基于ASNSYS的水冷風機單噴頭霧化冷卻數值模擬

譚興強，唐 聰，吳 毅

（1.攀枝花學院智能制造學院，四川攀枝花617000；2.西華大學 機械工程學院，四川 成都610039）

0 前言

在目前運用的工業循環水冷卻設備中，主要使用電動風機冷卻塔。相比于自然通風冷卻，其冷卻效率更高，因而廣泛應用于循環水冷卻系統中。然而其在保證冷卻效率的同時，卻存在著能耗過高等問題。其運行能耗約占水循環全部能耗的25%［1］，使得水的冷卻成本大大增加。

為實現低能耗或無能耗工業循環水的冷卻，王仁南［2］對煉油企業循環水冷卻塔進行節能改造研究，經過試驗驗證了利用循環水余壓驅動風機的可行性。韓靜雷［3］對改造水冷風機并進行了經濟效益的驗算，發現利用循環余壓水驅動風機轉動實現冷卻存在巨大的經濟價值。鞠曉亮等［4］設計了一款應用于冷卻塔中的水輪機水動風機，并對其進行了系統分析，發現在冷卻塔上利用水動風機代替普通電動風機具有良好的冷卻效果，并有較好的節能效果。李延頻等［5］基于工業循環冷卻水系統的構成方式進行研究，提出了水輪-風機組余能利用、透平泵余能利用和小型或微型水輪發電裝置向外送電的余能利用3種余能利用方式。吳韻華等［6］用GLW型水輪機代替逆流填料冷卻塔風機驅動電動機，驗證這種方式不僅可實現冷卻塔風機零電耗，還減少了二氧化碳排放，并用實踐證明了該技術的可行性。考慮到工業循環水在從出口水泵排出時常帶有0.15 Mpa～0.3 Map的余壓，這些余能常因直接排放到冷卻池而白白浪費掉。因此設計一種噴霧推進式水冷風機，通過研究單個噴頭的霧化冷卻性能，驗證其可行性。

1 水冷風機工作原理

水冷風機是通過循環水余壓推動的自旋轉裝置。其原理是：將循環水系統出口水泵排出的帶有余壓的循環水引入水冷風機，從噴水管上噴頭以液滴的形式噴出；余壓水噴出后產生反作用力驅動水冷風機旋轉；風機旋轉時帶動風葉旋轉形成一股向上的冷風，冷風與噴出的循環水進行換熱，使空氣增熱增濕，從而快速帶走熱量，達到熱循環水降溫的效果。水冷風機示意圖如圖1所示：

圖1 水冷風機示意圖

液滴噴出過程中與空氣接觸面積較大，加之冷風促進作用，能加快循環水降溫。噴頭是循環水霧化的核心部件，循環水在壓力作用下通過孔徑突然縮小的噴頭流出，在噴頭處可形成單相區、空穴區及回流區三個工作區，不同工作區轉變是一個突變過程，會產生完全不同的霧化效果。噴頭的內部尺寸與形狀決定了流體在噴嘴處噴出的速度、初始顆粒尺寸、以及液滴分散角等，對水冷風機循環水噴出后的霧化冷卻效果具有直接影響。

由于水冷風機結構是旋轉對稱的，通過模擬單支噴水管的霧化冷卻狀態就可以得到水冷風機的冷卻效果。通過對噴水管內部液體流動性能進行模擬，得出循環水在噴頭處的流速、流量等噴霧初始條件。改變噴嘴直徑分別進行模擬，選用最佳噴嘴直徑下的模擬結果作為霧化冷卻模擬的初始條件，進行循環水霧化冷卻數值模擬。

2 噴水管內部流動特性數值模擬

2.1 模擬方法

圖2 噴水管網格劃分

2.2 模擬結果與分析

通過流體后處理系統CFD-Post中Function Calculator功能統計不同參數下噴頭處的流速與流量，產生速率與流量分布如圖3、圖4所示：

圖3 噴頭出口流速分布圖

圖4 噴頭出口流量統計圖

由圖3-4可知，當噴嘴直徑為8mm時，各種壓力下都具有較高的出口流速與流量，具有較好初始條件。

3 單噴頭霧化場冷卻數值模擬

為驗證水冷風機的霧化冷卻效果，對水冷風機單噴頭外部霧化場效果進行數值模擬。由第二章可知，水冷風機在噴嘴直徑為8mm時具有較高的流速與流量，經實驗測得，水冷風機縱向風速最高可達5m/s，以0.2MPa循環水輸入余壓為例，其初始霧化參數如表1：

3.1 模擬方法

表1 噴嘴霧化初始參數

霧化場簡化為直徑為1m高度為4m圓柱體，利用ICEM對霧化場進行建模并生成非結構化網格，網格質量達到0.7以上，滿足霧化場分析條件。網格如圖5所示：

圖5 霧化場網格

將網格導入Fluent軟件進行數值模擬，計算時選擇基于壓力法的求解器，采用k-ε湍流模型描述噴霧周圍氣體介質連續相運動；液滴與空氣之間有能量交換，開啟能量方程；循環水的霧化過程中含有多種組分的相互作用，因此激活組分傳輸模型，將流體域細分為氮氣，氧氣，水蒸氣。首先對連續相在穩態條件下進行計算，當連續相收斂后，打開DPM離散相方程，引入TAB破碎模型，加入射流源Injection并選取solid-cone模型進行瞬態霧化數值模擬，用rosin-rammler分布描述液滴分布狀態。為了模擬大氣環境，邊界outlet設置為大氣壓，在DPM選項中將邊界類型設置為escape。結合流場變量求解每一個顆粒的受力情況，追蹤每一個顆粒運動軌道，得出粒徑分布。

