船用柴油機浸沒式排氣管冷卻性能優(yōu)化

潘熙希，陸鵬，宋大為，朱奎

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090)

浸沒式排氣管在水下航行器、游艇等船舶上應用普遍。隨著紅外探測技術的不斷發(fā)展，也對軍事用途水下航行器保證隱蔽性提出了更嚴格的要求[1]。關于降低柴油機煙氣排放溫度，提高柴油機排氣系統(tǒng)冷卻性能的措施。目前，主要是在排氣系統(tǒng)上加裝冷卻裝置(如臥式排氣冷卻消音器、集水箱式排氣冷卻消音器等)來降低煙氣溫度，但排氣冷卻裝置尺寸受到艙室布置空間的限制，冷卻效果十分有限。經過排氣冷卻裝置后的煙氣溫度仍然可達300～500℃[2]，此時只能通過后排氣管路對煙氣進行冷卻，為達到冷卻要求不得加長排氣管路，即便采用浸沒式排氣管，排氣管路長度仍可達20～30 m。如此長的管路不僅給艙室布置帶來不便，而且也會增大排氣系統(tǒng)背壓，影響柴油機的動力性、經濟性以及排放。

浸沒式排氣管利用海水的對流換熱帶走排氣管的熱量，其總傳熱系數K為

(1)

式中：h1為煙氣的傳熱系數，10～70 W/(m2·℃)；δ為排氣管壁厚;λ為排氣管導熱系數，由于排氣管為薄壁金屬管，管壁熱阻非常小，此項可以忽略不記；h2為海水的傳熱系數，4 800～8 000 W/(m2·℃)，h1與h2相差上百倍。可見，煙氣側的熱阻在總熱阻中占主導地位，導致海水對排氣管的冷卻非常有限。增強柴油機排氣管的冷卻性能，應從降低煙氣側的熱阻值入手，采用強化傳熱措施，提高排氣管氣體側的換熱性能。

1 強化傳熱方法

以某型特殊船用柴油機浸沒式排氣管路(見圖1)為研究對象，該柴油機排氣系統(tǒng)由前排氣管道、排氣冷卻消聲器、后排氣管道、止回舌閥等管路閥件組成。該柴油機在排氣消音器后的排氣溫度高達390 ℃，排氣管出口處煙氣溫度要求降至近乎環(huán)境溫度。為達到煙氣冷卻的需求，后排氣管路采用了冷卻水套及浸沒式海水冷卻的方式，但后排氣管路總長度仍需25 m。

圖1 某型特殊用途柴油機排氣系統(tǒng)示意

大容積的排氣管路，額外增加了柴油機排氣背壓，導致柴油機燃料燃燒效率下降，燃油經濟性變差；輸出功率損失，動力性下降，同時排氣溫度升高，煙度加大，排放變差[3]。優(yōu)化柴油機后排氣管路冷卻性能，可以減小排氣管路對柴油機排氣背壓的影響，提高柴油機性能；也便于船舶艙室合理布置。

煙氣傳熱過程的基本方程式為

Q=KA△T

(2)

式中：K為總傳熱系數，W/(m2·k);A為傳熱面積，m2;△T為冷熱流體間的平均傳熱溫差，K。

式(2)表明，提高排氣管路傳熱量可以通過三方面來實現(xiàn)：增加傳熱面積、增大傳熱平均溫差，以及提高傳熱系數。

浸沒式排氣管冷卻介質為海水，相對于煙氣其溫度已經很低，對其再降溫后用于冷卻排氣管路，不僅難度大且不經濟、不環(huán)保，還會影響排氣管材料強度，可行性極低。

提高總傳熱系數是提高換熱量的重要途徑，在柴油機排氣管煙氣傳熱過程中，影響對流傳熱系數的主要因素是層流底層的厚度。要想有效提高對流傳熱系數，必須減薄層流底層的厚度，主要措施有提高煙氣的流速，以提高傳熱表面湍動程度；利用異形管道結構來提高流體的擾動程度從而破壞流體邊界層等。

增大排氣管路的管徑和管長可以大幅增加傳熱面積，但其與柴油機性能密切相關。在柴油機選定后，其煙氣量也就確定下來，結合排氣管道限定的最高流速或限定的最大真空度及背壓，即可確定排氣管路的直徑。在直徑選定情況下，排氣管長不宜過長，以降低柴油機排氣背壓及機艙真空度。在柴油機與排氣管路匹配設計好后，單純從提高換熱量角度增加排氣管路直徑或長度，勢必以損失柴油機性能作為代價。而在合理選擇排氣管徑大小和管路長度后，通過擴展管路煙氣側表面積，是更合理的解決方向。

