張少凱，楊元龍，鄭子都

(1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005;2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

船用增壓鍋爐燃油霧化器流動(dòng)特性數(shù)值研究

張少凱1，楊元龍2，鄭子都2

(1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005;2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

為進(jìn)一步提高船用增壓鍋爐的燃燒效率，明晰增壓鍋爐機(jī)械式燃油霧化器的霧化特性，建立船用增壓鍋爐機(jī)械式燃油霧化器的三維模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算霧化器流場(chǎng)的湍流結(jié)構(gòu)，基于CFD數(shù)值模擬的方法，得到在不同進(jìn)口油壓下霧化器關(guān)鍵性能參數(shù)的分布規(guī)律，分析表明，船用鍋爐機(jī)械式霧化器的噴油口部位動(dòng)能損失最大，承受流體沖擊和剪切作用最強(qiáng)，極易誘發(fā)低頻振動(dòng)及結(jié)構(gòu)損壞。

增壓鍋爐；燃油霧化器；數(shù)值研究

增壓鍋爐具有重量尺寸小、機(jī)動(dòng)性靈活和汽力慣量大的特點(diǎn)，成為船舶蒸汽動(dòng)力裝置的核心設(shè)備[1- 2]。在渦輪增壓機(jī)組匹配過量空氣的條件下，為提高鍋爐的熱負(fù)荷及其變化率，船用增壓鍋爐采用增壓強(qiáng)化燃燒方式[3]。為使燃油能夠高效穩(wěn)定的燃燒，防止發(fā)生爆燃、冒黑煙等燃燒不充分的現(xiàn)象，船用增壓鍋爐配置機(jī)械旋轉(zhuǎn)式燃油霧化器對(duì)燃油進(jìn)行良好的機(jī)械霧化，即高壓燃油進(jìn)入機(jī)械式旋轉(zhuǎn)霧化器，獲得高速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使燃油的壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，在離心力的作用下，使燃油從噴油口噴出并霧化[4]。因此明晰霧化器的流動(dòng)特性對(duì)船用增壓鍋爐的燃燒效率和安全運(yùn)行有極其重要的作用。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)燃油霧化器做了大量研究，有分析普通燃油鍋爐燃燒器霧化機(jī)理并基于經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式提出相應(yīng)改進(jìn)對(duì)策[5]。有采用數(shù)值模擬方法計(jì)算低壓燃油霧化噴嘴的流動(dòng)規(guī)律[6-7]；有利用仿真手段研究熱力發(fā)電廠燃煤鍋爐燃油燃燒器的霧化特性[8]。但是，鑒于船用增壓鍋爐設(shè)計(jì)技術(shù)的封鎖性，少見在公開文獻(xiàn)中報(bào)道關(guān)于船用增壓鍋爐機(jī)械式壓力霧化器流動(dòng)特性研究。為此，建立實(shí)際船用增壓鍋爐機(jī)械式霧化器的三維模型，采用CFX軟件模擬機(jī)械式霧化器的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，在不同壓力條件下得到霧化角、充滿系數(shù)、流量等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律，用于船用增壓鍋爐燃油霧化器的理論設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 計(jì)算模型

船用增壓鍋爐機(jī)械式壓力霧化器的幾何結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 霧化器結(jié)構(gòu)

霧化器由油槽、旋流室和噴口組成。燃油經(jīng)過圓環(huán)形進(jìn)油區(qū)域流入切向油槽，在旋流室進(jìn)行高速度旋轉(zhuǎn)，然后經(jīng)過噴嘴旋轉(zhuǎn)噴射出霧化燃油。油槽數(shù)量為4個(gè)，油槽的寬度為4.5 mm，旋流室的直徑為12 mm，進(jìn)油區(qū)的外徑為24 mm，進(jìn)油區(qū)流道的寬度為3 mm，噴口直徑為2.43 mm，霧化器的長度為9 mm。由于實(shí)際爐膛結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，為保證噴油器出口區(qū)域?yàn)榘l(fā)展流動(dòng)狀態(tài)的流場(chǎng)，故在噴油器出口噴油區(qū)域增設(shè)直徑為22 mm、長度為20 mm的出口發(fā)展流域，提高計(jì)算模擬的準(zhǔn)確性和合理性。

如圖2所示，霧化器采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式進(jìn)行網(wǎng)格處理，噴油區(qū)壁面處添加邊界層網(wǎng)格，旋流室流域的網(wǎng)格進(jìn)行加密劃分處理，網(wǎng)格近壁量-的量綱尺寸y+為18～25，確保數(shù)值模擬計(jì)算的網(wǎng)格精度要求。通過網(wǎng)格敏感性驗(yàn)證分析，霧化器網(wǎng)格模型共包括48萬個(gè)網(wǎng)格單元。

