一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究_李方舟.pdf

第 卷第 期 年 月热能动力工程 ，收稿日期：；修订日期：作者简介：李方舟（），男，同济大学硕士研究生通讯作者：吴俐俊（），男，同济大学教授热 能 工 程文章编号：（）一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究李方舟，白书诚，吴俐俊（同济大学 机械与能源工程学院，上海）摘 要：船舶使用的主动降噪设备需要连接到排烟支管，但高温烟气会缩短设备的使用寿命。为了降低烟气温度，建立了冷却器喷雾冷却的数值模型对支管冷却器的运行工况进行优化，通过数值模拟分析喷射压差与喷雾半角对冷态以及热态性能的影响。结果表明：最佳喷雾半角为，喷射压差为 时，冷却器性能最佳；采用液滴蒸发效率与逃逸质量分析冷却器内液滴的流动特性，根据模拟结果进行二次回归式拟合，喷雾压差和喷射半角与蒸发效率相关系数分别为 和 ，其相对于逃逸质量的相关系数为 和 ，喷嘴工作参数应选取较高的喷雾半角和较低的喷射压差。关 键 词：船舶噪声；喷射压差；喷雾半角；蒸发效率中图分类号：文献标识码：引用本文格式李方舟，白书诚，吴俐俊 一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究 热能动力工程，（）：，（）：，（，：）：，；，；：，第 期李方舟，等：一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究引 言船舶柴油机的排烟管道在排气过程中会产生能量高、频率复杂的噪声。目前应用最多的有源控制方式通过发出控制信号与噪音叠加可对低频噪声进行有效控制。但在该噪声控制方式中，降噪设备与烟气管道间通过支管连接，为保护降噪设备不被高温烟气损伤，需在两者间安装冷却器。目前迫切需要设计符合要求的冷却设备，以对支管内的烟气进行冷却。当前船舶排气系统中广泛运用冷却水对支管内烟气进行冷却，主要有 种方式：对流冷却、水下排放和喷雾冷却。柴油机排烟主要通过后两种方式进行冷却，水下排气的方式高温烟气将直接排入海水中，多用于水下船只；而喷雾冷却则多用于舷侧排气，水汽与烟气一同排出。袁江涛等人设计的冷却装置，可将 烟气冷却至 。王天毓设计了一种柴油机排气消声系统，通过喷雾降低烟气温度，使得系统具备消声性能、喷水降温性能及低流动阻力特性。王振等人应用多相流模型和蒸发 冷凝模型，对排气管内喷淋的流动和传热过程进行数值模拟，得到并分析了不同冷却水量比下的排气温度场分布、排气管截面平均温度的沿程变化以及压力损失。应宇辰等人通过计算得到排气喷雾冷却过程中的热量负荷和所需的喷雾水量，并搭建了实验台，将计算结果与实验数据进行对比分析，得到喷淋冷却水与烟气量的关系。等人 模拟气流进入换热器前的喷雾冷却过程，通过实验测量喷嘴下游 处截面上的温度分布情况发现，模拟结果和实验测量吻合，证明离散相模型可以模拟喷雾降温过程。等人基于动力学和传热原理，建立喷雾冷却换热机理数学模型，计算加热表面的温度分布，计算结果与实验误差在以内。总结目前船舶降噪领域喷雾技术，一方面通过可视化实验对喷雾冷却特性进行研究，另一方面通过数值模拟的方式对喷雾场、喷雾颗粒运动及换热过程进行模拟，但对管道内有限空间内的喷雾模拟研究较少。