陳 猛，江珍珍，郭 勇

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

矩型風(fēng)管彎頭數(shù)值模擬及設(shè)計(jì)優(yōu)化

陳 猛，江珍珍，郭 勇

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

目前低階煤提質(zhì)項(xiàng)目中應(yīng)用了很多大型風(fēng)管，其設(shè)計(jì)的主要依據(jù)為設(shè)計(jì)規(guī)程。為提高矩形彎頭管道的綜合性能，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對其進(jìn)行數(shù)值模擬。在分析討論3種結(jié)構(gòu)彎頭管道的流場分布、壓力分布、進(jìn)出口壓力損失、出口速度均勻度的基礎(chǔ)上，指出優(yōu)化彎頭的總體優(yōu)勢及其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用潛力。

矩形彎頭；數(shù)值模擬；壓力損失；出口速度均勻度

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.006

LCC(Low-rank Coal Conversion)低階煤提質(zhì)工程項(xiàng)目中有很多矩形風(fēng)管，在某3 000t/d的褐煤提質(zhì)項(xiàng)目中，從熱解熱風(fēng)爐到熱解爐的矩形風(fēng)管達(dá)到2 860mm×1 800mm。其設(shè)計(jì)不合理造成的高壓氣流和分布不均勻，將直接影響管道本身壽命及相連各設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，如造成管道上矩形彎頭處壓力過大、加劇對彎頭的沖蝕、導(dǎo)致下游設(shè)備進(jìn)氣不均勻、降低產(chǎn)品質(zhì)量等，彎頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化至關(guān)重要。

從熱解熱風(fēng)爐到達(dá)熱解爐的熱解熱風(fēng)中含有少量的煤粉和油，為防止煤粉和油的聚集，矩形管道中未設(shè)置導(dǎo)流板和內(nèi)部支撐桿件，同時，國內(nèi)針對大型燃煤電廠煙道流場和阻力的模擬研究也多采用忽略內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的模型。筆者借助計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent14.0，對工程實(shí)際應(yīng)用中的矩形彎頭進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。綜合分析后，提出了優(yōu)于常規(guī)矩形彎頭管道的設(shè)計(jì)理念，以減少對彎頭的沖蝕，降低壓力損失，增加出口速度均勻度。

1 模型、網(wǎng)格及計(jì)算方法

1.1 幾何模型

根據(jù)此工程項(xiàng)目中的大型矩形管道布置需要，依照《煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5121—2000)設(shè)計(jì)3種不同曲率半徑彎頭的矩形管道，見圖1，矩形截面都為2 860mm×1 800mm，急轉(zhuǎn)彎頭的r1/b=r2/b=1，緩轉(zhuǎn)彎頭的R/b=1.5，優(yōu)化彎頭是由2個R/b=1的45°彎頭與一段直管組合而成。

圖1 矩形彎頭管道

1.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)流體理論，矩形風(fēng)道內(nèi)的流場為三維湍流，其內(nèi)部流動復(fù)雜，多存在二次流，需要借助合適的湍流模型。本文采用應(yīng)用較多的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程模型。相關(guān)的計(jì)算參數(shù)采用該模型的默認(rèn)值，在滿足流體運(yùn)動連續(xù)性方程及N-S方程的情況下，其湍動能及耗散率輸運(yùn)方程為：

式中：k為單位質(zhì)量湍動能，m2·s2；ε為單位質(zhì)量湍動耗散率，m2·s3；ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；xi(i=1，2，3)代表3個方向；E為平均應(yīng)變率s-1；μ為湍流黏性系數(shù)，Pa·s；υ為分子運(yùn)動黏性系數(shù)，m2·s；Gk為平均速度梯度引起的湍動能，N·(m2·s)；Gb為浮力影響產(chǎn)生的湍動能，N·(m2·s)；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響，kg/( m·s3)；C1=1.44，C2=1.9，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.2。

1.3 網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法

三維建模采用Gambit軟件，將整個計(jì)算區(qū)域劃分成非結(jié)構(gòu)化的四面體及六面體混合網(wǎng)格，并在局部重點(diǎn)區(qū)域加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為300萬。

