王周君，黎星華，唐立軍，段泉圣

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院， 昆明 650217； 2.華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

管道系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)各個領(lǐng)域，如鍋爐送風(fēng)系統(tǒng)、選擇性催化還原技術(shù)(SCR)脫硝系統(tǒng)、煙道系統(tǒng)、建筑熱能通風(fēng)系統(tǒng)、輸油管線等[1-2]。彎管是管道系統(tǒng)重要組成構(gòu)件，具有改變傳輸介質(zhì)流向的功能。在實際的管道安裝工程中，管道系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)常受場地空間的限制，管道走向常出現(xiàn)彎折和收擴(kuò)，從而導(dǎo)致管道內(nèi)流場紊亂，流速分布極不均勻，常伴有渦流和二次流，使得測量元件無法準(zhǔn)確測量[3-6]。隨著節(jié)能減排要求的提高，對煙氣脫硫脫硝效率和煙風(fēng)煤粉系統(tǒng)節(jié)能的要求越來越高，火電廠煙道、煤粉管道、風(fēng)道和其他相關(guān)管道存在大量的彎管，而這些彎管不僅改變流速方向，使得測量結(jié)果不準(zhǔn)及動態(tài)特性差，同時影響系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

為了改善彎管內(nèi)流場均勻性，提高測量準(zhǔn)確度，通常在彎管內(nèi)部安裝導(dǎo)流裝置對流場進(jìn)行調(diào)整，使流速方向能正對測量元件。目前國內(nèi)外對彎管內(nèi)流體流動特性的研究大多數(shù)集中在90°圓弧形彎管[7-8]及其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)管道[9-11]，而對于矩形截面直角彎管內(nèi)置導(dǎo)流裝置的研究還很少。

由于矩形截面直角彎管內(nèi)流速分布較90°圓弧形彎管復(fù)雜，一般通過常規(guī)試驗很難分析其內(nèi)部流體流動情況，許多學(xué)者利用FLUENT軟件通過計算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬計算方法對流體流動特性進(jìn)行深入分析和研究。本文采用CFD數(shù)值模擬計算方法對矩形截面直角彎管進(jìn)行建模，對布置導(dǎo)流板前后管內(nèi)流場進(jìn)行分析，并利用數(shù)值方法對導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，選取了合適的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)和數(shù)量，為矩形截面直角彎管的流場改善提供了參考方案。

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型

矩形截面直角彎管的三維幾何模型如圖1所示。管道模型含有1個直角彎頭，管道截面尺寸為1 200 mm×1 400 mm，直角彎頭下游水平直管段長度為5 400 mm。為研究流體流經(jīng)直角彎頭后水平直管段不同位置的流場情況，分別選取距離直角彎頭出口1 m，3 m和5 m處的管道截面作為研究對象。

由于直角彎頭的擾動作用，流體流經(jīng)彎頭后容易造成水平直管段內(nèi)的流場紊亂，流速分布極不均勻，從而使得流量測量結(jié)果不準(zhǔn)且動態(tài)特性差。為提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，在矩形截面上按照網(wǎng)格法等面積多點(diǎn)測量原理[12]，在參考截面上各布置25個測點(diǎn)。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model

1.2 數(shù)值方法

使用ICEM前處理軟件對管道模型進(jìn)行三維非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，同時在拐彎處進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)為462 401。

通常工業(yè)管道內(nèi)的馬赫數(shù)<0.3，可認(rèn)為管道內(nèi)的流體流動為定常不可壓縮的湍流流動[13]?？紤]到流體流過直角彎頭后流動情況復(fù)雜，采用重整化群(RNG)k-ε湍流模型[14]，近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理；流體材料為空氣，密度為1.225 kg/m3；入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為自由流出(適用于出口邊界處流速和壓力均未知的情況)；壁面處采用默認(rèn)的無滑移邊界條件，粗糙度常數(shù)為0.5；壓力速度耦合采用SIMPLE算法，為提高計算的準(zhǔn)確度，采用二階迎風(fēng)格式，收斂殘差小于10-4。

1.3 均勻性評價指標(biāo)[15]

采用圖1的3處參考截面上的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差Cv作為衡量截面上流場均勻性的量化指標(biāo)，也可以用來比較截面上流場均勻性的改善程度，Cv值越小，流場均勻度越高

(1)

(2)

(3)