本文对有限空间的管内喷雾冷却进行模拟，分析喷雾冷却性能。设计建立冷却器喷雾冷却数值模拟模型并搭建实验台，通过喷雾喷嘴和螺旋冷却管两处冷却参数对模型进行验证。选择对喷雾影响较大的喷射压差和喷雾半角作为参数，分析喷射压差及喷雾半角对液滴蒸发效率以及液滴逃逸质量的影响，并加以验证。模型建立 喷雾物理模型描述喷雾冷却器模型由喷嘴及螺旋冷却管组成，模型如图 所示。图中，为喷雾半角。冷却器直径为 ，模型总长 ，喷雾装置位于距烟气出口 处，烟气进入冷却器后，先经过螺旋冷却管冷却，再与喷嘴喷出的冷却水进行混合、蒸发和冷却，最后排出冷却器。图 冷却器喷雾模型示意图 数学模型对蒸发过程做出假设简化：（）设水滴为球形且不考虑变形，内部不存在温度梯度；（）水与烟气密度相差较大，因此忽略浮力、力和热泳力等，仅考虑重力和气动阻力；（）不考虑辐射换热；（）冷却器壁面和螺旋管壁面为定壁温。对于烟气的流动及传热，采用连续相模型：质量守恒方程：（）（）（）（）式中：时间，；烟气密度，；液滴蒸发后进入到连续相中的质量源项，（）；，在、方向上的烟气流速，。动量守恒方程：热能动力工程 年（）（）（）（）（）（）（）（）（）|（）式中：喷雾流速，；，在、方向上所受曳力，；烟气粘度，。能量守恒方程：（）（）（）式中：喷 雾 总 能 量，；有 效 导 热 系 数，（）；组分 扩散源项，；温度；有效温度；组分 的比定压热容，（）；有效耦合时间；液滴与连续相换热引起的体积热源项，。柴油机烟气成分复杂，采用组分输运模型计算各组分间的能量传递。考虑到计算模型中涉及射流，选择旋转与带曲率的 湍流模型计算气相流场。离散相模型采用拉氏坐标系下牛顿第二定律的运动微分方程求解运动轨迹，仅考虑重力和气动阻力：（）（）（）（）（）（）|（）式中：颗粒所受整体曳力，；，在，方向上的重力加速度，；，在，方向上的颗粒流速，；颗粒密度，；蒸汽密度，。采用双向耦合法交替求解离散相和连续相，直到两相的解都不再变化，此时认为达到热平衡状态：（）（）?（）?（）?（）?（）式中：重力加速度；时间步长，；?离散相注入的初始质量流量，；离散相初始质量，；离散相质量差，；参考温度下的汽化潜热，。初始及边界条件烟气在冷却器中的流速和流量通过实验测得。喷嘴进行喷淋所需冷却水流量为：（）式中：冷却水流量，；实际流量与理论流量比值的修正系数，取 ；液滴直径，；冷却水密度，。喷嘴出口冷却水流速计算式为：（）相关边界参数如表 所示。设定螺旋管固定壁温为 。表 数值模型边界参数 参数数值烟气进口温度 烟气进口流速 喷淋水出口温度 喷淋水流量 软件中设置喷雾模型为压力 旋流雾化喷嘴模型，冷态模拟时关闭能量方程，选择惰性颗粒模型为喷雾液滴模型；热态模拟时打开能量方程，选择颗粒模型为液滴（）模型，该模型中液滴遵循加热 冷却定律及蒸发定律。液滴二次破碎选择 模型计算，采用非稳态追踪方法进行离散相及连续相耦合求解。边界条件及颗粒模型设置如表 所示。表 数值模型边界条件 边界名称边界类型烟气进口速度入口烟气出口压力出口螺旋管壁固定壁温颗粒模型（冷态）惰性颗粒模型颗粒模型（热态）液滴模型喷雾模型压力 旋流雾化模型 第 期李方舟，等：一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究 网格独立性检验由于模型含有螺旋管，为保证模型网格质量，采用非结构化网格，近壁面采用网格模型标准壁面函数处理，确保壁面 值维持在 之间，网格划分如图 所示。