汽水混合加熱器數值模擬研究范文

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《熱科學與技術雜志》2016年第一期

摘要：

熱交換器是供熱系統乃至動力系統中常見的重要設備之一，其中汽水混合加熱器是一種直接將蒸汽與水混合以加熱水的熱交換裝置。利用寬頻噪聲源模型對噴管式汽水混合加熱器進行氣動噪聲數值模擬，獲得了加熱器的聲場分布。在相同工況下實驗測量了加熱器表面噪聲聲壓級，模擬值與實驗值相比，誤差為4．6％，說明寬頻噪聲源模型在模擬混合加熱器表面噪聲聲壓級方面有較好的精度，對噴管式汽水混合加熱器的降噪改進設計具有重要的參考價值。

關鍵詞：

汽水混合；噪聲；數值模擬；寬頻噪聲模型

噴管式汽水混合加熱器是一種高效的、直接將蒸汽與水混合以制取熱水的裝置，加熱熱源可以采用低壓放散蒸汽或凝結水閃蒸汽，起到節能作用［1］。因其具有結構簡單、運轉費用低廉和熱效率高等特點，在供熱、電力、化工、石油、制藥、釀造等行業得到了廣泛應用［2］。在實際的生產生活中，噴管式汽水混合加熱器在工作時會存在運行噪聲較大以及振動等現象［3－4］。為研究其噪聲產生的根源以及影響因素，本文搭建了實驗臺并在實驗的基礎上，運用流體力學軟件對其進行氣動噪聲數值模擬，為進一步找到改進優化設計方案提供參考。

1氣動噪聲模型

FLUENT中的噪聲模型包含了直接模擬模型（CAA），噪聲比擬模型（FW－H）和寬頻噪聲模型三種。直接模擬模型（CAA）可以通過求解流體動力學方程直接得到聲波產生和繁殖現象，但其需要高精度的數值求解方法、非常精細的網格及聲波非反射邊界條件，所以其計算代價較高［5－6］；噪聲比擬模型（FW－H）把波動方程和流動方程解耦，在近場流動解析采用適當的控制方程，然后再把求解結果作為噪聲源，通過求解波動方程得到解析解，從而把流動求解過程從聲學分析中分離出來，其需要用到非穩態計算中時間精度的解，所以計算代價也比較高［7－8］；寬頻噪聲模型湍流參數通過RANS方程求解，再用一定的半經驗修正模型（如Proudman方程模型、邊界層噪聲源模型、線性Euler方程源項模型、Lilley方程源項模型）計算表面單元或體積單元的噪聲功率，其不需要瞬態流動解，所有的源項模型只需要典型的RANS方程解，比如實際速度場、湍動能和湍流耗散率，所以其計算代價最小［9］。在工程應用中的湍流，噪聲沒有明顯的頻段，聲波能量連續分布在一個寬頻段范圍內按頻率連續分布，所以需要選擇寬頻噪聲模型［10］。求解各項同性湍流噪聲即四極子噪聲源，Proudman方程適用假設：高雷諾數、低馬赫數及各向同性湍流流動［11］。

2汽水混合加熱器數值模擬

如圖1所示為噴管式汽水混合加熱器三維模型，主要部件有蒸汽腔、拉伐爾噴管以及出口延長混合管。工作原理為：被加熱水在噴管內流動，蒸汽在噴管外側，當水流經拉瓦爾噴管喉部進入擴散段時，蒸汽從噴管外側壁面上的斜向小孔均勻地高速噴入水中，與水在高速流動中相互均勻混合。模型由Gambit軟件進行三維建模，拉伐爾噴管的管壁畫有壁厚，其上蒸汽小孔與水平軸線呈45°并各排之間保持交錯排列，從而保證蒸汽由蒸汽腔中可以呈預設角度與噴管中的水均勻混合。對整個模型進行網格劃分，蒸汽管及蒸汽腔面網格采用三角形平鋪成非結構化網格，拉伐爾噴管內壁面及蒸汽小孔表面網格采用四邊形和三角形混合平鋪成非結構化網格，整個流體區域均采用六面體非結構化網格進行劃分，物理層網格最小尺度為10－3m，通過此種方法對網格進行了加密控制和非等距處理，從而保證了對內部拉伐爾噴管的計算精度要求，最終劃分的網格數為54萬個。根據實際應用中要求對初溫為60℃水在噴管式汽水混合加熱器中蒸汽加熱至75℃工況條件進行參數設計，具體參數如表1所示。模擬湍流模型采用標準k－ε模型，穩態，基于壓力的隱式求解，壓力修正采用SIMPLC算法。對流項采用二階精度的QUICK格式離散，擴散項采用二階中心格式離散，時間項離散采用二階隱式格式。水管入口與蒸汽管入口都為速度入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，壁面定義為絕熱壁面邊界條件。采用寬頻噪聲源模型，湍流參數通過RANS方程求解，設置遠場密度ρ0＝1．225kg／m3，遠場聲速v0＝340m／s，參考聲功率P0＝10－12W，再用半經驗修正模型計算表面和體積單元的噪聲功率。在混合加熱器出口處建立出口水溫監測面，在經過約14000次迭代后殘差收斂達到10－6量級，可以在圖2中看到混合加熱器出口溫度穩定在347．8K左右，達到了預期理論計算的加熱溫度。

