喻俊峰，呂恒輝，謝軍龍

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074)

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一種船用壓差控制噴嘴的改進(jìn)設(shè)計(jì)

喻俊峰1，呂恒輝2，謝軍龍2

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074)

為適應(yīng)船舶的安裝環(huán)境，對(duì)文丘里噴嘴進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化型線，縮短長(zhǎng)度，利用CFD軟件進(jìn)行仿真模擬，各工況下的流量和壓差數(shù)據(jù)初步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，搭建試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后噴嘴的各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿(mǎn)足壓差控制的技術(shù)要求。

噴嘴；設(shè)計(jì)；壓差；流量

應(yīng)用噴嘴形成射流是目前船舶通風(fēng)領(lǐng)域中常用做法。射流能在艙室內(nèi)造成快速的空氣流動(dòng)，帶來(lái)較好的換氣或冷卻效果，可有效改善船舶內(nèi)部的艙室通風(fēng)[1-2]。空氣流經(jīng)噴嘴時(shí)，流束形成了局部收縮，使流速增加，靜壓力降低，在噴嘴前后形成了壓差?；诖嗽恚瑖娮煲部捎糜趬翰羁刂?、流量測(cè)量等領(lǐng)域。當(dāng)噴嘴形狀一定時(shí)，空氣的流速越大，在其前后產(chǎn)生的壓差也越大，可按節(jié)流原件前后壓差和通過(guò)的流量設(shè)計(jì)出特定型線的噴嘴，來(lái)滿(mǎn)足某些應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)際需求。根據(jù)GB/T 2624.3—2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿(mǎn)管流體流量 第3部分：噴嘴和文丘里噴嘴》規(guī)定，噴嘴在管道內(nèi)是圓形的，其輪廓型線由收縮部分和圓筒形喉部組成，軸向?qū)ΨQ(chēng)。噴嘴的實(shí)際的形狀為型線繞著對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)360°所得。文丘里噴嘴是一種廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，其基本型線見(jiàn)圖1，一般其喉部長(zhǎng)度較長(zhǎng)。在船舶領(lǐng)域，由于空間狹小，在滿(mǎn)足使用需求的前提下，希望設(shè)備尺寸盡可能小，特別是安裝在相鄰艙室的共用艙壁上用于控制2艙室間氣流的設(shè)備，因此需要根據(jù)實(shí)際用途設(shè)計(jì)特定型線的噴嘴。

1 型線設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 2624.3—2006的規(guī)定，流經(jīng)噴嘴的流體質(zhì)量流量qm為

(1)

給定噴嘴的額定工況如Δp、qm時(shí)，根據(jù)式(1)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的喉部直徑。某工程要求通過(guò)噴嘴的空氣體積流程在200～350m3/h，產(chǎn)生的靜壓力差控制在50～150Pa應(yīng)用工況，計(jì)算得到d=88mm，D=132mm，噴嘴長(zhǎng)度L>93mm。

工程應(yīng)用中，為改善標(biāo)準(zhǔn)噴嘴喉部較長(zhǎng)的問(wèn)題，對(duì)噴嘴的型線進(jìn)行改進(jìn)，考慮到系統(tǒng)中噴嘴作為一種壓力損失元件存在，對(duì)出口氣流的平行度要求不大，同時(shí)為方便加工，將噴嘴的收縮段由2段圓弧改為1段圓弧，對(duì)噴嘴的型線作了如圖2的改進(jìn)，在保證節(jié)流阻力情況下減小軸向長(zhǎng)度。

改進(jìn)后d=90 mm，D=120 mm。

噴嘴采用法蘭形式與外部連接，三維設(shè)計(jì)效果見(jiàn)圖3。

2 仿真模擬

針對(duì)所設(shè)計(jì)的噴嘴的結(jié)構(gòu)和尺寸，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)CFD系統(tǒng)，對(duì)噴嘴的流場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行三維數(shù)值仿真驗(yàn)證，求解過(guò)程見(jiàn)圖4。

噴嘴內(nèi)流體流動(dòng)模型屬于湍流模型。湍流是一種高度復(fù)雜的三維非穩(wěn)態(tài)、帶旋轉(zhuǎn)的不規(guī)則流動(dòng)。在湍流工程計(jì)算中，k-ζ模型應(yīng)用最為廣泛。本設(shè)計(jì)選取k-ζ模型作為湍流模型。

