旋流式噴嘴結構優(yōu)化分析及試驗驗證

浦承皓， 丁志偉， 沈遠嫻， 施 棟

(1.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心,北京 100082； 2.上海核工程研究設計院有限公司,上海 200233)

符號說明：

ρ——密度，kg/m3

U——切向速度，m/s

u——速度，m/s

φ——體積分數(shù)

α——噴霧角，(°)

μ——動力黏度,Pa·s

p——壓力，Pa

x、y、z——坐標

V——軸向速度，m/s

g——重力加速度，m/s2

Δp——壓差，kPa

qm——質量流量，kg/s

W——徑向速度，m/s

t——時間，s

下標

1、2——液相、氣相

核電廠的穩(wěn)壓器噴淋、化工設備中的噴霧干燥、農業(yè)灌溉和燃油噴嘴等場合中多采用壓力旋流式噴嘴來提供霧化流體。工程中一般采用模擬件試制并開展噴淋試驗驗證的方式來設計旋流式噴嘴，設計迭代流程復雜且成本較高。采用數(shù)值模擬方法可系統(tǒng)分析噴嘴內流場各特性參數(shù)及變化規(guī)律，研究噴嘴結構參數(shù)對霧化性能的影響，從而指導噴嘴的設計和使用。陳錦琛等[1]采用體積分數(shù)(VOF)方法和雷諾應力湍流模型(RSM)，研究了高壓力情況下壓力旋流式霧化噴嘴的霧化流場特性，結果表明數(shù)值模擬與實驗結果吻合較好。陳炳等[2]通過VOF方法對噴嘴內外流場進行三維全尺寸數(shù)值模擬，研究了噴嘴穩(wěn)定噴霧時內流場徑向分布特性及軸向變化規(guī)律，分析了噴嘴內部形成空氣渦的噴口旋流條件。于浩洋等[3]通過實驗測試與數(shù)值計算結合的方式對噴嘴的霧化特性進行了研究，測試了不同壓差和霧化空氣壓力下噴嘴的霧化顆粒度與噴霧角。周昊等[4]利用流量分布測試系統(tǒng)對大流量低背壓螺旋噴嘴的流量分布特性進行了實驗和仿真研究，分析了螺旋噴嘴的尺寸參數(shù)對其流量分布特性的影響。

核電廠的穩(wěn)壓器噴嘴在一回路超壓時，在壓差驅動下向穩(wěn)壓器內噴淋霧化后的冷卻水，達到控制核電廠一回路壓力和溫度的目的。傳統(tǒng)核電廠穩(wěn)壓器噴嘴設計時一般僅考慮流量壓差特性，但是在非能動壓水堆核電廠中，因非能動設計理念要求在低壓差運行工況下需實現(xiàn)大流量噴霧，并且應盡可能優(yōu)化噴霧特性，提高噴淋冷卻效率和穩(wěn)壓器壓力控制響應速度。因此，噴霧分布均勻、噴霧角適中、霧化顆粒度好等高階噴霧特性成為非能動核電廠穩(wěn)壓器噴嘴設計的關鍵目標。筆者通過數(shù)值仿真對某非能動核電廠的穩(wěn)壓器噴嘴開展優(yōu)化設計研究，分析噴嘴旋水芯結構參數(shù)對噴霧特性的影響，并進行了試驗驗證。

1 噴嘴結構設計

核電廠穩(wěn)壓器噴嘴結構見圖1，冷卻水由旋水芯進入旋流室，在旋流室內混合，最后經出口噴出形成霧化。筆者結合非能動核電廠的需求，對穩(wěn)壓器噴嘴進行精細化和優(yōu)化設計，擬設計的某核電廠穩(wěn)壓器壓力旋流式噴嘴性能參數(shù)要求見表1。噴嘴需要在額定壓差下，將冷卻水以表1中的噴霧角和流量均勻地噴入穩(wěn)壓器汽腔中。

表1 擬設計的旋流式噴嘴參數(shù)