3模擬結果與分析

由圖3可以看出，水在經過內部拉伐爾噴管喉部時有明顯的加速現象，蒸汽管入口蒸汽速度初始為1．87m／s，在從蒸汽口進入蒸汽腔與拉伐爾噴管產生沖擊減速，在蒸汽腔中形成了多股前后交錯圍繞拉伐爾噴管旋轉的蒸汽流。在從蒸汽腔通過蒸汽小孔打入拉伐爾噴管時速度上升很快，在局部最高速度可達到16．00m／s，速度較高的蒸汽與水混合會產生比較強烈的沖擊。由蒸汽組分圖4可以看到蒸汽在蒸汽腔中組分均為1，在從蒸汽小孔打入拉伐爾噴管內與水混合時在近壁面處蒸汽暫時占據水的體積，前后排蒸汽小孔之間進汽量相對較為均勻。由于蒸汽速度較大，高速蒸汽在剛進入拉伐爾噴管時不能很好地與低速水流凝結放熱，因此在混合管前半段蒸汽組分較高；蒸汽在延長混合管處速度降低后可以看到組分下降十分明顯，迅速凝結，在出口處已經沒有未冷凝的蒸汽。圖5為噪聲源聲壓級Lap分布云圖，由圖5可以看到，在此工況下整個混合加熱器中最主要的噪聲源分布情況，在蒸汽從蒸汽口進入與拉伐爾噴管相沖擊處有明顯的噪聲產生，聲壓級可以達到65dB左右，特別是在蒸汽口正對下方的噴管環周都會有很強烈的湍流，因此此區域是氣動外形四極子噪聲源對總噪聲源貢獻較大的區域。由圖6所示，在混合加熱器沿著X軸方向上各點噪聲源聲壓級Lap分布圖可以看出，最大的噪音源來自噴管內的六排蒸汽小孔，在此處蒸汽有極大的速度變化從而產生強湍流，蒸汽管正下方第一排上側的蒸汽小孔其最大噪聲聲壓級達到了110dB以上，并且此小孔區域周圍也會受到影響，這與蒸汽小孔的孔徑和排列分布方式有著密切的關系。圖7所示為表面噪聲聲壓級Lps分布云圖，可以通過湍流邊界層評估局部偶極子噪聲源對總噪聲能量的貢獻，即整個混合加熱器由于湍流流動在其表面上產生的噪聲聲壓級分布。由于邊界較窄故對云圖進行了放大處理，可以看到在蒸汽小孔壁面上噪聲聲壓級達到了一個峰值即94．9dB；在整個拉伐爾噴管表面上噪聲聲壓級平均在80．7dB左右。

4噪聲實驗及對比

根據實際工況理論計算參數搭建實驗臺，進行汽水混合加熱器實驗研究，通過對混合加熱情況以及混合加熱器運行時的噪聲聲壓級等參數來分析并指導實際應用。實驗系統流程如圖8所示，實驗所需蒸汽通過蒸汽發生器產生和提供，通過蒸汽調節閥門控制通入的蒸汽量，同時由水泵給水在流量計及閥門控制下調節水流量。蒸汽與水在噴管式汽水混合加熱器中直接接觸混合，混合后溫水貯存在冷卻水箱中進行冷卻，待冷卻后還可控制送入循環水箱進行循環利用。

5結論

1）通過模擬分析，獲得了噴管式汽水混合加熱器的溫升特性，在熱平衡的計算基礎上設計工況參數，模擬得到混合加熱器溫升14．8K，與理論計算值15．0K相差1．3％，說明了蒸汽與水相變傳熱模擬的有效性。2）利用寬頻噪聲模型進行模擬，降低了數值計算成本，而且通過穩態計算對噴管式汽水混合加熱器進行氣動噪聲模擬，其表面噪聲聲壓級相比實驗誤差為4．6％，可以認為此種模型的模擬方法在模擬混合加熱器表面噪聲聲壓級方面具有較好的精度。3）通過噴管式汽水混合加熱器氣動噪聲數值模擬，找到了混合加熱器易產生強噪聲源的位置，為進一步實驗和改進汽水混合加熱器的降噪研究提供參考。

作者：茍湘 夏冰 連晶紅 尹業彬 單位：河北工業大學 能源與環境工程學院