流動介質(zhì)為580℃的熱解熱風(fēng)，密度ρ=0.853kg/m3，動力黏度μ=2.286×105kg/(m·s)，入口流速v分別設(shè)定5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s。由于進(jìn)口流體馬赫數(shù)遠(yuǎn)大于0.3，流體為不可壓縮氣體。管道當(dāng)量直徑d=2.209m，6種速度下流體雷諾數(shù)均大于8 000，依據(jù)《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，流動為湍流。網(wǎng)格壁面處理方法采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，在靠近管壁處設(shè)置邊界層，忽略豎直方向的重力作用，采用速度進(jìn)口及壓力出口邊界條件，設(shè)置速度入口的湍流強(qiáng)度為5%，水利直徑為0.552m，采用SIMPLE算法，對流項(xiàng)差分格式采用二階迎風(fēng)格式，以差分方程殘差低于1×10-3為收斂條件，計(jì)算結(jié)果全部收斂。

2 數(shù)值模擬及計(jì)算分析

2.1 速度分布情況分析

當(dāng)入口速度為20m/s時，3種彎頭Y=0截面速度分布見圖2。

圖2 Y=0截面速度分布

急轉(zhuǎn)彎頭的內(nèi)外徑較小且彎曲半徑相同，當(dāng)氣體流過彎頭部位時，會在彎頭外側(cè)部位形成二次流，且速度較低，變成渦流死區(qū)，影響氣體流動的均勻性，容易積灰，同時也會增大壓力損失；緩轉(zhuǎn)彎頭Y=0，截面上內(nèi)側(cè)部位流速較高，外側(cè)部位流速較低，低速區(qū)與高速區(qū)所占面積相對較大，流速分布不均勻；優(yōu)化彎頭內(nèi)部的流場內(nèi)未產(chǎn)生二次流，改善了管道內(nèi)外側(cè)低速區(qū)和高速區(qū)過分集中的情況，整體上氣體流動較均勻，改善了煙氣在流道內(nèi)的流動情況。

2.2 壓力分布情況分析

Y=0截面壓力分布見圖3。

圖3 Y=0截面壓力分布

當(dāng)入口速度為20m/s時，從圖3中可以看出，彎頭外側(cè)氣體壓力較高，但是急轉(zhuǎn)彎頭、緩轉(zhuǎn)彎頭外側(cè)的最大動壓分別達(dá)到了160Pa、90Pa，且高壓區(qū)所占面積較大。這是因?yàn)楫?dāng)流體進(jìn)入彎頭時，流體流向發(fā)生改變，沿?cái)嗝嬗休^大的離心力，在離心力的作用下，對彎頭外側(cè)形成擠壓作用，對彎頭內(nèi)側(cè)壁形成牽引作用，壓力沿著離心力方向逐漸增大。而根據(jù)伯努力方程，同一流線各點(diǎn)單位質(zhì)量流體的總比能為一常數(shù)，因此，在彎頭外側(cè)流體動能減少的同時，其比壓能相應(yīng)增加，增大的壓力對管壁造成強(qiáng)度破壞。而優(yōu)化彎頭的Y=0截面上高壓區(qū)所占面積相對較小，且最高壓力只有30Pa，極大地降低了對彎頭外壁的沖擊作用，延長了彎頭的使用壽命。

2.3 不同速度下進(jìn)出口壓力損失對比分析

其他條件不變，改變流體的進(jìn)口速度分別為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s時，進(jìn)出口的壓力損失見圖4?？梢钥闯?，隨著進(jìn)口速度的增大，各種彎頭管道進(jìn)出口壓力損失分別增大，并且在同等速度下優(yōu)化彎頭的進(jìn)出口壓力損失明顯低于急轉(zhuǎn)及緩轉(zhuǎn)彎頭的。當(dāng)進(jìn)口速度達(dá)到30m/s時，優(yōu)化彎頭的進(jìn)出口壓力損失分別是急轉(zhuǎn)及緩轉(zhuǎn)彎頭的49%、37.7%。這主要是因?yàn)榱黧w在流過急轉(zhuǎn)彎頭、緩轉(zhuǎn)彎頭時，管壁的摩擦作用所占的比重較大，氣體的流動不能得到充分的發(fā)展，壓力損失也就越大。另外還可以看出，隨著進(jìn)口速度的增大，優(yōu)化彎頭管道進(jìn)出口壓力損失基本呈線性增長，相對緩慢，這主要是因?yàn)閮?yōu)化彎頭的流道摩擦阻力已經(jīng)較小，特別是在高速的氣體流動中，優(yōu)化彎頭可以起到明顯降低阻力的效果。