不同网格划分下 变化情况如图 所示。在喷射压力为 、网格尺寸为 时，值没有明显变化，网格尺寸最终选择 。图 冷却器喷雾模型网格划分 图 不同网格尺寸下 的变化 模型验证实验烟气冷却器直径 ，包含喷雾喷嘴和螺旋冷却管。螺旋管为同轴布置双管，底面直径为 和 ，管内部为与烟气逆流的冷却海水；喷嘴安装于距冷却器末端 处，喷淋海水与烟气逆流。冷态过程验证在对喷嘴喷淋而不进行冷却的工况下进行冷态模拟。文献采用马尔文激光粒度分析仪和数码单反照相机测压力雾化喷嘴在不同压差下的液滴 分布。将冷态模拟结果与文献进行对比，结果如图 所示。随压力增大，液滴 的模拟和实验值误差逐渐减小，压差为 时误差达 ，而压力增至 时误差降至。因高压液滴不易聚并，且实际工程中压差不低于.，故理论模型有较准确的预测效果；当喷射压差达到 后误差值低于，而后续模拟中喷射压差均不低于 ，因此模型可用于模拟计算。图 不同压差下 模拟与实验结果对比 热态过程验证实验系统如图 所示。高温烟气流入排烟系统末端支管后再进入冷却器，经过螺旋管冷却和喷雾冷却后排出。冷却水经离心泵加压后进入稳压罐，再进入两条并联管路向螺旋冷却管和喷嘴供水，供向喷嘴的冷却水需再经空压机加压雾化，螺旋管内冷却水经烟气加热后流出冷却器进入排水系统。图 实验系统示意图 热能动力工程 年在实验中，热电偶用于测量烟气进出冷却器的温度，冷却水流量数据由冷却器使用机构提供。主烟道的流量保持固定，实验测量了不同喷淋流量下，烟气流出冷却器后的温度。部分设备及冷却器实验安装如图 所示。通过调节流量阀控制喷淋流量及螺旋管冷却水流量，各工况运行 后记录数据。冷却器设计参数如表 所示。各工况对应的喷淋水流量如表 所示。末端烟气出口温度的模拟值与实验数据对比结果如图 所示。图 冷却器实验系统安装图 表 冷却器设计参数 参 数数 值螺旋管冷却水进口流速 喷雾喷嘴流量 喷雾喷嘴喷射压强 冷却水进口温度 冷却水总流量 表 不同工况对应的冷却水流量 工况喷淋水流量 图 不同工况末端烟气温度模拟值与实验值对比 由图 可知，当打开喷淋水时，烟气末端温度明显降低，喷淋水流量达到 时末端烟气温度已降至 左右，满足设计要求。末端烟气温度的平均绝对误差（）为 ，认为热态模拟可靠。计算式为：（）式中：烟气温度的模拟值，；烟气温度的实验值，计算结果与分析 喷雾过程冷态模拟冷却水流量为 、喷雾半角为、喷射压差为 时，冷却器中截面速度云图如图 所示。冷却水喷出后，初速度高于周围烟气流速，与来自逆向的烟气接触混合后流出。图 冷却器中截面速度云图 在喷嘴前端沿轴向等距取 个截面，不同截面径向速度分布如图 所示。越靠近喷嘴，喷雾颗粒在径向上的速度越大，而与喷嘴的距离变大后径向 第 期李方舟，等：一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究速度迅速减小，在轴向 处与烟气混合；由于螺旋管的非轴对称形状和重力作用，各径向速度也呈现非对称分布，与图 一致。图 不同截面上径向速度分布 喷雾压差对冷态性能的影响喷雾冷却水流量为 、喷雾半角为 时最大径向速度与 随喷射压差的变化如图 与图 所示。压差由 增大至 ，最大径向速度 由 增大至 ，减小，阻力增大，故 对应的径向位置 由 降至 。