王振，吳煒，楊先勇，安一峰，劉元春

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

0 引 言

舷側(cè)排氣是一種常見的排氣方式，許多中、小型船舶的推進柴油機及大型船舶的發(fā)電柴油機采用了舷側(cè)排氣。針對艦船，可以將舷側(cè)排氣系統(tǒng)的排氣口設(shè)置在水面附近，船體和波浪能夠在一定程度上對排氣起到遮蔽作用，有利于紅外隱身，但由于排氣溫度較高（可達到500℃）［1-3］，若不采取降溫措施，正對著排氣口方位的舷側(cè)排氣口仍然是非常強烈的紅外輻射源，甚至在某些特定的方位比煙囪內(nèi)向上直排的排氣紅外輻射更加強烈，因此，有必要針對其排氣降溫技術(shù)進行研究。

海水噴淋冷卻技術(shù)是一種降低船舶排氣溫度的高效且經(jīng)濟的方式，通過向排氣管內(nèi)噴射具有一定壓力和流量的海水，利用海水氣化潛熱和海水與排氣的摻混換熱，可以顯著降低排氣溫度。噴淋降溫技術(shù)在壓氣機進氣道降溫［4］、火箭發(fā)動機尾焰流場降溫［5］、高壓噴水冷卻［6］、排氣冷卻消聲［7］等多個領(lǐng)域都有應(yīng)用。但針對船舶柴油機舷側(cè)排氣噴淋效果及對排氣管路阻力影響的研究尚不多見。

噴淋降溫的效果評估是噴淋冷卻技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，隨著計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算方法被應(yīng)用于對該類問題進行數(shù)值模擬和評估［8］。賴孝君等［9］對導(dǎo)彈艙室固體火箭發(fā)動機意外點火的噴霧降溫開展了數(shù)值模擬。閆丹麗等［10］利用Mixture 多相流模型和沸騰傳質(zhì)模型對廢熱鍋爐兩相流區(qū)的沸騰傳熱進行了數(shù)值模擬。黃亮［11］利用FLUENT 軟件對潛艇通氣管狀態(tài)下柴油機排氣噴淋降溫效果開展了仿真研究。

本文擬針對一種結(jié)構(gòu)緊湊、適用于布置空間小的舷側(cè)排氣系統(tǒng)的多孔射流式排氣噴淋裝置，應(yīng)用Mixture 多相流模型和蒸發(fā)冷凝模型對其排氣管內(nèi)的噴淋降溫過程進行數(shù)值模擬，分析不同噴射流量對流動和傳熱特性的影響，為排氣噴淋裝置的設(shè)計和傳熱特性評估問題提供依據(jù)。

1 數(shù)值計算方法

1.1 柴油機排氣噴水冷卻過程物理模型

根據(jù)船舶柴油機舷側(cè)排氣的常見布置型式，在排氣管末段，較長的直管段部分可能為水平、傾斜、豎直3 種狀態(tài)。以某型船柴油發(fā)電機排氣管的實際布置為例，選取豎直排氣管段設(shè)計排氣噴淋裝置。為簡化計算，不考慮出舷側(cè)的彎管段，簡化后的物理模型如圖1 所示，圖中H 為裝置的高度，D 為排氣管直徑。排氣管內(nèi)為柴油機排出的具有一定流量的高溫廢氣，排氣管上開設(shè)多個噴淋孔，冷卻水在壓力作用下通過噴淋孔射入排氣管內(nèi)形成膜狀噴霧流；與高溫?zé)煔饣旌虾?，冷卻水發(fā)生蒸發(fā)，通過氣化潛熱吸收大量的熱量，從而降低排氣管內(nèi)煙氣的溫度。由于大量冷卻水氣化，煙氣中的水蒸氣含量大幅度增加，最終將含有大量水蒸氣的低溫氣體排出。

圖1 多孔射流式排氣噴淋裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of multiple jet spray device for exhaust

1.2 排氣噴淋冷卻氣液兩相流數(shù)學(xué)模型

排氣噴淋過程涉及了兩相流和相變傳熱，由于Mixture 模型可較好地處理高溫、高壓、可壓縮性氣、汽、液多相流動復(fù)雜問題，因此本文選擇Mixture多相流模型及蒸發(fā)—冷凝模型來進行計算。

本問題中，氣、液兩相的流動速度都不高，故可假定氣、液兩相為不可壓縮流體，其有限體積法的控制方程如下所示。

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

蒸發(fā)—冷凝模型：

蒸發(fā)—冷凝模型是機理模型［12］，適用于Mixture 模型。其液—氣質(zhì)量輸運可以通過蒸汽輸運方程描述為

式中：下標(biāo)“v”為水蒸氣相；下標(biāo)“l(fā)”為液相；αv為水蒸氣相體積分?jǐn)?shù)；ρv為水蒸氣相密度，kg/m3；Vv為水蒸氣相速度，m/s；m˙l→v和m˙v→l分別為蒸發(fā)和冷凝引起的質(zhì)量傳遞速率，kg·s-1·m-3。

本文基于FLUENT 平臺進行數(shù)值求解，其中湍流模型選用RNG k-ε模型，壁面處理采用增強壁面函數(shù)。

1.3 計算模型

1.3.1 幾何模型

計算模型及計算域如圖2 所示。計算域直徑為排氣管直徑的10 倍，計算域長度為排氣管長度的6.7 倍。坐標(biāo)原點設(shè)在煙氣入口的中心，其中坐標(biāo)系z軸與排氣管軸線重合，方向與重力加速度相反。鑒于實際海水中含有大量雜質(zhì)，噴孔過小容易造成堵塞，綜合考慮了防堵和冷卻效果，將噴淋孔直徑設(shè)計為2 mm。