圖2 網(wǎng)格模型

2 數(shù)值理論方程

2.1 基本控制方程

霧化器的流場(chǎng)為等溫的不可壓縮流場(chǎng)。考慮體積力，霧化器流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程和動(dòng)量方程的描述形式為：

(1)

(2)

2.2 湍流控制方程

基于標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型[9]建立霧化器流場(chǎng)的湍流脈動(dòng)結(jié)構(gòu)，將湍流演變過程處理為受隨機(jī)力驅(qū)動(dòng)的輸運(yùn)過程。其具體表達(dá)形式如下。

(3)

(4)

式中：C1ε，C2ε，σk，σε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別為C1ε=1.44，C2ε=1.92，σk=1.0，σε=1.3。

湍流粘性系數(shù)定義為：

(5)

式中，μt——湍流粘度，Pa·s；Cμ——常數(shù)，Copy=0.09。

2.3 計(jì)算邊界

為準(zhǔn)確模擬船用增壓鍋爐霧化器的流動(dòng)特性，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)置邊界條件。①入口條件：入口燃油溫度為70 ℃，燃油壓力為0～3 MPa；②出口條件：出口壓力為0.1 MPa，沿流動(dòng)方向參數(shù)導(dǎo)數(shù)為零；③壁面條件：絕熱條件和無滑移邊界條件。

3 霧化器的流動(dòng)特性分析

不同入口油壓工況下霧化器燃油流量變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 霧化器流量變化

由圖3可知，隨著霧化器燃油進(jìn)口壓力的升高，霧化器的霧化燃油流量不斷增大，主要是由于霧化器的出口背壓不變，進(jìn)口壓力升高，導(dǎo)致燃油壓差增大，從而使燃油流量不斷增大，最高霧化燃油流量達(dá)到0.17 kg/s。從圖3中還可以看出，數(shù)值模擬的曲線與理論設(shè)計(jì)數(shù)值吻合較好，驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

霧化器流線分布規(guī)律見圖4。

圖4 霧化器流線分布規(guī)律

由圖4可知，燃油從噴油切向油槽進(jìn)入時(shí)，燃油入口壓力高，流速低；隨著燃油流入旋流室，越靠近中心，燃油旋流速度越高，壓力越低；在距旋流室噴油口的軸線方向一定距離流域，局部油壓低于出口壓力，導(dǎo)致燃油回流，并在霧化器中心形成中空渦流現(xiàn)象。在實(shí)際增壓鍋爐燃燒條件下，由于霧化器的中空回流作用，極易導(dǎo)致爐膛的火焰經(jīng)霧化器噴口回流至燃油總管，從而極大地影響船用增壓鍋爐安全運(yùn)行。

不同入口油壓工況下霧化器的霧化角(2α)分布見圖5。

圖5 霧化角分布

由圖5可知，隨著霧化器進(jìn)口燃油壓力的增大，促使旋流室的旋轉(zhuǎn)速度逐漸升高，燃油旋轉(zhuǎn)更加強(qiáng)烈，導(dǎo)致霧化器噴油口的切向流速不斷升高，因此霧化角隨著油壓的升高緩慢增大。當(dāng)入口油壓從0變化至3 MPa時(shí)，霧化器的霧化角(2α)從66°增大到71°，可以看出霧化角的變化范圍較小，因此入口油壓對(duì)霧化器的霧化角變化影響較小。從圖中還可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與理論設(shè)計(jì)數(shù)值基本吻合。

霧化器充滿系數(shù)分布曲線見圖6。

圖6 充滿系數(shù)分布

由圖6可知，隨著入口油壓的升高，霧化器充滿系數(shù)不斷下降。究其原因主要是由于進(jìn)口油壓的增大，燃油流量增加，促使霧化器的旋流室切向速度升高，燃油的霧化角增大，噴油口中空渦流半徑增大。而渦流半徑的平方與充滿系數(shù)成反比例關(guān)系，因此霧化器充滿系數(shù)隨著進(jìn)口油壓的升高而逐漸減小。數(shù)值模擬曲線與理論設(shè)計(jì)曲線基本吻合。

霧化器噴油口流速變化規(guī)律見圖7。

圖7 流速變化

從圖7可以看出，隨著霧化器燃油進(jìn)口壓力的增加，噴油的霧化燃油流速不斷升高，最高流速達(dá)到50 m/s，主要是由于進(jìn)油流道內(nèi)燃油壓力升高，流量增大，燃油旋轉(zhuǎn)愈加強(qiáng)烈，動(dòng)能快速增加，噴油口燃油流速不斷升高。

