喻俊峰，吕恒辉，谢军龙

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064;2.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074)



一种船用压差控制喷嘴的改进设计

喻俊峰1，吕恒辉2，谢军龙2

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064;2.华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074)

为适应船舶的安装环境，对文丘里喷嘴进行改进设计，简化型线，缩短长度，利用CFD软件进行仿真模拟，各工况下的流量和压差数据初步验证了设计的正确性，搭建试验平台，试验结果表明，改进后喷嘴的各项指标能够满足压差控制的技术要求。

喷嘴；设计；压差；流量

应用喷嘴形成射流是目前船舶通风领域中常用做法。射流能在舱室内造成快速的空气流动，带来较好的换气或冷却效果，可有效改善船舶内部的舱室通风[1-2]。空气流经喷嘴时，流束形成了局部收缩，使流速增加，静压力降低，在喷嘴前后形成了压差。基于此原理，喷嘴也可用于压差控制、流量测量等领域。当喷嘴形状一定时，空气的流速越大，在其前后产生的压差也越大，可按节流原件前后压差和通过的流量设计出特定型线的喷嘴，来满足某些应用领域的实际需求。根据GB/T 2624.3—2006《用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量 第3部分：喷嘴和文丘里喷嘴》规定，喷嘴在管道内是圆形的，其轮廓型线由收缩部分和圆筒形喉部组成，轴向对称。喷嘴的实际的形状为型线绕着对应的坐标轴旋转360°所得。文丘里喷嘴是一种广泛应用的标准喷嘴，其基本型线见图1，一般其喉部长度较长。在船舶领域，由于空间狭小，在满足使用需求的前提下，希望设备尺寸尽可能小，特别是安装在相邻舱室的共用舱壁上用于控制2舱室间气流的设备，因此需要根据实际用途设计特定型线的喷嘴。

1 型线设计

根据GB/T 2624.3—2006的规定，流经喷嘴的流体质量流量qm为

(1)

给定喷嘴的额定工况如Δp、qm时，根据式(1)计算出标准喷嘴的喉部直径。某工程要求通过喷嘴的空气体积流程在200～350m3/h，产生的静压力差控制在50～150Pa应用工况，计算得到d=88mm，D=132mm，喷嘴长度L>93mm。

工程应用中，为改善标准喷嘴喉部较长的问题，对喷嘴的型线进行改进，考虑到系统中喷嘴作为一种压力损失元件存在，对出口气流的平行度要求不大，同时为方便加工，将喷嘴的收缩段由2段圆弧改为1段圆弧，对喷嘴的型线作了如图2的改进，在保证节流阻力情况下减小轴向长度。

改进后d=90 mm，D=120 mm。

喷嘴采用法兰形式与外部连接，三维设计效果见图3。

2 仿真模拟

针对所设计的喷嘴的结构和尺寸，结合计算流体力学CFD系统，对喷嘴的流场特点进行三维数值仿真验证，求解过程见图4。

喷嘴内流体流动模型属于湍流模型。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流工程计算中，k-ζ模型应用最为广泛。本设计选取k-ζ模型作为湍流模型。

在模拟时，为保证喷嘴内部流动的稳定，在喷嘴进出口分别增加引流和排流段。同时为了确保引流段进口的压力接近静压，将引流段进口处的速度设为0.3 m/s，由流动的连续性方程可得引流段进口直径为532 mm，将引流段轴向长度设为300 mm；考虑到射流流动区域和尾流长度，将排流段的出口直径设为532 mm，排流段的轴向长度设为1 200 mm。其模拟的计算区域的轴向结构见图5。

在fluent中将引流段的进口设为速度进口，排流段的出口设为压力出口，选用k-ζ模型进行数值模拟，模拟结果见表1。

由表1可见，当改进后喷嘴的直径d一定，模拟所得到的喷嘴在不同流量值下的压差与文丘里喷嘴计算所得到的压差值是非常接近的，在误差允许的范围内，说明模拟的计算区域与计算方法选择的正确性。图6为模拟所得的工况1，工况2和工况6的轴向截面速度分布。由图6可见，气流通过喷嘴时在出口处形成了明显的射流。

表1 喷嘴压差流量模拟数据值

3 试验验证

为了验证喷嘴的设计，搭建的试验平台，原理见图7。在风机的进风口前连接一段风管，利用风机将风管内的空气抽出产生空气流动，将喷嘴安装于风管的入口端，用压力计和流量计分别对风管内的压力、流量进行测量。试验时，用变频器控制风机转速，从而控制风管内的空气流量。

试验通过不同气体流量大小分为13个工况点，分别记录不同流量下的喷嘴前后静压力差，拟合记录值对应得到图8。

由图8可见，随着气体流量的增加，喷嘴静压差逐渐增大，试验结果满足实际应用要求，与仿真计算的结果基本一致。拟合试验工况点二次多项式曲线，拟合公式为

Δp=0.001 14q2V-0.006 65qV+3.289 33

式中：Δp为压差,Pa；qV为通过气体流量，m3/h。

4 结论

为满足船舶工程实际应用需要，对喷嘴进行适应性改进，能够有效满足特定工况下的技术指标要求。喷嘴结构上的缩短，较少了对安装空间的需求，给设备布置带来了便利，结构上的简化，使加工更为容易。实际使用中，由于流量不便测量，可以根据压力流量拟合公式，由压力计算得到流量。根据喷嘴前后的压差控制通过喷嘴的空气流量，从而将喷嘴应用于控制流量控制领域。

[1] 刘亚琴，刘喜元.局部射流送风对船舶机舱通风系统的改进分析[J].船海工程,2016(2):20-23.

[2] 邵飞.空气射流通风技术在舰船机舱通风系统中的应用[J].中国舰船研究,2007,2(4):47-50.

[3] 谢军龙,等.亚间速射流实验与流场模块[J].工程热物理学报，2013(8):1457-1461.

[4] 庞生敏，陈沛民.基于CFD的圆柱形喷嘴设计[J].机械制造与自动化.2011(1):41-42.

An Improvemental Design of the Marine Nozzle for Pressure Difference Control

YU Jun-feng1, LV Heng-hui2, XIE Jun-long2

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to adapting the ship's environment, the improvemental design of the Venturi nozzle was made by simplifying the line type and shortening the length. The CFD software was used to get the flow and pressure data in each working condition to verify the design. Experiments were carried out by a test platform, showing that the new improved nozzle's indicators meet the requirements of pressure difference control.

nozzle; design; pressure difference; flow

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.037

2017-03-07

国家部委基金资助项目

喻俊峰(1985—)，男，硕士，工程师

研究方向：船舶辅助系统

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0153-03

修回日期：2017-03-27