針對特殊船用柴油機排氣管路的特點，采用縱向直肋內翅片管的形式擴展煙氣側表面積。內翅片不但可增加氣體側換熱面積，而且可促進氣體的擾動，起到破壞邊界層的作用，提高傳熱表面湍動程度，具有良好的抗壓性且經濟及維護成本低，適合特殊船用柴油機浸沒式排氣管使用需求。

運用數值分析方法對不同翅片數內翅片式排氣管的冷卻、阻力和流動特性進行分析，比較其傳熱及阻力性能的規(guī)律。

2 數值模擬

2.1 數學模型及計算方法

2.1.1 計算假設

1)管內煙氣流動為不可壓穩(wěn)態(tài)流動。

2)煙氣熱物理性質穩(wěn)定，不受溫度、壓力影響。

3)不考慮煙氣的自然對流換熱和輻射換熱。

2.1.2 控制方程

1)連續(xù)方程。

U=0

(3)

2)動量方程。

(4)

3)能量方程。

(5)

4)湍流能量控制方程。

(6)

使用FLUENT軟件進行數值模擬計算。采用Coupled算法求解，對流項使用Second Order Upwind格式進行離散，湍流模型采用Realizable κ-ε模型和增強壁面方程方法。

2.2 計算模型

取一段浸沒排氣管進行模擬計算，管外徑160 mm，內徑150 mm。分別對光管、4翅管、8翅管、10翅管、12翅管進行計算。翅片為縱向直肋，肋片高度50 mm、長度700 mm、厚度5 mm。

網格劃分在Hypermesh軟件中完成，以4翅管為例，網格總數約1.6×106個，網格模型見圖2。

圖2 4翅管網格模型

2.3 煙氣物性

煙氣物性隨溫度變化很大并在一定范圍內呈線性分布，采用線性插值方法得到計算溫度下的煙氣物性參數。該特殊用途柴油機經過排氣冷卻消音器后的煙氣溫度為390 ℃，計算得到該溫度下的煙氣物性見表1。

表1 煙氣物性參數

2.4 邊界條件

排氣管道入口采用速度入口邊界條件，u=v=0,w=constant，t=390 ℃；出口采用壓力出口邊界，由于海水的傳熱系數很大，其熱阻可以忽略不記，為提高計算速度，管道外壁面邊界twall=32 ℃，u=v=w=0；管內翅片與煙氣接觸面為共軛傳熱，不需設置邊界條件。

3 計算結果驗證與分析

3.1 網格無關性及結果驗證

模型的網格對計算結果的影響非常大，為驗證計算結果與網格數量的無關性，以光管為例進行網格無關性分析，選取網格數量為1.1×106、2.1×106、4.3×106的3個模型進行計算，發(fā)現(xiàn)3個模型的努塞爾數(Nu)及摩擦系數基本相同。可見選取1.1×106的網格數量滿足無關性要求。

為驗證計算結果的準確性，將模擬結果與已有的實驗關聯(lián)式進行對比驗證。光管的格尼林斯基(Gnielinski)實驗關聯(lián)式[4]為

(7)

驗證范圍為Re=2 300～106，Prf=0.6～105。

光管模擬計算值與實驗關聯(lián)式計算值對比見圖3。

圖3 努塞爾數(Nu)的實驗關聯(lián)式計算值與模擬值比較

由對比結果可見，光管模擬計算數值較好的符合了實驗關聯(lián)式計算值，最大誤差為11.21%，在允許誤差(±20%)范圍內。因此，數值模擬計算結果是可信的。

3.2 結果分析

光管及內翅片管管內溫度分布見圖4。入口處煙氣流速為4 m/s，煙氣溫度為390 ℃。

圖4 光管、4翅、10翅管x=0截面溫度分布(煙氣速度為4 m/s)

由圖4可見，光管的高溫區(qū)范圍非常大，且出口處煙氣溫度未發(fā)生明顯的變化，煙氣只有在管壁附近的非常薄局部區(qū)域進行換熱，因而換熱效果非常受限。4翅片管的高溫區(qū)域較光管有所減少，換熱面積有所提高。10翅管的高溫區(qū)域較光管大幅減小，翅片分隔了管中心的高溫區(qū)域，將高溫氣體分配到各翅片間的狹長區(qū)域，從而使煙氣與翅片熱量傳遞更充分，換熱效果增強。