不同進(jìn)口油壓工況下霧化器噴油口湍動(dòng)能的變化見圖8。

圖8 湍動(dòng)能變化曲線

由圖8可知，隨著進(jìn)口油壓的升高，霧化器噴油口的湍動(dòng)能逐漸增大。主要是由于壓力升高，燃油流速不斷升高，速度梯度逐漸增大，促使噴口處燃油湍動(dòng)能隨著進(jìn)口壓力升高而逐漸增大。

湍動(dòng)能在霧化器縱截面分布規(guī)律見圖9。

圖9 湍動(dòng)能縱截面分布規(guī)律

由圖9可知，在霧化器的噴口區(qū)域由于速度梯度變化較大，導(dǎo)致該區(qū)域的燃油湍動(dòng)能達(dá)到最大值，不僅增大了流動(dòng)能量的損失，降低燃油霧化動(dòng)量，還易誘發(fā)霧化器的低頻脈動(dòng)。

不同進(jìn)口油壓工況下霧化器噴油口壁面剪切應(yīng)力的變化見圖10。

圖10 壁面剪切應(yīng)力分布曲線

從圖10可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口油壓的升高，霧化器噴油口的壁面剪切應(yīng)力逐漸增大。主要是因?yàn)檫M(jìn)口油壓升高，流速不斷升高，導(dǎo)致噴油口湍流脈動(dòng)增強(qiáng)，從而使壁面剪切應(yīng)力不斷增大。

霧化器局部壁面剪切應(yīng)力分布見圖11。

圖11 壁面剪切應(yīng)力分布規(guī)律

由圖11可知，在霧化器進(jìn)油流道區(qū)域，湍流脈動(dòng)強(qiáng)度弱，壁面剪切應(yīng)力較小。但在霧化器的噴油口部位，由于霧化器噴油口區(qū)域湍流脈動(dòng)劇烈，增強(qiáng)湍流流體微團(tuán)之間的動(dòng)量傳遞，導(dǎo)致壁面剪切應(yīng)力突然升高。因此在霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)該提高噴油口材質(zhì)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1)船用鍋爐機(jī)械式霧化器的噴油口部位承受的沖擊流速、湍動(dòng)能及壁面剪切應(yīng)力最大，極易

發(fā)生低頻振動(dòng)及結(jié)構(gòu)損壞；

2)為防止霧化器噴油口形成燃油中空回流而誘發(fā)增壓鍋爐“燃燒回火”，實(shí)際船用霧化器噴油口位置應(yīng)增設(shè)火焰導(dǎo)流裝置；

3)船用鍋爐機(jī)械式霧化器進(jìn)口油壓快速升高，但霧化器的燃油霧化角緩慢增大，并維持在一定范圍內(nèi)。

4)本文研究方法可用于船用增壓鍋爐燃油霧化器的理論設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

鑒于實(shí)際船用增壓鍋爐機(jī)械式霧化器的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性極其復(fù)雜，本文在忽略燃油與空氣高溫燃燒的假設(shè)條件下，通過冷態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬得到機(jī)械式霧化器的霧化特性。在下一步研究工作中，將深入分析鍋爐增壓燃燒條件下機(jī)械式霧化器的霧化特性。

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[3] 陳 兵,孫長江,秦曉勇.基于PLC的船用增壓鍋爐點(diǎn)火與火焰檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].中國艦船研究,2011,6(1)：69-72.

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Numerical Investigation on Flow Characteristics of Oil Atomizer for Marine Supercharged Boiler

ZHANG Shao-kai1, YANG Yuan-long2, ZHENG Zi-du2

(1 Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co. Ltd., Dalian Liaoning 116005, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

To directly improve combustion efficiency of the marine supercharged boiler and spray characteristics of mechanical oil atomizer, a 3D model for oil atomizer of the marine supercharged boiler is established. The flow characteristics of the oil atomizer are studied numerically based on CFX software. The standardk-εturbulence model is used to calculate the flow structure of the oil atomizer field. The distributions of key performance parameters are obtained under different inlet oil pressure conditions. The results show that the maximum kinetic energy loss, strongest shear and impact existed on the local injection port of atomizer, which could induce low frequency vibration and structural damage easily.

supercharged boiler; oil atomizer; numerical investigation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.019

2015-05-04

國家自然科學(xué)基金(51309063)

張少凱(1960-)，男，大學(xué)，高級(jí)工程師

U664.111

A

1671-7953(2015)06-0082-05

修回日期：2015-05-11

研究方向:艦船動(dòng)力

E-mail: long31609@163.com