2 計算結(jié)果與分析

分別設(shè)置入口速度為5～30 m/s，間距為5 m/s，共6組試驗方案。對這6組試驗方案求解區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到管道內(nèi)流場均勻性指標(biāo)和進(jìn)出口壓降值見表1。可以看出3處參考截面的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均達(dá)到50%以上，流場均勻性差；隨著水平直管段長度的增加，參考截面的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差有所減小，但還是無法滿足流體流量被準(zhǔn)確測量所需要的流場均勻性；隨著入口流速增大，管道進(jìn)出口壓降大幅度增加，從22.23 Pa增加到877.36 Pa，從而導(dǎo)致系統(tǒng)能量損失也大幅度增加。

表1 不同入口速度下流場均勻性指標(biāo)和進(jìn)出口壓降Tab.1 Flow field uniformity index and inlet and outlet pressure drop at different inlet velocities

利用Tecplot后處理軟件，對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行可視化處理。入口速度為15 m/s，無導(dǎo)流板時速度分布云圖和流線圖如圖2所示。由圖2a可以看出氣流流經(jīng)直角彎頭后，水平直管段內(nèi)速度分布極不均勻，外側(cè)流速明顯高于內(nèi)側(cè)流速，流速變化范圍較大。由圖2b可以看出氣流流過內(nèi)部拐角后在水平直管段內(nèi)側(cè)壁面附近形成較大面積的局部渦流區(qū)，這是由于氣流流過拐彎處后，在離心力和慣性力的共同作用下，管道內(nèi)壁流體不再繼續(xù)沿著壁面流動，從而容易在拐彎后的內(nèi)側(cè)壁面附近形成局部渦流區(qū)。這些因素使得流體流過直角彎頭后形成較差的流場均勻性，容易造成測量結(jié)果波動較大，數(shù)值測量不穩(wěn)定，加大了流體流量準(zhǔn)確測量的難度。

圖3 各參考截面上的流線圖Fig.3 Streamline diagram on each reference section

圖2 無導(dǎo)流板時速度分布云圖和流線圖Fig.2 Speed distribution cloud and streamline diagram without deflectors

3處參考截面上流線圖如圖3所示?？梢钥闯觯簠⒖冀孛嫔铣霈F(xiàn)二次流，速度方向出現(xiàn)很大的偏轉(zhuǎn)，無法正對著測量元件，從而造成測量偏差較大、波動劇烈等問題；隨著直管段長度的增加，漩渦變小直至最后消失，流場逐漸變得穩(wěn)定。說明了要實現(xiàn)流體流量的準(zhǔn)確測量，必須要有足夠長的直管段才能保證測量的準(zhǔn)確度。而對于現(xiàn)場有限的直管段長度，要實現(xiàn)流體流量的精確測量，需布置導(dǎo)流裝置來提高直角彎管內(nèi)流場均勻性。

3.實施個性化教學(xué)能促進(jìn)教師專業(yè)成長。首先，個性化教學(xué)要求教師有豐厚的知識儲備。在開放、互動、共贏的課堂上，面對學(xué)生發(fā)散性思維提出的一些超乎想象的問題，教師如果沒有豐富的知識儲備和高深的綜合素養(yǎng)就顯得捉襟見肘，難以在學(xué)生面前樹立教學(xué)自信。其次，個性化教學(xué)要求教師研究每一位學(xué)生，研究他們的興趣愛好、性格氣質(zhì)、情感態(tài)度等個性特征，研究他們的認(rèn)知規(guī)律、思維品質(zhì)、學(xué)習(xí)習(xí)慣、學(xué)習(xí)方法等，為他們量身打造適合各自特點(diǎn)的教學(xué)方法，真正將因材施教落到實處。再次，個性化教學(xué)要求教師研究教學(xué)策略和教學(xué)模式。力爭教學(xué)方式方法靈活多變，時刻讓學(xué)生有種新鮮感，單一的、機(jī)械的、雷同的模式只會令學(xué)生厭煩。

3 導(dǎo)流板設(shè)計方案的數(shù)值研究

3.1 設(shè)計方案1

導(dǎo)流板設(shè)計為圓弧形，弧度為90°，均勻分布在90°彎折處。為了分析弧形導(dǎo)流板的數(shù)量對流場均勻性的影響，分別設(shè)置弧形導(dǎo)流板數(shù)量為1～8塊。5塊等距分布的弧形導(dǎo)流板安裝示意圖如圖4所示，其大小和形狀均相同，圓弧半徑為200 mm。