2 數(shù)學模型及計算方法

2.1 數(shù)學模型

2.1.1 氣液兩相流動模型

噴嘴內流動采用VOF方法進行模擬，假定氣液兩相之間不存在化學反應和物理相變。

連續(xù)性方程為：

?ρ/?t+?(ρui)/?xi=0

(1)

動量方程為：

(2)

體積分數(shù)方程為：

?φ/?t+ui?φ/?xi=0

(3)

密度為：

ρ=φρ1+(1-φ)ρ2

(4)

速度為：

ui=φui1+(1-φ)ui2

(5)

流體體積分數(shù)φ處于0～1內。

2.1.2 網格模型及求解設置

將計算域分成出口直斷、渦流室、旋水直斷和旋水芯等區(qū)域，根據不同尺寸與流域特點分區(qū)塊劃分建立混合網格。以表2中2號噴嘴的結構為例，計算域網格平均尺寸為2 mm，網格數(shù)為813 890，節(jié)點數(shù)為562 254，具體見圖2。噴嘴進口定義為壓力進口，出口為壓力出口，出口處設置空氣出口回流，壁面條件為標準無滑移壁面，求解器設置離散格式為二階迎風格式。

表2 旋水芯仿真模型的設置

(a) 結構模型

2.2 噴嘴仿真模型的設置

旋水芯是噴嘴最重要的結構件，其螺旋槽數(shù)目(以下簡稱槽數(shù))n、槽深h、槽寬b、螺旋升角β和導程對噴霧性能有決定性的影響。噴嘴結構優(yōu)化設計的關鍵即是旋水芯結構參數(shù)優(yōu)化，為分析旋水芯結構參數(shù)對噴霧性能的最終影響并開展優(yōu)化設計，分別取不同的旋水芯關鍵參數(shù)進行仿真研究。

在噴嘴設計理論基礎上對滿足表1要求的噴嘴進行了初步設計，共設計10組模擬計算的結構參數(shù)(見表2)。圍繞旋水芯結構參數(shù)(槽數(shù)、槽深、螺旋升角)的變化，形成4個對照組的研究：槽數(shù)(1號和2號)，槽深(2號～7號)，螺旋升角(2號、8號和9號)，其他結構優(yōu)化(2號和10號)。其中2號噴嘴與10號噴嘴結構參數(shù)相同，區(qū)別在于10號噴嘴在旋水芯中部增加了補流孔。

3 噴嘴內流場特性

3.1 流動特點和壓力場特性

以2號噴嘴計算結果為例，流場跡線和中軸面壓力云圖見圖3。內流場呈軸對稱形態(tài)，流體流動軌跡近似為螺旋線，流體進入旋流室后，在上部進行螺旋混合，在下部形成穩(wěn)定漩渦。壓力沿半徑方向由壁面向中心處依次遞減，在旋流中間部位存在似固體旋流區(qū)和準勢流區(qū)過渡段，旋轉流體在此區(qū)域產生低壓。由于中心區(qū)域的壓力很低，有時會出現(xiàn)背壓，造成外界空氣由噴口壓入噴嘴內部的情況，從而在中心區(qū)域內形成貫穿整個旋流腔或出口局部部分的空氣柱。當中心產生空氣柱時，噴霧區(qū)域中間的液滴分布較少，分布均勻性能較差，甚至產生空心錐形噴霧。

3.2 速度場特性

2號出口截面速度云圖見圖4，出口截面的速度分布見圖5，其中Y方向為軸向，X和Z方向為出口截面處垂直于Y方向的切向和徑向。在出口截面處，總速度分布為中間小、兩邊大的“凹”字形態(tài)。噴嘴出口處中間段(r=0～10 mm，r為出口半徑)，平均速度約為7.8 m/s，在出口兩側(液膜噴出處，r=>10～21 mm)，速度與出口半徑成正比增加，平均速度約為9.5 m/s。中間速度分量保證了實心噴霧的形態(tài)，同時噴霧分布量在中間偏少。