圖4 不同進(jìn)口速度下進(jìn)出口壓力損失

2.4 不同速度下出口速度均勻度對比分析

其他條件不變，改變流體的進(jìn)口速度分別為5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s時，各種彎頭管道出口速度均勻度見圖5。本項(xiàng)目中彎頭出口速度越均勻，進(jìn)入熱解熱風(fēng)爐的氣體脈動度越小，對熱解爐中煤粉的加熱就越均勻，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。從上圖可以看出，不同流速下，優(yōu)化彎頭的出口速度均勻度明顯高于急轉(zhuǎn)及緩轉(zhuǎn)彎頭出口速度均勻度，當(dāng)進(jìn)口速度為15m/s時，優(yōu)化彎頭的出口速度均勻度分別比急轉(zhuǎn)彎頭及緩轉(zhuǎn)彎頭高出3.37%、2.99%。這是因?yàn)閮?yōu)化彎頭減少了流動漩渦產(chǎn)生的可能性，消除了出口直管段的氣流內(nèi)壁分離現(xiàn)象，使氣體流動得到充分的發(fā)展，提高了流體出口速度均勻度；但是當(dāng)速度超過15m/s時，優(yōu)化彎頭出口速度的均勻性開始降低，到達(dá)25m/s時，3種彎頭的出口速度均勻度趨于一致。這是因?yàn)榱魉佥^大時，3種彎頭對氣體的阻力都較大，氣體在彎頭后的直管段發(fā)展類似，出口速度均勻度相差不多。

圖5 不同進(jìn)口速度下出口速度均勻度

3 結(jié)語

通過對比3種彎頭管道內(nèi)速度和壓力的分布，優(yōu)化彎頭內(nèi)部未產(chǎn)生二次流，改善了管道內(nèi)外側(cè)低速區(qū)和高速區(qū)過分集中的情況，外側(cè)所受壓力最小，降低了對彎頭外側(cè)的沖壓作用，延長了彎頭使用壽命。同時通過對比6種速度下3種彎頭管道進(jìn)出口壓力損失及出口速度均勻度，發(fā)現(xiàn)同等速度下優(yōu)化彎頭進(jìn)出口壓力損失明顯低于急轉(zhuǎn)及緩轉(zhuǎn)彎頭進(jìn)出口壓力損失：當(dāng)進(jìn)口速度達(dá)到30m/s時，優(yōu)化彎頭進(jìn)出口壓力損失分別是急轉(zhuǎn)及緩轉(zhuǎn)彎頭的49%、37.7%。優(yōu)化彎頭減少了流動漩渦產(chǎn)生的可能性，消除了出口直管段的氣流的內(nèi)壁分離現(xiàn)象，使氣體流動得到充分的發(fā)展，提高了流體的出口速度均勻度；當(dāng)進(jìn)口速度達(dá)到25m/s時，3種結(jié)構(gòu)彎頭的出口速度均勻度比較接近，但是優(yōu)化彎頭出口速度均勻度仍高于急轉(zhuǎn)及緩轉(zhuǎn)彎頭的。

目前，大型矩形方管的設(shè)計(jì)應(yīng)用較少，本文對項(xiàng)目中應(yīng)用到的3種矩形彎頭管道進(jìn)行模擬分析，說明了改善后的矩形彎頭在管道內(nèi)部流場分布、壓力分布、進(jìn)出口壓力損失、出口速度均勻度4個方面的優(yōu)點(diǎn)，以期未來能真正應(yīng)用到實(shí)際工程中，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

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修改稿日期： 2017-01-20

Numerical Simulation and Design Optimization of Rectangular Duct Elbow

CHEN Meng，JIANG Zhen-zhen，GUO Yong

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

Currently，many large-scale flue pipes are applied in the low-rank coal quality improving project，and they are mainly designed by the design specifications.For the improvement of the comprehensive performance of rectangular elbow pipe，this paper establishes a numerical simulation of the rectangle elbow pipe by the computational fluid mechanics software Fluent.On the basis of analyzing and comparing the flow distribution，pressure distribution，pressure loss of the inlet and the outlet，uniformity of the exit velocity of three kinds of elbow pipe，this paper points out the comprehensive advantages and application potentiality of the optimized elbow pipe in the engineering practice.

rectangle elbow；numerical simulation；pressure loss；uniformity of the exit velocity

陳猛(1987年—)，男，河南永城人，2014年畢業(yè)于鄭州大學(xué)化工過程機(jī)械專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事化工工程項(xiàng)目的管理設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.006

TU831

A

1004-8901(2017)02-0021-03