李世瑞，韓東，高斯杰，王瑾程，何緯峰，鄭明瑞，汪勝，周天昊，彭濤

(1.南京航空航天大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.江蘇樂科節(jié)能科技股份有限公司，江蘇 靖江 214500)

0 引言

蒸汽作為一種重要的能源，通過管道運輸?shù)绞褂玫?，廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)。在運輸過程中，由于蒸汽會與環(huán)境換熱，無法避免一部分蒸汽被冷凝成飽和液態(tài)水，由此形成氣液兩相混合物在管道中流動。流動過程中會遇到噴嘴、閥門、文丘里管和孔板，當(dāng)飽和水流經(jīng)這些截面突然變化的結(jié)構(gòu)時，會出現(xiàn)突然的壓降，飽和溫度隨著下降，導(dǎo)致劇烈的沸騰，這個過程稱之為閃蒸[1-2]。在管道或者儲罐存在裂縫發(fā)生泄漏時，流體流出也會觀察到這一現(xiàn)象。為了保證運輸過程的安全和可操作性，需要準(zhǔn)確地揭示閃蒸傳熱相變機(jī)理，而閃蒸流動復(fù)雜的物理特性，也導(dǎo)致了仿真模型的復(fù)雜性。

由于閃蒸現(xiàn)象的重要性，在近幾十年來出現(xiàn)了許多理論[3-5]和實驗方法[6-7]。在眾多的理論模型中，HEM(the homogeneous equilibrium model)是最經(jīng)典的模型，它假定相間的滑移速度為0，認(rèn)為閃蒸是平衡狀態(tài)下的偽單相流[8]。HEM模型適用于相間能平滑過渡的長噴嘴中，若應(yīng)用在尺寸較小的噴嘴會產(chǎn)生較大的誤差。當(dāng)HEM不適用的情況下，需要增加經(jīng)驗修正系數(shù)或相間滑移速度方程以修正模型[9-10]。DANGLE Q A等[5]使用考慮了非平衡效應(yīng)的閃蒸流動模型，是通過使用沸騰延遲效應(yīng)解釋的。假設(shè)兩相混合物的相變?nèi)Q于氣化壓力與蒸汽分壓的差值，其仿真結(jié)果與現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)具有良好的一致性。傳統(tǒng)的霧化噴嘴是通過氣與液的沖擊混合，利用速度差將液膜破碎成霧滴，而在噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中并未涉及相變[11]?，F(xiàn)有學(xué)者將流體的閃蒸作用應(yīng)用于霧化噴嘴上，并研究了雙孔噴嘴之間的膨脹室尺寸和幾何形狀對霧化的影響[12-14]。在噴嘴結(jié)構(gòu)的兩相流研究中，主要集中于出口處產(chǎn)生噴霧效果的研究，忽略了多級噴嘴內(nèi)部的閃蒸流動特性研究，較少提及到結(jié)構(gòu)尺寸對閃蒸流動的影響，對流經(jīng)多級噴嘴流量變化規(guī)律的探究也并未涉及。

本文的主要目的是分析噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸對流經(jīng)它的水汽混合物流量的影響，并使用了雙級通道，分析噴嘴內(nèi)部通道閃蒸流的流動特性。為了進(jìn)行分析，采用兩相流混合模型來考慮相變，建立閃蒸流動模型，對噴嘴的喉道直徑和擋板處通流面積進(jìn)行分析。

1 研究對象

本文所研究的噴嘴幾何模型如圖1所示。噴嘴由入口段、喉道孔、擋板和出口段組成。噴嘴的幾何尺寸為D1=15 mm；L1=98.5 mm；D2、L2和D3的尺寸為本研究中的變量，探究這些變量對水汽混合物流量的影響。噴嘴結(jié)構(gòu)為軸對稱的，計算時可以將噴嘴簡化為二維對稱模型，從而減少計算耗時。以入口段中心為原點，使用Icem軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并在壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密，使用Fluent軟件模擬其流場分布與閃蒸相變過程。

