汽水混合加热器数值模拟研究范文

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《热科学与技术杂志》2016年第一期

摘要：

热交换器是供热系统乃至动力系统中常见的重要设备之一，其中汽水混合加热器是一种直接将蒸汽与水混合以加热水的热交换装置。利用宽频噪声源模型对喷管式汽水混合加热器进行气动噪声数值模拟，获得了加热器的声场分布。在相同工况下实验测量了加热器表面噪声声压级，模拟值与实验值相比，误差为4．6％，说明宽频噪声源模型在模拟混合加热器表面噪声声压级方面有较好的精度，对喷管式汽水混合加热器的降噪改进设计具有重要的参考价值。

关键词：

汽水混合；噪声；数值模拟；宽频噪声模型

喷管式汽水混合加热器是一种高效的、直接将蒸汽与水混合以制取热水的装置，加热热源可以采用低压放散蒸汽或凝结水闪蒸汽，起到节能作用［1］。因其具有结构简单、运转费用低廉和热效率高等特点，在供热、电力、化工、石油、制药、酿造等行业得到了广泛应用［2］。在实际的生产生活中，喷管式汽水混合加热器在工作时会存在运行噪声较大以及振动等现象［3－4］。为研究其噪声产生的根源以及影响因素，本文搭建了实验台并在实验的基础上，运用流体力学软件对其进行气动噪声数值模拟，为进一步找到改进优化设计方案提供参考。

1气动噪声模型

FLUENT中的噪声模型包含了直接模拟模型（CAA），噪声比拟模型（FW－H）和宽频噪声模型三种。直接模拟模型（CAA）可以通过求解流体动力学方程直接得到声波产生和繁殖现象，但其需要高精度的数值求解方法、非常精细的网格及声波非反射边界条件，所以其计算代价较高［5－6］；噪声比拟模型（FW－H）把波动方程和流动方程解耦，在近场流动解析采用适当的控制方程，然后再把求解结果作为噪声源，通过求解波动方程得到解析解，从而把流动求解过程从声学分析中分离出来，其需要用到非稳态计算中时间精度的解，所以计算代价也比较高［7－8］；宽频噪声模型湍流参数通过RANS方程求解，再用一定的半经验修正模型（如Proudman方程模型、边界层噪声源模型、线性Euler方程源项模型、Lilley方程源项模型）计算表面单元或体积单元的噪声功率，其不需要瞬态流动解，所有的源项模型只需要典型的RANS方程解，比如实际速度场、湍动能和湍流耗散率，所以其计算代价最小［9］。在工程应用中的湍流，噪声没有明显的频段，声波能量连续分布在一个宽频段范围内按频率连续分布，所以需要选择宽频噪声模型［10］。求解各项同性湍流噪声即四极子噪声源，Proudman方程适用假设：高雷诺数、低马赫数及各向同性湍流流动［11］。

2汽水混合加热器数值模拟

如图1所示为喷管式汽水混合加热器三维模型，主要部件有蒸汽腔、拉伐尔喷管以及出口延长混合管。工作原理为：被加热水在喷管内流动，蒸汽在喷管外侧，当水流经拉瓦尔喷管喉部进入扩散段时，蒸汽从喷管外侧壁面上的斜向小孔均匀地高速喷入水中，与水在高速流动中相互均匀混合。模型由Gambit软件进行三维建模，拉伐尔喷管的管壁画有壁厚，其上蒸汽小孔与水平轴线呈45°并各排之间保持交错排列，从而保证蒸汽由蒸汽腔中可以呈预设角度与喷管中的水均匀混合。对整个模型进行网格划分，蒸汽管及蒸汽腔面网格采用三角形平铺成非结构化网格，拉伐尔喷管内壁面及蒸汽小孔表面网格采用四边形和三角形混合平铺成非结构化网格，整个流体区域均采用六面体非结构化网格进行划分，物理层网格最小尺度为10－3m，通过此种方法对网格进行了加密控制和非等距处理，从而保证了对内部拉伐尔喷管的计算精度要求，最终划分的网格数为54万个。根据实际应用中要求对初温为60℃水在喷管式汽水混合加热器中蒸汽加热至75℃工况条件进行参数设计，具体参数如表1所示。模拟湍流模型采用标准k－ε模型，稳态，基于压力的隐式求解，压力修正采用SIMPLC算法。对流项采用二阶精度的QUICK格式离散，扩散项采用二阶中心格式离散，时间项离散采用二阶隐式格式。水管入口与蒸汽管入口都为速度入口边界条件，出口为压力出口边界条件，壁面定义为绝热壁面边界条件。采用宽频噪声源模型，湍流参数通过RANS方程求解，设置远场密度ρ0＝1．225kg／m3，远场声速v0＝340m／s，参考声功率P0＝10－12W，再用半经验修正模型计算表面和体积单元的噪声功率。在混合加热器出口处建立出口水温监测面，在经过约14000次迭代后残差收敛达到10－6量级，可以在图2中看到混合加热器出口温度稳定在347．8K左右，达到了预期理论计算的加热温度。