3.2 霧化原理基礎理論

3.2.1連續相方程

冷風在霧化場中為連續相，由于細微的密度變化不會對流體流動形成明顯的影響，因此可忽視密度脈動的影響［7］。考慮到平均密度的變化，可得可壓湍流平均流動的控制方程：

式中，ρ為密度，g/cm3；t為時間，s；u為速度矢量。

在運行期內，記為第i個AC的失效次序統計量，為第i個MC的失效次序統計量。顯然，以為節點，將運行期分割成若干連續運行子期，記為第l個運行子期，則有如下結論：

動量方程為：

其他變量的輸運方程：

式中：φ為某一個變量，Γ為擴散系數；S為源項。

3.2.2離散相方程

液滴在霧化場中是離散項，根據作用在顆粒上的力平衡法則，可得到顆粒在拉格朗日坐標系下的運動方程：

式中：Fd為霧滴單位曳力，N；u為連續相速度，m/s；up為霧滴速度，m/s；μ為流體動力黏度，N·s/m2，ρ為流體密度，kg/m3；dp為霧滴直徑，m；Re為雷洛數；Cd為曳力系數；g為重力加速度，m/s2；F為其他作用力，N［8］。

3.2.3破碎模型

循環水經過噴頭破碎后變為液滴，為了可以在霧化模型的初始條件下預測噴嘴出口處的初始霧滴粒徑和速度，Rourke等［9］提出了TAB破碎方程：

當x＜Cbr時，霧滴發生破碎，其中Cb是無量綱數，通過實驗得出：Cb＝0.5

式中：CF、Ck、Cd為無量綱參數，參數取值：CF＝1/3，Ck＝8，Cd＝5［10］。

3.3 仿真結果與分析

如圖6～9所示分別是循環水噴射時間5s之后，系統工作達到穩定狀態下的霧化粒徑分布、中間平面粒徑分布比例、霧化溫度場分布、霧化場速度分布的仿真結果。由圖6可知，從噴嘴噴出的霧化液滴粒度較均勻，粒度越大的霧化液噴射的越高或越遠；由圖7可知，霧化的液滴的粒徑小于0.5 mm，其中小于0.35 mm的約占比50%，0.35～0.5 mm的占比50%，而小于0.35 mm的霧滴其直徑主要分布在0.1～0.25 mm之間；由圖8霧化場溫度云圖可知，當高溫循環水從霧化噴嘴噴出達到3.8米高時，水溫可降到36℃，此時霧滴仍在向上運動與空氣換熱（注：圖中溫度單位為開氏度），可滿足將循環水從55℃降溫10℃以上設計要求。因此仿真結果證明水冷風機實現循環水的降溫方法是可行的。

圖6 霧化粒徑分布圖

圖8 霧化場溫度云圖

圖9 霧化場速度云圖

考慮水冷風機旋轉裝置設計的必要性，對照自然無風條件下單噴頭霧化冷卻數值模擬。無風條件下霧化場中的粒徑分布、中間平面粒徑分布比例、溫度場分布與速度場分布如圖10～圖13所示。

將圖10～圖13與圖6～圖9對比分析可知：在有風條件下霧化液滴的粒徑范圍主要為0.3～0.4 mm，其中0.4 mm粒徑約占33%；而在無風條件下霧化液滴粒徑以0.5 mm的為主，約占比45%。同比有風狀態較無風狀態粒徑減小20%以上。由速度分布云圖可知，有風條件下液滴較容易達到四米的高度，溫度與空氣換熱時間更長，降溫效果更加顯著，更接近室溫；無風條件下液滴在向上運動時，受重力作用，噴射到2.8米時便開始慢慢掉落，較少液滴可以達到四米高，減小了其與空氣換熱時間。在1.6米液滴集聚的高度時，有風狀態下液滴普遍可降到38℃，少部分液滴超過40℃，無風狀態下大部分液滴仍在42℃，同比降溫效果有風比無風高出約10%；無風狀態下軸線方向4 m高處溫度仍在37℃，有風狀態下已經接近室溫；因此，有必要在水冷風機設計時，增設自旋轉裝置產生縱向風加速冷卻。

圖10 自然無風狀態粒徑分布圖

圖11 中間平面粒徑分布比例圖

圖12 自然無風狀態溫度云圖

圖13 自然無風狀態速度云圖

4 結論

（1）仿真結果表明霧化推進水冷風機具有較好的可行性，理論上能夠實現將55℃循環水降溫10℃以上的目標。

（2）仿真研究中噴嘴開口直徑為8 mm時，可獲得較好的流速與流量，實現較好的霧化冷卻效果。不同的噴嘴應根據不同的情況合理配置噴頭參數。

（3）對照噴水管風機縱向風促進冷卻與自然噴霧冷卻兩種狀態，在5 m/s縱向風速下，粒徑較自然無風條件下小接近20%；在噴射1.6 m高度，有風狀態冷卻效果比無風狀態冷卻效率提高近10%。有風狀態能有效促進循環水霧化，快速實現冷卻，因此水冷風機設計時有必要采用自旋轉裝置產生縱向風加快循環水冷卻。