圖1 噴嘴幾何模型示意圖

2 計算方法

2.1 閃蒸相變數(shù)學(xué)模型

閃蒸相變是一個復(fù)雜的多相流過程，至今尚無普適的非平衡方程進(jìn)行數(shù)值模擬。由于閃蒸過程中難于確定氣泡直徑與成核速率等參數(shù)，本研究使用蒸發(fā)冷凝模型進(jìn)行擴(kuò)展，采用耦合混合模型(mixture model)進(jìn)行仿真研究?；旌夏Ｐ图僭O(shè)兩相為連續(xù)相，相互間可以穿插，相間允許存在較小的滑移速度。其基本的控制方程如下。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

vdr,k=vk-vm

(2)

(3)

動量守恒方程：

(4)

能量守恒方程：

(5)

式中：αk為相k體積分?jǐn)?shù)；vm為質(zhì)量平均速度；ρm為混合物的密度；μm為混合物的黏度；vdr,k為次相k的滑移速度；λeff為有效熱導(dǎo)率。其中：

(6)

(7)

(8)

λeff=∑αk(kk+kt)

(9)

vdr,k=vk-vm

(10)

(11)

除了動量和熱量的交換外，還存在相變，液態(tài)水和蒸汽之間也有質(zhì)量交換。需要添加液態(tài)水相變產(chǎn)生的質(zhì)量和能量傳遞方程，計算式如下：

(12)

SE=Smghsat

(13)

式中：γ為時間迭代系數(shù)；Tsat為沸點溫度；hsat為汽化潛熱。

2.2 計算條件

計算區(qū)域用二維軸對稱方法表示，并建立了結(jié)構(gòu)化單元網(wǎng)格。表1展示的是仿真的邊界條件。在模擬中，噴嘴入口采用了壓力入口邊界條件，入口流體為飽和液態(tài)水，入口溫度為入口壓力下對應(yīng)的飽和溫度，出口為大氣壓，在壁面處使用無滑移邊界條件，湍流模型選擇RNGk-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。為了保證計算的準(zhǔn)確性和迭代的收斂速度，所有物理量均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，并已進(jìn)行網(wǎng)格獨立性研究，以確保準(zhǔn)確性。

表1 邊界條件

2.3 實驗系統(tǒng)

為了驗證模型的準(zhǔn)確性，搭建了測試實驗臺，實驗系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)分為測試回路與冷凝回路。測試回路中，高溫飽和水由蒸汽流經(jīng)換熱器后產(chǎn)生，流經(jīng)視鏡后進(jìn)入測試噴嘴，出口通入水罐中。水罐配備有溫度計和液位計，可根據(jù)水罐實驗前后的液位變化與溫度變化來計算流量,所用公式如下：

圖2 實驗系統(tǒng)圖

m=ρHS

(14)

(15)

式中：H為水罐的液位高度；S為水罐的底面積；Δt為實驗的時間，m1、m2為水罐實驗前后的質(zhì)量。

循環(huán)回路主要負(fù)責(zé)將蒸汽冷凝成液態(tài)水，冷凝水經(jīng)過水泵的驅(qū)動進(jìn)入換熱器，為了保證蒸汽能完全冷凝成飽和水，在換熱器側(cè)面開設(shè)了6個旁路，可利用閥門的開啟與關(guān)閉，通過控制循環(huán)液位來控制蒸汽與冷凝水的接觸面積，從而控制冷凝負(fù)荷。

3 結(jié)果與討論

3.1 閃蒸相變模型驗證

為了驗證閃蒸相變模型的準(zhǔn)確性，選取D2=5 mm、D3=2 mm、L2=4 mm的模型進(jìn)行實驗與仿真。出于安全考慮，實驗的壓力控制在0.4 MPa以下，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。圖3為實驗與仿真的流量對比圖。通過對比發(fā)現(xiàn)，實驗與仿真的結(jié)果較吻合，誤差在10%以下，驗證了閃蒸相變模型的準(zhǔn)確性。

