順利進(jìn)入下降管，造成引射水量下降，噴射系數(shù)降低；而當(dāng)二者間距離偏小時(shí)，自由射流在下降管入口處截面小于下降管入口截面，受下降管入口處幾何結(jié)構(gòu)的影響，工作流體的卷吸作用無法得到充分利用，同樣會(huì)導(dǎo)致引射水量下降，噴射系數(shù)降低。

由于噴嘴的射流為圓管自由射流，射流的外邊界線可認(rèn)為是一條直線，故可根據(jù)圖4得到噴嘴到下降管入口最佳距離的計(jì)算公式如下：

d--噴嘴內(nèi)徑；m --下降管與噴嘴截面比。

3.射流速度對(duì)射流裝置工作性能的影響。在噴嘴到下降管入口距離采用最佳距離的前提下，在射流速度=3m/s、5m/s、7m/s、9m/s、11m/s、13m/s六種不同工作條件下，針對(duì)射流速度對(duì)射流裝置工作性能的影響進(jìn)行了研究。

結(jié)果表明，在截面比一定的條件下，射流裝置噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響。也就是說，雖然隨著噴嘴射流速度的變化，工作流體流量、卷吸流體流量都會(huì)隨之變化，但單位工作流體能卷吸的流體量幾乎保持不變，即卷吸流體流量與工作流體射流速度成正比。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是：根據(jù)粘性流體湍流流動(dòng)特性，存在一衡量流體流動(dòng)狀態(tài)的無因次數(shù)，即雷諾數(shù)：

其中：w

v

--流體速度，m/s；d --管道直徑，m； --流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

當(dāng)小于某一值（第一臨界速度）時(shí)，流動(dòng)處于層流狀態(tài)，流體流動(dòng)處于第一自?；瘏^(qū)，流動(dòng)皆彼此相似；當(dāng)大于第一臨界速度時(shí)，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，而且越大，湍流程度也越大，但當(dāng)大到一定值以后，流體湍流程度將不再改變，此值稱為雷諾數(shù)第二臨界值；當(dāng)大于第二臨界速度時(shí)，流體流動(dòng)處于第二自模化區(qū)，流動(dòng)皆彼此相似[9]。在本文中各工況條件下，明顯已大于第二臨界值，流體流動(dòng)已經(jīng)入第二自模化區(qū)，流體的流動(dòng)狀態(tài)及流速分布已基本不變，單位流體能卷吸的流體量也基本相同。

4.下降管與射流噴嘴截面比對(duì)射流裝置工作性能的影響。

由于射流裝置噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響，因此本文以采用固定的工作流體流量為前提，研究下降管與噴嘴截面比對(duì)噴射系數(shù)的影響。

從圖6中可以看出，隨著下降管與噴嘴截面比的不斷增大，射流裝置的噴射系數(shù)先增大后減小，即存在一最佳截面比（約為8.65）使射流裝置噴射系數(shù)達(dá)到最大。之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象是因?yàn)?，雖然隨著截面比的不斷增大，工作流體射流速度和卷吸能力增大，但是與此同時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴嘴到下降管入口最佳距離也增大，在噴嘴到下降管入口距離保持采用最佳距離的前提下，噴嘴和下降管間阻力也增大；當(dāng)截面比較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴嘴到下降管入口距離較小，二者間阻力較小，射流卷吸能力的增加占主導(dǎo)，因此噴射系數(shù)隨截面比的增大而增大；而當(dāng)截面比較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的噴嘴到下降管入口距離也較大，二者間阻力影響成為主導(dǎo)因素，導(dǎo)致噴射系數(shù)隨截面比的增大而減小。

5.下降管阻力系數(shù)對(duì)射流裝置工作性能的影響。

本文中的下降管阻力系數(shù)指的是下降管折算阻力系數(shù)，是將循環(huán)回路各部分的阻力系數(shù)都折算為下降管的阻力系數(shù)，實(shí)際為全回路總阻力系數(shù)，可用下式計(jì)算：