1.3.2 網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，分內(nèi)、外2 個流域，網(wǎng)格總數(shù)約1.7×106，對排氣管壁面及噴淋孔附近的網(wǎng)格進行了局部加密（圖3）。

圖2 計算模型及計算域（y=0 剖面）示意圖Fig.2 Schematic diagram of computation model and computation domain（y=0 cross section）

圖3 網(wǎng)格劃分Fig 3 Mesh generation

1.3.3 邊界條件

邊界條件設(shè)置如表1 所示，其具體位置如圖2所示。

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性分析及模型驗證

為驗證本文計算結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性，分別選取了網(wǎng)格數(shù)量為8.1×105，1.7×106，3.5×106的3 套網(wǎng)格進行計算。在除網(wǎng)格外的其他條件保持一致的情況下，比較了3 套網(wǎng)格條件下排氣管出口的平均溫度，結(jié)果如圖4 所示。由圖可見，計算結(jié)果基本保持不變。因此，本文計算選取的網(wǎng)格數(shù)量1.7×106能夠滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。

圖4 不同網(wǎng)格數(shù)下排氣管截面平均溫度沿程分布曲線Fig.4 Distribution curves of average temperature along the cross section of exhaust pipe with different meshes

為驗證本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，采用該方法對文獻［13］中的氣液兩相管噴淋冷卻實驗進行數(shù)值模擬，模擬得到的冷卻后氣體平均溫度為312.65 K，與實驗值較為接近，從而證明了本文方法的準(zhǔn)確性（表2）。

表2 數(shù)值模擬與實驗結(jié)果對比Table 2 Comparison between numerical simulation and experimental results

2.2 不同流量比下的溫度場分布

圖5 不同冷卻流量比下y=0 剖面的溫度分布Fig.5 Temperature contours of y=0 cross section with different cooling flux ratios

定義冷卻水質(zhì)量流量ql與排氣質(zhì)量流量qg之比為冷卻流量比ξ，ξ=ql/qg。ξ值的大小表示冷卻水量的相對量。本文分別取ξ=2.9，1.4，1.0，0.7 進行數(shù)值模擬，得到了流場和溫度場，取y=0剖面的溫度場進行分析，結(jié)果如圖5 所示。由圖可見，該裝置存在錐形排氣高溫核心區(qū)，且隨著ξ的增大，排氣高溫核心區(qū)的范圍逐漸縮小。

2.3 沿程溫度分布

為便于描述沿排氣管軸向溫度變化的情況，定義χ=l/l0，其中l(wèi)為排氣管某截面距排氣進口的軸向距離，l0為排氣管總長，χ為無量綱沿程距離。圖6 為排氣管截面平均溫度隨無量綱沿程距離的變化曲線，由圖可看出，在χ=0.1～0.4，排氣管截面平均溫度急劇下降，之后排氣管截面平均溫度變化趨緩。χ=0.1～0.4 區(qū)域大致相當(dāng)于噴孔區(qū)，這證明了噴淋降溫的效果顯著。此外，降溫效果隨著冷卻流量比ξ的增大而變好。

圖6 不同冷卻流量比下排氣管截面平均溫度沿程分布曲線Fig.6 Distribution curves of average temperature along the cross section of exhaust pipe with different cooling flux ratios

2.4 阻力特性

為評估排氣噴淋阻力特性對柴油機性能的影響，將不同冷卻流量比ξ下排氣管路總壓損失與無噴淋、光滑排氣管的理論沿程阻力損失估算值［14］進行了比較，結(jié)果如表3 所示。由表可見，噴淋引起的排氣阻力并不會隨著冷卻流量比的增大而單調(diào)增大；噴淋引起的阻力損失與沿程阻力損失大致相當(dāng)，一般柴油機排氣管路總排氣阻力為千帕量級，噴淋引起的總壓損失幾乎可以忽略不計，因而對柴油機性能影響很小。從表中還可以看出，當(dāng)冷卻流量比較大，噴淋所增加的動能大于氣液碰撞等造成的壓差阻力和摩擦阻力時，噴淋造成總壓損失還可能為負值，也即噴淋反而降低了排氣阻力。

表3 不同冷卻流量比下的總壓損失Table 3 Total pressure loss with different cooling flux ratios

3 結(jié) 論

通過本文研究，得到以下結(jié)論：

1）噴淋條件下，由于水的擠壓和水—氣傳熱傳質(zhì)，排氣管內(nèi)的高溫核心區(qū)呈錐形，隨著ξ的增大，排氣高溫核心區(qū)的范圍逐漸縮小。

2）由于噴淋水的氣化、水—氣摻混等作用，排氣管內(nèi)排氣溫度迅速降低，在噴孔區(qū)排氣溫度沿程下降速率最快，越往下游，排氣溫度沿程下降的速率越慢，最后趨于穩(wěn)定。

3）由于噴淋裝置的噴孔設(shè)置在排氣管壁，因此排氣管中心的高溫核心區(qū)較難被冷卻，若要該噴淋裝置起到較好的冷卻降溫效果，需要較大的冷卻流量比。后續(xù)可考慮針對排氣高溫核心區(qū)進行改進設(shè)計。

4）噴水引起的排氣阻力增幅較小，對柴油機的影響不大。