各翅片管的Nu比較見圖5。

圖5 努賽爾數(Nu)對比

隨進口煙氣流速增加，各管的Nu逐漸增加。流速提高則對應煙氣流動的雷諾數提高，煙氣流動的湍動程度增加，換熱效果增強，Nu變大；光管的Nu最低，其他各內翅片管的Nu為光管的1.2～2.0倍。Nu隨翅片數目增加而增加，12翅管Nu最大，增長幅度隨翅片增加逐漸趨于平穩(wěn)，10翅管Nu與12翅管已十分相近。各內翅管Nu與光管比值隨速度增加呈下降趨勢，見圖6，在低速區(qū)域翅片管的強化換熱效果更明顯。

圖6 各管努賽爾數與光管比值

阻力特性是評判排氣管性能的另一重要性能指標，各管的阻力系數對比見圖7。阻力系數f公式為

圖7 阻力系數(f)對比

(8)

式中：△p為進出口平均壓力(面積平均值)的差值；ρ為流體密度；v為入口速度。

由圖7可見，隨煙氣流速增加，阻力系數呈下降趨勢；各內翅管的阻力系數均大于光管，隨翅片數目的增加，阻力系數變大；煙氣速度為2 m/s時，內翅片管較光管阻力系數增加倍數最大，隨速度增大，阻力系數增加的倍數逐漸降低。翅片數目的增加，使得排氣管內結構越密集，對煙氣的擾動效果越強，強化了換熱的同時增大了煙氣流動阻力。在低速區(qū)域，雷諾數較小，擾動效果更明顯，強化換熱效果明顯，阻力系數增加的倍數也越大。

為綜合評價各內翅片排氣管的強化傳熱效果，采用performance evaluation criteria(PEC)，當PEC>1，表明在同樣的輸送功耗下，強化管傳遞熱量的能力比光管大。PEC綜合考慮強化換熱對換熱系數和摩擦壓降的影響，許多研究以PEC作為強化效果的評定方式。PEC計算公式如下。

PEC=(Nu/Nu0)/(f/f0)1/3

(9)

式中：Nu為強化管的努賽爾數；Nu0為光管的努賽爾數；f為強化管的阻力系數；f0為光管的阻力系數。

由圖8可見，4翅管PEC值均小于1，未達到強化換熱效果。8翅管PEC值在1附近浮動，強化換熱效果不明顯。10翅管曲線與12翅曲線交織在一起，PEC值在1.1～1.3之間，強化換熱效果顯著。綜合考慮經濟性，10翅管強化換熱性能較優(yōu)。

圖8 各翅片管PEC值

4 結論

對于船用柴油機浸沒式排氣管，由于氣體側傳熱系數太小，若不采用任何強化傳熱的措施，煙氣僅一次性通過管道，那么冷卻水對煙氣的冷卻效果不大。為進一步提高浸沒式排氣管的冷卻性能，采用了內展翅片的管道形式。

1)采用內展翅片形式的浸沒式排氣管換熱效果明顯提高。對比管內煙氣溫度分布發(fā)現(xiàn)，光管的中心高溫區(qū)域范圍非常大，而內翅片管的高溫區(qū)域被翅片分隔，高溫氣體被分配到各翅片間的狹長區(qū)域，使煙氣更充分的與翅片進行熱量傳遞，換熱效果增強。

2)內展翅片形式的浸沒式排氣管Nu為光管的1.2～2.0倍。Nu隨翅片數目增加而增加，但增長幅度隨翅片數目增加而逐漸減小，10翅與12翅管的Nu已十分接近。隨煙氣流速提高，內翅片管與光管Nu的比值逐漸降低。可見，在低速區(qū)域內翅片管的強化換熱效果更明顯。

3)內展翅片形式的浸沒式排氣管的阻力系數為光管的1.7～2.9倍。阻力系數隨翅片數目增加而增加，12翅管的阻力系數最大。隨煙氣流速提高，各內翅片管的阻力系數逐漸降低。各管與光管阻力系數比值也逐漸降低。

4)采用PEC綜合評價各管的強化傳熱效果。計算發(fā)現(xiàn)4翅管PEC值小于1，未達到強化效果，10翅管與12翅管的PEC值相接近，在1.1～1.3之間，強化效果較好。