圖5 2號噴嘴出口截面速度分布

根據出口截面速度矢量的各速度分量，利用式(6)可計算噴嘴出口截面上各點處的流體噴出角度，即噴霧角。其中液膜厚度中心處的噴霧角與噴嘴實際噴霧角最為接近，可以定義為平均噴霧角。

(6)

2號噴嘴出口截面處的噴霧角分布見圖6。在出口壁面處噴霧角為82°。

圖6 2號噴嘴出口截面處的噴霧角分布

4 噴霧性能優(yōu)化分析

4.1 槽數(shù)的影響

在旋水芯其他尺寸不變時，取槽數(shù)分別為兩槽(1號)和四槽(2號)的噴嘴進行計算。在額定壓差40.8 kPa下，兩槽噴嘴的質量流量為5.65 kg/s，四槽噴嘴的質量流量為9.91 kg/s。兩槽和四槽噴嘴出口截面處的噴霧角分布見圖7。同等壓差工況下，兩槽噴嘴的噴霧角比四槽噴嘴小。但是在出口截面中心區(qū)域，兩槽噴嘴的噴霧角比四槽噴嘴大，兩槽結構的噴霧分布均勻性更好。因此，增加槽數(shù)可以在有效增加流量的同時增加噴霧角，但是會降低噴霧分布均勻性。

圖7 1號和2號噴嘴出口截面處的的噴霧角分布

4.2 槽深的影響

4.2.1 槽深對噴霧形態(tài)的影響

在旋水芯其他尺寸不變時，取槽深h分別為20 mm(3號)、25 mm(4號)、30 mm(5號)、35 mm(6號)、40 mm(7號)和48 mm(2號)分別開展計算。不同槽深噴嘴的中軸面空氣相和水相分布見圖8。

由圖8可見，部分噴嘴流場中存在空氣芯。空氣芯可以分成2部分：在旋流腔內部為圓柱狀，在噴嘴出口處呈鐘罩狀。槽深較小時(h=20 mm、25 mm、30 mm)，形成貫穿整個旋流室的空氣柱，在出口處呈鐘罩狀。隨著槽深增加(h=35 mm、40 mm)，因螺旋槽存在角度，徑向速度與切向速度相比不能忽略，流體在旋流室上端混合充分，中心壓力雖小，但并非貫穿整個旋流室，空氣回流只產生于噴嘴出口處，只在旋流室出口端形成鐘罩狀空氣柱。隨著槽深繼續(xù)增加(h=48 mm)，徑向速度引起液體在旋流室中完全混合，中心過渡區(qū)雖然壓力低，但為微正壓，空氣回流少，不形成空氣柱，噴霧流為實心扇形形態(tài)。

因此，槽深是影響噴嘴有效截面系數(shù)的最關鍵參數(shù)，直接導致旋流室內部空氣柱的產生，決定噴霧流是否為實心扇形噴霧。增加槽深不僅可以有效增大湍流的程度，而且可以降低出口中心形成空氣回流的趨勢，使霧化形成實心錐體的效果。

4.2.2 槽深對噴嘴質量流量的影響

在額定壓差40.8 kPa下，不同槽深噴嘴質量流量變化見圖9。隨著槽深增加，噴嘴流阻減小，質量流量將增加。特別是在槽深從30 mm增加到35 mm時，質量流量增加幅度較大。

圖9 額定壓差40.8 kPa下不同槽深噴嘴的額定質量流量

4.2.3 槽深對噴霧角的影響

不同槽深的噴嘴出口截面處的噴霧角分布見圖10。當槽深小于35 mm時，出口截面空氣柱半徑約為6～10 mm，此處區(qū)域的噴霧角為0°；當槽深大于40 mm時，旋流混合充分使中心處有噴霧量分布，噴霧角由中心處的5°隨半徑遞增至壁面處的80°。隨著槽深減小，噴霧角減小。當槽深增加至實現(xiàn)實心圓錐噴霧時，平均噴霧角約為70°；當槽深較小，只產生空心圓錐噴霧時，平均噴霧角約為50°。