3模拟结果与分析

由图3可以看出，水在经过内部拉伐尔喷管喉部时有明显的加速现象，蒸汽管入口蒸汽速度初始为1．87m／s，在从蒸汽口进入蒸汽腔与拉伐尔喷管产生冲击减速，在蒸汽腔中形成了多股前后交错围绕拉伐尔喷管旋转的蒸汽流。在从蒸汽腔通过蒸汽小孔打入拉伐尔喷管时速度上升很快，在局部最高速度可达到16．00m／s，速度较高的蒸汽与水混合会产生比较强烈的冲击。由蒸汽组分图4可以看到蒸汽在蒸汽腔中组分均为1，在从蒸汽小孔打入拉伐尔喷管内与水混合时在近壁面处蒸汽暂时占据水的体积，前后排蒸汽小孔之间进汽量相对较为均匀。由于蒸汽速度较大，高速蒸汽在刚进入拉伐尔喷管时不能很好地与低速水流凝结放热，因此在混合管前半段蒸汽组分较高；蒸汽在延长混合管处速度降低后可以看到组分下降十分明显，迅速凝结，在出口处已经没有未冷凝的蒸汽。图5为噪声源声压级Lap分布云图，由图5可以看到，在此工况下整个混合加热器中最主要的噪声源分布情况，在蒸汽从蒸汽口进入与拉伐尔喷管相冲击处有明显的噪声产生，声压级可以达到65dB左右，特别是在蒸汽口正对下方的喷管环周都会有很强烈的湍流，因此此区域是气动外形四极子噪声源对总噪声源贡献较大的区域。由图6所示，在混合加热器沿着X轴方向上各点噪声源声压级Lap分布图可以看出，最大的噪音源来自喷管内的六排蒸汽小孔，在此处蒸汽有极大的速度变化从而产生强湍流，蒸汽管正下方第一排上侧的蒸汽小孔其最大噪声声压级达到了110dB以上，并且此小孔区域周围也会受到影响，这与蒸汽小孔的孔径和排列分布方式有着密切的关系。图7所示为表面噪声声压级Lps分布云图，可以通过湍流边界层评估局部偶极子噪声源对总噪声能量的贡献，即整个混合加热器由于湍流流动在其表面上产生的噪声声压级分布。由于边界较窄故对云图进行了放大处理，可以看到在蒸汽小孔壁面上噪声声压级达到了一个峰值即94．9dB；在整个拉伐尔喷管表面上噪声声压级平均在80．7dB左右。

4噪声实验及对比

根据实际工况理论计算参数搭建实验台，进行汽水混合加热器实验研究，通过对混合加热情况以及混合加热器运行时的噪声声压级等参数来分析并指导实际应用。实验系统流程如图8所示，实验所需蒸汽通过蒸汽发生器产生和提供，通过蒸汽调节阀门控制通入的蒸汽量，同时由水泵给水在流量计及阀门控制下调节水流量。蒸汽与水在喷管式汽水混合加热器中直接接触混合，混合后温水贮存在冷却水箱中进行冷却，待冷却后还可控制送入循环水箱进行循环利用。

5结论

1）通过模拟分析，获得了喷管式汽水混合加热器的温升特性，在热平衡的计算基础上设计工况参数，模拟得到混合加热器温升14．8K，与理论计算值15．0K相差1．3％，说明了蒸汽与水相变传热模拟的有效性。2）利用宽频噪声模型进行模拟，降低了数值计算成本，而且通过稳态计算对喷管式汽水混合加热器进行气动噪声模拟，其表面噪声声压级相比实验误差为4．6％，可以认为此种模型的模拟方法在模拟混合加热器表面噪声声压级方面具有较好的精度。3）通过喷管式汽水混合加热器气动噪声数值模拟，找到了混合加热器易产生强噪声源的位置，为进一步实验和改进汽水混合加热器的降噪研究提供参考。

作者：苟湘 夏冰 连晶红 尹业彬 单位：河北工业大学 能源与环境工程学院