圖3 實驗與仿真的流量對比

3.2 噴嘴內(nèi)閃蒸流場分析

為了更好地研究噴嘴閃蒸兩相流的流動狀態(tài)，建立D2=5 mm、D3=6 mm、L2=4 mm的CFD模型進(jìn)行仿真計算，分別研究了該模型在不同進(jìn)口壓力和出口壓力下的出口流量情況。從圖4可以看出，隨著進(jìn)口飽和壓力的升高，出口總流量呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。若出口處背壓降低，出口總流量也呈現(xiàn)增加的趨勢，即噴嘴的流量與進(jìn)出口兩端壓差有關(guān)，壓差越大，出口流量越大。

圖4 不同壓力下出口流量的變化

圖5為噴嘴內(nèi)的壓力與速度分布圖。可以看到流體流經(jīng)喉道孔時，由于流通面積的突然減小，流體突然加速，沿軸向上產(chǎn)生一個較大的速度，并伴隨著流體的壓力下降。由于該過程的流動存在局部損失，流過喉道孔后的流體無法恢復(fù)到之前的壓力，存在著較大壓降。在擋板前方，由于阻擋了流體的流動，在擋板的正前方存在著一個滯止區(qū)，該區(qū)域的壓力明顯高于周邊。由于阻擋，流體會朝著擋板兩邊流動，而下游的流道截面積比上游的大，流體減速，壓力回升，即在擋板后方呈現(xiàn)壓力上升現(xiàn)象。

圖5 噴嘴壓力與速度云圖

圖6為噴嘴內(nèi)氣、液相體積分?jǐn)?shù)分布圖，通過分布圖能很好地觀察到流體的流動特性。可以看到流體流經(jīng)喉道時，壓力降低，當(dāng)壓力低于該溫度下水對應(yīng)的飽和壓力而發(fā)生閃蒸現(xiàn)象。液態(tài)水從擋板兩側(cè)流出，而閃蒸產(chǎn)生的蒸汽大量滯留于中間腔體中，并在噴嘴的中間段形成一個閃蒸區(qū)域。

圖6 噴嘴內(nèi)氣、液體積分?jǐn)?shù)分布圖

圖7為噴嘴對稱軸L=34.4 mm、L=42.8 mm和L=57.8 mm處的徑向體積分?jǐn)?shù)分布圖，可以看到在徑向位置上的蒸汽體積分?jǐn)?shù)在靠近對稱軸線與壁面時都呈現(xiàn)急劇下降的情況，而在對稱軸線與壁面之間氣相體積分?jǐn)?shù)存在一個峰值，這是由于蒸汽在近壁面的回流引起的。

圖7 對稱軸方向上徑向氣體體積分?jǐn)?shù)分布圖

3.3 噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸對閃蒸流動的影響

1)擋板處通流面積分析

本節(jié)討論通流面積對閃蒸流動的影響，通過改變擋板的高度，來調(diào)整流通通道D3的尺寸，實現(xiàn)流道通流面積的改變，從而獲得不同通流面積對流量特性影響。圖8為噴嘴出口流量隨D3大小的變化圖?？梢钥吹诫S著通流面積的增大，出口水流量顯現(xiàn)增加趨勢，但出口流量增加的速率變緩。這是由于在噴嘴兩端的壓差已經(jīng)確定的條件下，出口流量存在一個最大值，不會隨著流通面積的增大而無限增加。

圖8 噴嘴擋板處不同D3尺寸的出口流量

圖9為不同D3尺寸下的噴嘴氣體體積分?jǐn)?shù)與其流線圖。由于擋板的存在，液態(tài)水與閃蒸形成的蒸汽只能通過擋板兩側(cè)流出，閃蒸后產(chǎn)生的蒸汽大量滯留在中間腔體中，并于流體在的主流區(qū)與壁面之間形成了渦。由于渦的存在，使得蒸汽聚集于渦的內(nèi)部，出現(xiàn)高氣相體積分?jǐn)?shù)區(qū)域。在擋板后方的區(qū)域也會形成渦，并隨著D3的減小，擋板后的渦越大，出口處氣相體積分?jǐn)?shù)越大，并也出現(xiàn)高氣相體積分?jǐn)?shù)的區(qū)域?；亓鳒u的出現(xiàn)，是使該區(qū)域的氣相體積分?jǐn)?shù)比周圍大的主要原因。