其中：?0x--下降管折算阻力系數(shù)；?s--下降管總阻力系數(shù)；?x--上升管總阻力系數(shù)；? --下降管與上升管截面比。

據(jù)此，在保持固定的工作流體流量的條件下，得到下降管折算阻力系數(shù)與噴射系數(shù)的關(guān)系，見圖7。從圖中可以看出，隨著下降管折算阻力系數(shù)的增大，整個(gè)循環(huán)回路的阻力變大，射流裝置噴射系數(shù)不斷地減小。其中，當(dāng)下降管折算阻力系數(shù)的值較小時(shí)，其變化對(duì)噴射系數(shù)的影響更為顯著，噴射系數(shù)隨下降管折算阻力系數(shù)的增大而快速下降；在此之后，下降趨勢(shì)逐步放緩；而當(dāng)下降管折算阻力系數(shù)達(dá)到某一較大值后，噴射系數(shù)值變得很小，下降管折算阻力系數(shù)的增大對(duì)噴射系數(shù)值的影響也變得很小，說明該情況下，由于整個(gè)循環(huán)回路的阻力很大，射流裝置已無法有效的實(shí)現(xiàn)引射。

四、結(jié)論

（1）在其它條件一定的前提下，存在一射流裝置噴嘴到下降管入口的最佳距離，使射流裝置的噴射系數(shù)達(dá)到最大。

（2）在噴嘴到下降管入口距離保持為最佳距離的前提下，射流裝置的噴射系數(shù)基本不受工作流體射流速度變化的影響，即卷吸流體流量與工作流體流量始終成正比。

（3）在采用固定的工作流體流量的前提下，存在一下降管與噴嘴最佳截面比使射流裝置的噴射系數(shù)達(dá)到最大。

（4）隨著下降管折算阻力系數(shù)的增大，射流裝置噴射系數(shù)不斷地減小，當(dāng)下降管折算阻力系數(shù)達(dá)到某一較大值后，噴射系數(shù)的值變得很小，射流裝置無法有效的實(shí)現(xiàn)引射。

注：內(nèi)文所有附圖詳見后頁(yè)。

[1]王擎，王鵬，任曉平等。小型水火管熱水鍋爐冷態(tài)水動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究。工業(yè)鍋爐，2007（1）：13-17.

[2]劉建敏。自然循環(huán)熱水鍋爐過冷沸騰的影響因素及防止。煤氣與熱力，2003（12）：731-733.

[3]闞潤(rùn)清。新型混合循環(huán)熱水鍋爐。節(jié)能技術(shù)，1986（1）：6-10.

[4]鮑亦齡，陸慧林。鍋爐水動(dòng)力學(xué)及鍋內(nèi)設(shè)備。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1996.

[5]朱群益，張培亭。提高自然循環(huán)熱水鍋爐循環(huán)水速的方法-加裝射流裝置。熱能動(dòng)力工程，1994（3）：159-162.

[6]Fluent Inc.FLUENT User'sGuide. USA:Fluent Inc.2001.

[7]溫正，石良辰，任毅如。流體計(jì)算應(yīng)用教程。北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[8]李世國(guó)。自然循環(huán)熱水鍋爐鍋內(nèi)射流裝置的理論與試驗(yàn)研究。熱能動(dòng)力工程，1990（11）：37-42.

圖1 熱水鍋爐復(fù)合水循環(huán)系統(tǒng)

圖2 模型網(wǎng)格劃分（1/4表面網(wǎng)格）

圖3 流場(chǎng)速度矢量圖

圖4 噴嘴到下降管入口距離對(duì)噴射系數(shù)的影響

圖5 噴嘴射流速度對(duì)噴射系數(shù)的影響

圖6 下降管與噴嘴截面比對(duì)噴射系數(shù)的影響

圖7 下降管折算阻力系數(shù)對(duì)噴射系數(shù)的影響