基于ASNSYS的水冷风机单喷头雾化冷却数值模拟

谭兴强，唐 聪，吴 毅

（1.攀枝花学院智能制造学院，四川攀枝花617000；2.西华大学 机械工程学院，四川 成都610039）

0 前言

在目前运用的工业循环水冷却设备中，主要使用电动风机冷却塔。相比于自然通风冷却，其冷却效率更高，因而广泛应用于循环水冷却系统中。然而其在保证冷却效率的同时，却存在着能耗过高等问题。其运行能耗约占水循环全部能耗的25%［1］，使得水的冷却成本大大增加。

为实现低能耗或无能耗工业循环水的冷却，王仁南［2］对炼油企业循环水冷却塔进行节能改造研究，经过试验验证了利用循环水余压驱动风机的可行性。韩静雷［3］对改造水冷风机并进行了经济效益的验算，发现利用循环余压水驱动风机转动实现冷却存在巨大的经济价值。鞠晓亮等［4］设计了一款应用于冷却塔中的水轮机水动风机，并对其进行了系统分析，发现在冷却塔上利用水动风机代替普通电动风机具有良好的冷却效果，并有较好的节能效果。李延频等［5］基于工业循环冷却水系统的构成方式进行研究，提出了水轮-风机组余能利用、透平泵余能利用和小型或微型水轮发电装置向外送电的余能利用3种余能利用方式。吴韵华等［6］用GLW型水轮机代替逆流填料冷却塔风机驱动电动机，验证这种方式不仅可实现冷却塔风机零电耗，还减少了二氧化碳排放，并用实践证明了该技术的可行性。考虑到工业循环水在从出口水泵排出时常带有0.15 Mpa～0.3 Map的余压，这些余能常因直接排放到冷却池而白白浪费掉。因此设计一种喷雾推进式水冷风机，通过研究单个喷头的雾化冷却性能，验证其可行性。

1 水冷风机工作原理

水冷风机是通过循环水余压推动的自旋转装置。其原理是：将循环水系统出口水泵排出的带有余压的循环水引入水冷风机，从喷水管上喷头以液滴的形式喷出；余压水喷出后产生反作用力驱动水冷风机旋转；风机旋转时带动风叶旋转形成一股向上的冷风，冷风与喷出的循环水进行换热，使空气增热增湿，从而快速带走热量，达到热循环水降温的效果。水冷风机示意图如图1所示：

图1 水冷风机示意图

液滴喷出过程中与空气接触面积较大，加之冷风促进作用，能加快循环水降温。喷头是循环水雾化的核心部件，循环水在压力作用下通过孔径突然缩小的喷头流出，在喷头处可形成单相区、空穴区及回流区三个工作区，不同工作区转变是一个突变过程，会产生完全不同的雾化效果。喷头的内部尺寸与形状决定了流体在喷嘴处喷出的速度、初始颗粒尺寸、以及液滴分散角等，对水冷风机循环水喷出后的雾化冷却效果具有直接影响。

由于水冷风机结构是旋转对称的，通过模拟单支喷水管的雾化冷却状态就可以得到水冷风机的冷却效果。通过对喷水管内部液体流动性能进行模拟，得出循环水在喷头处的流速、流量等喷雾初始条件。改变喷嘴直径分别进行模拟，选用最佳喷嘴直径下的模拟结果作为雾化冷却模拟的初始条件，进行循环水雾化冷却数值模拟。

2 喷水管内部流动特性数值模拟

2.1 模拟方法

图2 喷水管网格划分

2.2 模拟结果与分析

通过流体后处理系统CFD-Post中Function Calculator功能统计不同参数下喷头处的流速与流量，产生速率与流量分布如图3、图4所示：

图3 喷头出口流速分布图

图4 喷头出口流量统计图

由图3-4可知，当喷嘴直径为8mm时，各种压力下都具有较高的出口流速与流量，具有较好初始条件。

3 单喷头雾化场冷却数值模拟

为验证水冷风机的雾化冷却效果，对水冷风机单喷头外部雾化场效果进行数值模拟。由第二章可知，水冷风机在喷嘴直径为8mm时具有较高的流速与流量，经实验测得，水冷风机纵向风速最高可达5m/s，以0.2MPa循环水输入余压为例，其初始雾化参数如表1：

3.1 模拟方法

表1 喷嘴雾化初始参数

雾化场简化为直径为1m高度为4m圆柱体，利用ICEM对雾化场进行建模并生成非结构化网格，网格质量达到0.7以上，满足雾化场分析条件。网格如图5所示：

图5 雾化场网格

将网格导入Fluent软件进行数值模拟，计算时选择基于压力法的求解器，采用k-ε湍流模型描述喷雾周围气体介质连续相运动；液滴与空气之间有能量交换，开启能量方程；循环水的雾化过程中含有多种组分的相互作用，因此激活组分传输模型，将流体域细分为氮气，氧气，水蒸气。首先对连续相在稳态条件下进行计算，当连续相收敛后，打开DPM离散相方程，引入TAB破碎模型，加入射流源Injection并选取solid-cone模型进行瞬态雾化数值模拟，用rosin-rammler分布描述液滴分布状态。为了模拟大气环境，边界outlet设置为大气压，在DPM选项中将边界类型设置为escape。结合流场变量求解每一个颗粒的受力情况，追踪每一个颗粒运动轨道，得出粒径分布。