圖9 不同D3下的噴嘴內(nèi)部氣體體積分?jǐn)?shù)與流線圖

2)喉道孔徑大小分析

本節(jié)討論喉道孔徑D2對閃蒸流道的影響。喉部作為噴嘴最重要的結(jié)構(gòu)，決定著整個結(jié)構(gòu)的流動狀態(tài)。在模擬中，僅改變喉部孔徑D2，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變，獲得孔徑對流量特性影響。圖10為出口流量隨喉道孔徑變化圖，可以看到通過噴嘴的流量隨著喉道孔徑的增加而逐漸增加。喉部直徑越小，管道的流通面積越小，即流量越小，這是合理且理想的。

圖10 不同D2下噴嘴的出口流量

圖11為不同D2尺寸下噴嘴內(nèi)的氣相體積分?jǐn)?shù)分布圖與流線圖?？梢钥闯鲩W蒸形成的蒸汽仍聚集在噴嘴的中間段，高氣相體積分?jǐn)?shù)區(qū)域仍出現(xiàn)在噴嘴主流與壁面之間的區(qū)域。不同的是，隨著喉道孔徑的減小，噴嘴中間段高氣相體積分?jǐn)?shù)區(qū)域越廣，3 mm孔徑的噴嘴高氣相體積分?jǐn)?shù)區(qū)域越接近于充滿噴嘴的整個中間段。喉道孔徑減小，流動的壓損增大，使得相變過熱度更高，更有利于閃蒸的發(fā)生，這還體現(xiàn)在噴嘴下游出口附近，3 mm孔徑的氣相體積分?jǐn)?shù)最大。

圖11 不同D2下的噴嘴內(nèi)部氣體體積分?jǐn)?shù)與流線圖

圖12為軸向方向上L=57.8 mm處的徑向氣相體積分?jǐn)?shù)，可以觀察到不同喉道孔徑的噴嘴在中間主流區(qū)域的氣相體積分?jǐn)?shù)都比較低，并且在壁面與主流間存在一個峰值。不同喉道孔徑的噴嘴，峰值也不同，喉道孔徑D2=3.0 mm時，峰值氣相體積分?jǐn)?shù)為0.74，喉道孔徑為D2=5.5 mm時，峰值氣相體積分?jǐn)?shù)為0.25。峰值隨喉道孔徑的減小而增大。喉道孔徑越小，越容易發(fā)生閃蒸，這體現(xiàn)在氣相體積分?jǐn)?shù)的增大上。

圖12 軸向L=57.8 mm處不同D2下徑向氣體體積分?jǐn)?shù)

4 結(jié)語

本文建立了閃蒸流動模型，基于mixture模型，在Ansys fluent 軟件中使用2D軸對稱幾何尺寸，大大簡化了計算。分析了噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸對流經(jīng)它的水汽混合物的流量的影響，并使用了雙級通道，分析噴嘴內(nèi)部通道閃蒸流的流動特性。

1)閃蒸相變是復(fù)雜的非平衡過程，利用壓降閃蒸原理建立了閃蒸相變模型，計算雙級噴嘴的相變過程，模擬的流量與實驗較為吻合，驗證了模型的準(zhǔn)確性。

2)利用fluent模擬了雙級噴嘴的閃蒸相變流動，水在喉道出口大量汽化，但由于下游擋板的存在，蒸汽聚集在噴嘴的中間段形成一個閃蒸區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)各處的氣相體積分?jǐn)?shù)各不相同。因為渦的存在，使得一小塊區(qū)域呈現(xiàn)較高的體積分?jǐn)?shù)。

3)調(diào)節(jié)擋板處的通流面積可改變閃蒸流動的流量，通流面積越大，出口流量就越大。擋板的高度越高，流通面積變窄，而噴嘴在出口處的氣相體積分?jǐn)?shù)越大。對于喉道孔徑，作為噴嘴中最重要的結(jié)構(gòu)，噴嘴的流量隨著喉道孔徑的減小而逐漸減小。而喉道孔徑的減小，噴嘴中間段高氣相體積分?jǐn)?shù)區(qū)域會變廣。喉道孔徑減小，流動的壓損增大，使得相變過熱度更高，更有利于閃蒸的發(fā)生。