在模擬時(shí)，為保證噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的穩(wěn)定，在噴嘴進(jìn)出口分別增加引流和排流段。同時(shí)為了確保引流段進(jìn)口的壓力接近靜壓，將引流段進(jìn)口處的速度設(shè)為0.3 m/s，由流動(dòng)的連續(xù)性方程可得引流段進(jìn)口直徑為532 mm，將引流段軸向長(zhǎng)度設(shè)為300 mm；考慮到射流流動(dòng)區(qū)域和尾流長(zhǎng)度，將排流段的出口直徑設(shè)為532 mm，排流段的軸向長(zhǎng)度設(shè)為1 200 mm。其模擬的計(jì)算區(qū)域的軸向結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

在fluent中將引流段的進(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，排流段的出口設(shè)為壓力出口，選用k-ζ模型進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，當(dāng)改進(jìn)后噴嘴的直徑d一定，模擬所得到的噴嘴在不同流量值下的壓差與文丘里噴嘴計(jì)算所得到的壓差值是非常接近的，在誤差允許的范圍內(nèi)，說(shuō)明模擬的計(jì)算區(qū)域與計(jì)算方法選擇的正確性。圖6為模擬所得的工況1，工況2和工況6的軸向截面速度分布。由圖6可見(jiàn)，氣流通過(guò)噴嘴時(shí)在出口處形成了明顯的射流。

表1 噴嘴壓差流量模擬數(shù)據(jù)值

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證噴嘴的設(shè)計(jì)，搭建的試驗(yàn)平臺(tái)，原理見(jiàn)圖7。在風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口前連接一段風(fēng)管，利用風(fēng)機(jī)將風(fēng)管內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生空氣流動(dòng)，將噴嘴安裝于風(fēng)管的入口端，用壓力計(jì)和流量計(jì)分別對(duì)風(fēng)管內(nèi)的壓力、流量進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，用變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制風(fēng)管內(nèi)的空氣流量。

試驗(yàn)通過(guò)不同氣體流量大小分為13個(gè)工況點(diǎn)，分別記錄不同流量下的噴嘴前后靜壓力差，擬合記錄值對(duì)應(yīng)得到圖8。

由圖8可見(jiàn)，隨著氣體流量的增加，噴嘴靜壓差逐漸增大，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求，與仿真計(jì)算的結(jié)果基本一致。擬合試驗(yàn)工況點(diǎn)二次多項(xiàng)式曲線，擬合公式為

Δp=0.001 14q2V-0.006 65qV+3.289 33

式中：Δp為壓差,Pa；qV為通過(guò)氣體流量，m3/h。

4 結(jié)論

為滿(mǎn)足船舶工程實(shí)際應(yīng)用需要，對(duì)噴嘴進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，能夠有效滿(mǎn)足特定工況下的技術(shù)指標(biāo)要求。噴嘴結(jié)構(gòu)上的縮短，較少了對(duì)安裝空間的需求，給設(shè)備布置帶來(lái)了便利，結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化，使加工更為容易。實(shí)際使用中，由于流量不便測(cè)量，可以根據(jù)壓力流量擬合公式，由壓力計(jì)算得到流量。根據(jù)噴嘴前后的壓差控制通過(guò)噴嘴的空氣流量，從而將噴嘴應(yīng)用于控制流量控制領(lǐng)域。

[1] 劉亞琴，劉喜元.局部射流送風(fēng)對(duì)船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)分析[J].船海工程,2016(2):20-23.

[2] 邵飛.空氣射流通風(fēng)技術(shù)在艦船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)艦船研究,2007,2(4):47-50.

[3] 謝軍龍,等.亞間速射流實(shí)驗(yàn)與流場(chǎng)模塊[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2013(8):1457-1461.

[4] 龐生敏，陳沛民.基于CFD的圓柱形噴嘴設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化.2011(1):41-42.

An Improvemental Design of the Marine Nozzle for Pressure Difference Control

YU Jun-feng1, LV Heng-hui2, XIE Jun-long2

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to adapting the ship's environment, the improvemental design of the Venturi nozzle was made by simplifying the line type and shortening the length. The CFD software was used to get the flow and pressure data in each working condition to verify the design. Experiments were carried out by a test platform, showing that the new improved nozzle's indicators meet the requirements of pressure difference control.

nozzle; design; pressure difference; flow

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.037

2017-03-07

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

喻俊峰(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶輔助系統(tǒng)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0153-03

修回日期：2017-03-27