圖4 5塊等間距分布的弧形導(dǎo)流板安裝示意Fig.4 Schematic diagram of the installation of five equally spaced arc deflectors

針對8種不同數(shù)量的弧形導(dǎo)流板分別建立數(shù)值仿真模型。計算過程中，入口速度為15 m/s，其他參數(shù)設(shè)置不變，數(shù)值計算結(jié)果見表2。加裝了弧形導(dǎo)流板比未加裝導(dǎo)流板時管道內(nèi)流場均勻性更好，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差明顯減小。隨著弧形導(dǎo)流板數(shù)量的增加，各參考截面的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均減小，流場得到進(jìn)一步改善，而管道進(jìn)出口壓降呈先減小后增加趨勢，說明了并不是導(dǎo)流板數(shù)量越多改善效果越好，過多的導(dǎo)流板減小了90°彎折處有效流動空間，阻礙了氣流流動，加劇流場的紊亂程度，使得彎管內(nèi)沿程阻力增加，因此布置合理數(shù)量的導(dǎo)流板既能改善流場均勻性，又能使能量損失降低到最小。

表2 設(shè)計方案1中流場均勻性指標(biāo)和進(jìn)出口壓降Tab.2 Flow field uniformity index and inlet and outlet pressure drop in design scheme 1

續(xù)表

在上述仿真實驗中進(jìn)一步計算直角彎頭內(nèi)置導(dǎo)流板的局部阻力系數(shù)。管道模型90°彎折處斷面T1-1與T2-2的位置如圖4所示。根據(jù)式(4)計算導(dǎo)流板在彎管模型90°彎折處的局部阻力系數(shù)ζ90°[16]，結(jié)果見表3。

(4)

式中：ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；vT1-1為斷面T1-1的平均風(fēng)速，m/s；pT1-1，pT2-2分別為測試斷面T1-1，T2-2處的靜壓，Pa。

表3 設(shè)計方案1中局部阻力系數(shù)ζ90°Tab.3 Local resistance coefficient ζ90° in design scheme 1

由表3可以看出，布置弧形導(dǎo)流板較未布置導(dǎo)流板其局部阻力系數(shù)ζ90°有所減小，ζ90°從1.942減小至0.698～1.256；當(dāng)弧形導(dǎo)流板數(shù)量從1塊增加到7塊時，ζ90°從1.256減小到0.698；當(dāng)弧形導(dǎo)流板增加到8塊時，ζ90°出現(xiàn)小幅度增加，從0.698增加到0.710。由此說明在管道90°彎折處布置弧形導(dǎo)流板后，不僅可以引導(dǎo)氣流的流動，減小高速區(qū)和低速區(qū)，同時還可以降低系統(tǒng)的壓力損失[17]。隨著弧形導(dǎo)流板數(shù)量的增加，ζ90°先減小后增加，說明數(shù)量過多的導(dǎo)流板會阻礙流體流動，使其局部阻力增加。因此需要在彎頭處布置合理數(shù)量的導(dǎo)流板，以達(dá)到最佳的導(dǎo)流效果。

布置5塊弧形導(dǎo)流板后速度分布云圖和流線圖如圖5所示，由圖5a中可以看出：增加導(dǎo)流板可以有效減小水平直管段內(nèi)高速區(qū)，使流速范圍進(jìn)一步縮小，流場均勻性得到進(jìn)一步改善。由圖5b可以看出：布置弧形導(dǎo)流板后，水平直管段內(nèi)側(cè)還存在渦流，不過渦流區(qū)域較未加裝導(dǎo)流板要小，說明弧形導(dǎo)流板的布置可以改善流場，調(diào)整速度方向。由于布置弧形導(dǎo)流板后水平直管段內(nèi)還存在渦流，而且從表2得到的參考截面速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均大于15%，說明弧形導(dǎo)流板對于改善直角彎管內(nèi)流場均勻性還存在不足，需對弧形導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖5 布置5塊弧形導(dǎo)流板后速度分布云圖和流線圖Fig.5 Speed distribution cloud and streamline diagram after installing five arc guide deflectors