图 与 随喷射压差的变化 轴向 处不同压差下的速度分布如图 所示。随着喷射压差增大，流速较高区域集中分布于冷却器中间，使得 减小，为使喷雾液滴覆盖冷却器内更广范围，最佳喷雾压差为 。图 随喷射压差的变化 图 不同压差下轴向 处速度分布图 喷雾半角对冷态性能的影响喷雾半角表达式为：（）式中：，液滴径向与轴向的分速度，。固定流速与喷射压差改变喷雾半角，将改变喷雾液滴的径向速度，影响液滴在冷却器内的分布。冷却水流量为 时最大径向速度随喷雾半角的变化如图 所示。随着喷雾半角 增大，增大至 ，也增大至 ，喷雾范围变广。当 后，由于动能损失，和均不发生明显变化。随喷雾半角的变化如图 所示。液滴 随 的增加由 减至 。热能动力工程 年图 与 随喷雾半角的变化 图 随喷雾半角的变化 不同喷雾半角下轴向 处速度分布如图 所示。值过大，使喷雾范围扩大，冷却水可与烟气更好地混合换热，但会使蒸发液滴附在壁面腐蚀冷却器；值过小，将使喷雾液滴集中于冷却器中央，影响冷却效果。综上，喷雾半角值应为 之间。图 不同喷雾半角下轴向 处速度分布 喷雾过程热态模拟 喷雾冷却性能分析喷淋水流量为 、喷射压差为 、喷雾半角为 时冷却器中截面温度分布如图 所示。可以看到，喷淋水和烟气在冷却器内逆流混合，存在明显的温度分界。轴向 处及径向温度分布如图、图 所示。可以发现，冷却器轴向 处，温度分布已经相对较为均匀，但在径向仍然存在差异。具体来说，在中央位置，温度较低，而两侧温度则逐渐升高。图 冷却器中截面温度云图 图 轴向 处温度云图 图 轴向 处温度沿径向分布 第 期李方舟，等：一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究喷嘴前端存在冷却管壁，且内部空间有限，高温烟气在冷却器内部与喷淋水接触混合后导致温度分布不均。在轴向 处，多数区域温度已降至 以下，但仍存在温度高于 的区域，且远离中央位置的温度上升速度明显高于靠近中央位置。固定冷却水流量为 、喷雾半角为，不同喷射压差下轴向 处温度云图如图 所示。随着喷射压差上升，喷嘴喷出液滴颗粒初始动能增加，液滴直径减小，冷却水与烟气更好地混合降温，使轴向 处温度分布均匀。图 不同喷射压差下轴向 处温度云图 平均温度与最大径向长度 随喷雾压差的变化如图 所示。在轴向 处，压差高于 后，截面平均温度已低于 ；且随压差增大，最大径向长度增加，当压差达到 后，值基本保持在 ；但过大压差将使液滴轴向覆盖范围降低，喷嘴最佳喷射压差应取 。给定喷淋水流量为 、喷射压差为，不同喷雾半角下轴向 处温度云图如图 所示。随着喷雾半角增大，中截面温度降低，低温区域增大，温度分布均匀。平均温度与 随喷雾半角的变化如图 所示。随着喷雾半角增加，喷雾覆盖范围增大，截面平均温度降低，大于 后，平均温度降至 以下；而 值随着喷雾半角的增加而上升，当 大于时，值保持在，液滴动能损失增加并与冷却器内壁接触，喷雾半角最佳值取 。图 平均温度与 随喷雾压差的变化 图 不同喷雾半角下轴向 处温度云图 图 平均温度与 随喷雾半角变化图 热能动力工程 年 喷雾液滴蒸发性能喷淋水流量为 、喷雾半角为 时蒸发效率与逃逸质量随喷射压差的变化如图 所示。随着喷射压差增大，蒸发效率先降后升并稳定在左右。