圖10 不同槽深噴嘴出口截面處的噴霧角分布

4.3 螺旋升角的影響

保持旋水芯其他尺寸不變時，選取導程分別為180 mm(8號)、240 mm(2號)和300 mm(9號)的旋水芯(即螺旋升角分別為42.7°、50.9°和57°)進行研究。圖11為3種螺旋升角噴嘴出口截面處的速度分布圖。適當增大螺旋升角，可以提高出口速度和流量，同時增加噴嘴中間的流量分布。但是過大的螺旋升角會減小旋流程度，導致噴霧顆粒度偏大。隨著螺旋升角減小，流道變長導致流阻增大，從而導致流量減小。

圖11 不同螺旋升角的噴嘴出口截面速度分布

4.4 其他結構改進的影響

1號～9號噴嘴計算結果表明，受制于旋流式噴嘴的特性，噴嘴出口截面中間噴霧量偏小，為實現(xiàn)表1中要求的實心扇形噴霧形態(tài)且使噴霧量分布均勻，需增加噴嘴中心處的流量分布。因此對旋水芯結構進行局部改進，在旋水芯中心處增加直徑4 mm的補流孔(10號)。10號噴嘴出口截面的速度和噴霧角分布分別見圖12和圖13。

圖12 結構優(yōu)化后10號噴嘴出口截面速度分布

圖13 2號與10號噴嘴出口截面處的噴霧角分布對比

通過在旋水芯中間增加中孔補充垂直流道，噴嘴出口截面中心處的軸向流量得到很好的補充，速度分布變得更加均勻，顯著提高了噴霧分布均勻性。對比10號與2號噴嘴出口截面處的噴霧角分布，可以發(fā)現(xiàn)增加中孔會減輕旋流室的旋流強度，從而減小噴霧角，特別是中心處的噴霧角接近于0°(流體垂直出口噴出)。同時，在增加中孔后，由于補充流道的作用，在額定壓差(40.8 kPa)下，噴嘴質量流量由9.91 kg/s增加到10.12 kg/s。

5 噴霧試驗驗證

經過10種旋水芯結構的數(shù)值仿真對比，最終結構優(yōu)化后的10號噴嘴最能滿足表1要求的噴霧特性。對10號噴嘴進行冷態(tài)噴霧性能試驗，并將試驗結果與CFD結果進行對比。不同工作壓力下的噴嘴流量特性曲線見圖14。

圖14 10號噴嘴流量特性曲線

對比試驗結果發(fā)現(xiàn)，數(shù)值仿真計算的噴嘴流量特性曲線與試驗結果接近。通過仿真和試驗可以擬合得到流量-壓差關系，仿真和試驗結果均近似滿足通過伯努利方程推導得到的流量壓差特性，即壓差與流量呈平方比例關系。

數(shù)值仿真值：

qm=1.593 5×Δp0.498 0

(7)

噴霧試驗值：

qm=1.715 7×Δp0.499 8

(8)

通過試驗測得額定壓差下噴嘴的噴霧角見圖15。經測量，出口處的噴霧角約為80°。而圖13中的數(shù)值仿真結果顯示，10號噴嘴在出口處的噴霧角為78°，二者吻合度高。

(a) 右側

6 結 論

(1) 適當增加槽數(shù)，可以在有效增加噴嘴流量的同時增加噴霧角，但是會降低噴霧分布均勻性。

(2) 槽深是決定噴嘴內空氣柱大小的關鍵因素，決定了最終是否能夠產生實心錐形噴霧。同時，增加槽深可以有效增加流量和噴霧角。

(3) 適量增大螺旋升角，可以在不影響噴霧角的情況下提高流量和分布均勻性。

(4) 在旋水芯中部增設軸向孔等補流結構，可對噴霧量和分布均勻性的不足進行針對性的改善。

(5) 旋流式噴嘴的流量壓差特性滿足伯努利方程，數(shù)值模擬結果與試驗結果接近。

(6) 本文所述方法為研究噴嘴結構對噴霧特性的影響提供了新的手段，可以有效節(jié)省噴嘴試制階段的設計迭代，對各種工業(yè)運用的旋流式噴嘴設計具有參考價值。