3.2 雾化原理基础理论

3.2.1连续相方程

冷风在雾化场中为连续相，由于细微的密度变化不会对流体流动形成明显的影响，因此可忽视密度脉动的影响［7］。考虑到平均密度的变化，可得可压湍流平均流动的控制方程：

式中，ρ为密度，g/cm3；t为时间，s；u为速度矢量。

在运行期内，记为第i个AC的失效次序统计量，为第i个MC的失效次序统计量。显然，以为节点，将运行期分割成若干连续运行子期，记为第l个运行子期，则有如下结论：

动量方程为：

其他变量的输运方程：

式中：φ为某一个变量，Γ为扩散系数；S为源项。

3.2.2离散相方程

液滴在雾化场中是离散项，根据作用在颗粒上的力平衡法则，可得到颗粒在拉格朗日坐标系下的运动方程：

式中：Fd为雾滴单位曳力，N；u为连续相速度，m/s；up为雾滴速度，m/s；μ为流体动力黏度，N·s/m2，ρ为流体密度，kg/m3；dp为雾滴直径，m；Re为雷洛数；Cd为曳力系数；g为重力加速度，m/s2；F为其他作用力，N［8］。

3.2.3破碎模型

循环水经过喷头破碎后变为液滴，为了可以在雾化模型的初始条件下预测喷嘴出口处的初始雾滴粒径和速度，Rourke等［9］提出了TAB破碎方程：

当x＜Cbr时，雾滴发生破碎，其中Cb是无量纲数，通过实验得出：Cb＝0.5

式中：CF、Ck、Cd为无量纲参数，参数取值：CF＝1/3，Ck＝8，Cd＝5［10］。

3.3 仿真结果与分析

如图6～9所示分别是循环水喷射时间5s之后，系统工作达到稳定状态下的雾化粒径分布、中间平面粒径分布比例、雾化温度场分布、雾化场速度分布的仿真结果。由图6可知，从喷嘴喷出的雾化液滴粒度较均匀，粒度越大的雾化液喷射的越高或越远；由图7可知，雾化的液滴的粒径小于0.5 mm，其中小于0.35 mm的约占比50%，0.35～0.5 mm的占比50%，而小于0.35 mm的雾滴其直径主要分布在0.1～0.25 mm之间；由图8雾化场温度云图可知，当高温循环水从雾化喷嘴喷出达到3.8米高时，水温可降到36℃，此时雾滴仍在向上运动与空气换热（注：图中温度单位为开氏度），可满足将循环水从55℃降温10℃以上设计要求。因此仿真结果证明水冷风机实现循环水的降温方法是可行的。

图6 雾化粒径分布图

图8 雾化场温度云图

图9 雾化场速度云图

考虑水冷风机旋转装置设计的必要性，对照自然无风条件下单喷头雾化冷却数值模拟。无风条件下雾化场中的粒径分布、中间平面粒径分布比例、温度场分布与速度场分布如图10～图13所示。

将图10～图13与图6～图9对比分析可知：在有风条件下雾化液滴的粒径范围主要为0.3～0.4 mm，其中0.4 mm粒径约占33%；而在无风条件下雾化液滴粒径以0.5 mm的为主，约占比45%。同比有风状态较无风状态粒径减小20%以上。由速度分布云图可知，有风条件下液滴较容易达到四米的高度，温度与空气换热时间更长，降温效果更加显著，更接近室温；无风条件下液滴在向上运动时，受重力作用，喷射到2.8米时便开始慢慢掉落，较少液滴可以达到四米高，减小了其与空气换热时间。在1.6米液滴集聚的高度时，有风状态下液滴普遍可降到38℃，少部分液滴超过40℃，无风状态下大部分液滴仍在42℃，同比降温效果有风比无风高出约10%；无风状态下轴线方向4 m高处温度仍在37℃，有风状态下已经接近室温；因此，有必要在水冷风机设计时，增设自旋转装置产生纵向风加速冷却。

图10 自然无风状态粒径分布图

图11 中间平面粒径分布比例图

图12 自然无风状态温度云图

图13 自然无风状态速度云图

4 结论

（1）仿真结果表明雾化推进水冷风机具有较好的可行性，理论上能够实现将55℃循环水降温10℃以上的目标。

（2）仿真研究中喷嘴开口直径为8 mm时，可获得较好的流速与流量，实现较好的雾化冷却效果。不同的喷嘴应根据不同的情况合理配置喷头参数。

（3）对照喷水管风机纵向风促进冷却与自然喷雾冷却两种状态，在5 m/s纵向风速下，粒径较自然无风条件下小接近20%；在喷射1.6 m高度，有风状态冷却效果比无风状态冷却效率提高近10%。有风状态能有效促进循环水雾化，快速实现冷却，因此水冷风机设计时有必要采用自旋转装置产生纵向风加快循环水冷却。