当喷射压差较低时，液滴流速低，换热系数低，液滴直径较大，增大压差将使液滴直径减小，更易随烟气流出，当压差由 增至 时，蒸发效率降低；随着喷射压差增大，液滴初始直径降低，流速加快，表面换热系数提升，蒸发效率提升，但流速加快导致液滴更易接触冷却器内壁或随烟气流出，因此继续增大压差使蒸发效率几乎没有提升；同时，压差增大使液滴直径减小，易随烟气流出冷却器，因此逃逸质量随喷雾压差的增大由 增大至 。综合考虑，最佳喷雾压差为 ，与热态模拟结论一致。图 蒸发效率与逃逸质量随喷射压差的变化 蒸发效率与逃逸质量随喷雾半角的变化如图 所示。当喷淋水流量为 、喷射压差为 时，喷雾半角增大，蒸发效率及逃逸质量均先降后增。喷雾半角增大，液滴覆盖更广区域与更多高温烟气混合换热，但增大喷雾半角易使喷出的液滴未完全蒸发，接触内壁形成液膜，尤其喷雾半角小于。因此，喷雾半角由 增大至 时蒸发效率以及逃逸质量均下降，随着喷雾半角增大至 蒸发效率由 提升至。但喷雾半角的增大也使液滴动能损失增大，未完全蒸发的液滴易随烟气从出口处流出，造成逃逸质量随喷雾半角的增大由 增大至 。图 蒸发效率与逃逸质量随喷雾半角的变化 综合分析喷淋水流量为 时，取不同的喷雾半角及喷射压差值进行全面实验，进行 组，试验参数如表 所示。表 试验参数及其取值 喷射压差 喷雾半角 （）对蒸发效率和逃逸质量进行多元回归分析，表达式为：（）式中：目标函数值；，设计变量；常数量系数；一次项系数；二次项系数；交互项系数；随机误差。显著性水平均取 ，蒸发效率 和逃逸质量 的回归方程为：（）第 期李方舟，等：一种用于船舶烟气冷却的喷雾螺旋管冷却器的传热特性研究 （）蒸发效率随喷射压差及喷雾半角的变化如图 所示。当喷淋水流量为 时，增大喷射压差和喷雾半角都会使蒸发效率先减后增，这与之前的分析相同。根据求解式（），蒸发效率最小值为 ，此时 ，；最大值为，此时 ，。当喷射压差增大时，液滴初始流速增大，冷却范围扩大，蒸发效率增大。无论喷射压差高低，高喷雾半角下均可达到高蒸发效率。喷射压差与喷射半角对蒸发效率的皮尔森相关系数分别为 和 ，表明喷雾半角变化对蒸发效率的影响更大。图 蒸发效率随喷射压差及喷雾半角的变化 逃逸质量随喷射压差及喷雾半角的变化如图 所示。当喷淋水流量为 时，增大喷射压差和喷雾半角都会使逃逸质量增大。根据式（），逃逸质量最小值为 ，此时 ，；最大值为 ，此时 ，。喷射压差和喷射半角相对于逃逸质量的皮尔森相关系数分别为 和 。因此，为了达到更好的冷却效果，应该选择较高的喷雾半角和较低的喷射压差。图 逃逸质量随喷射压差以及喷雾半角的变化 结 论建立了一种含有喷雾喷嘴和螺旋冷却管的冷却器数值模型，并搭建了测试冷却器性能实验台，主要结论如下：（）冷态模拟得出最佳喷雾压差应为 ，最佳喷雾半角应为 。（）热态模拟综合冷态模拟得出最佳喷雾半角为，喷射压差为 。（）拟合蒸发效率以及逃逸质量的回归方程，喷雾压差与喷射半角及蒸发效率相关系数为.与 ，其相对于逃逸质量的相关系数为 与.，喷嘴工作参数应选较高的喷雾半角及较低的喷射压差。参考文献：贺 林 水喷淋消声器设计与实验研究 哈尔滨：哈尔滨工程大学，：，袁江涛，杨 立，孙 嵘，等 机动军事目标动力排气系统喷雾降温的三维仿真 系统仿真学报，（）：，（）：王天毓 喷水消声柴油机排气系统研究 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