3.2 設(shè)計方案2

針對弧形導(dǎo)流板不能完全消除水平直管段內(nèi)產(chǎn)生的渦流，流場均勻性無法滿足測量元件對流體流速和流量準(zhǔn)確測量的要求，考慮在90°圓弧板后端加裝直板，直板長度等于圓弧半徑。從上述試驗結(jié)果可知，導(dǎo)流板數(shù)量過多或過少均勻效果均不理想，故重點(diǎn)分析4～7塊導(dǎo)流板所產(chǎn)生的導(dǎo)流效果。

分別在90°彎折處等間距布置4塊、5塊、6塊和7塊弧直形導(dǎo)流板，對這4種模型進(jìn)行仿真試驗，入口速度為15 m/s，其他參數(shù)設(shè)置不變，計算結(jié)果見表4。對弧形導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，水平直管段內(nèi)流場均勻性得到大幅度提高，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差保持在8%以內(nèi)，進(jìn)出口壓降大幅度減??；隨著弧直形導(dǎo)流板數(shù)量的增加，進(jìn)出口壓降呈微弱的減小趨勢，變化幅度對實驗結(jié)果影響不大。

布置4～7塊弧直形導(dǎo)流板后其局部阻力系數(shù)ζ90°見表5，相比方案1設(shè)計的弧形導(dǎo)流板，方案2設(shè)計的弧直形導(dǎo)流板能進(jìn)一步減小氣流在管道彎折處產(chǎn)生的局部阻力，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗。

設(shè)置5塊弧直形導(dǎo)流板后速度分布云圖和流線圖如圖6所示，由圖6a中可以看出：在圓弧板后加裝直板，可以有效地減小導(dǎo)流板尾部對流場的擾動，提高了導(dǎo)流的分流能力，大幅度減小了管道內(nèi)流速范圍，使得水平直管段內(nèi)流場均勻性能到明顯改善。由圖6b可以看出：布置弧直形導(dǎo)流板后，水平直管段底部渦流區(qū)消失，流速方向能正對于測量元件，提高了流體流速和流量測量的準(zhǔn)確度。

表4 設(shè)計方案2中流場均勻性指標(biāo)和進(jìn)出口壓降Tab.4 Flow field uniformity index and inlet and outlet pressure drop in design scheme 2

表5 設(shè)計方案2中局部阻力系數(shù)ζ90°Tab.5 Local resistance coefficient ζ90° in design scheme 2

圖6 布置5塊弧直形導(dǎo)流板后速度分布云圖和流線圖Fig.6 Speed distribution cloud and streamline diagram after installing five arc straight deflectors

3.3 設(shè)計方案3

對方案2設(shè)計的弧直形導(dǎo)流板進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在弧直形導(dǎo)流板前端加裝等半徑長度的直板，構(gòu)成直弧直形導(dǎo)流板。

為了與方案2設(shè)計的弧直形導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果進(jìn)行對比，采用相同的條件對等間距布置的4～7塊直弧直形導(dǎo)流板模型進(jìn)行仿真實驗，計算結(jié)果見表6。與表4的實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，可以看出：相比弧直形導(dǎo)流板，直弧直形導(dǎo)流板可以進(jìn)一步改善流場，尤其當(dāng)氣流流過90°彎折處后的水平直管段較短距離的流場改善比較明顯，進(jìn)出口壓降均減小了10 Pa左右，說明直弧直形導(dǎo)流板產(chǎn)生的局部阻力和局部能量損失更小。

表6 設(shè)計方案3中流場均勻性指標(biāo)和進(jìn)出口壓降Tab.6 Flow field uniformity index and inlet and outlet pressure drop in design scheme 3

布置4～7塊直弧直形導(dǎo)流板后其局部阻力系數(shù)ζ90°見表7，對比表5中的實驗結(jié)果，可以看出：相比弧直形導(dǎo)流板，直弧直形導(dǎo)流板可以進(jìn)一步減小氣流流動的局部阻力，從而進(jìn)一步減小局部能量損失，降低系統(tǒng)能耗。

表7 設(shè)計方案3中局部阻力系數(shù)ζ90°Tab.7 Local resistance coefficient ζ90° in design scheme 3

布置5塊直弧直形導(dǎo)流板后速度分布云圖和流線圖如圖7所示，可以看出：在圓弧板前端加裝直板，有效地減小了圓弧板前端對流場的擾動，提高了導(dǎo)流的分流能力，使得氣流的速度方向得到進(jìn)一步調(diào)整，因此水平直管段內(nèi)流場均勻性能到進(jìn)一步改善。

方案3設(shè)計的直弧直形導(dǎo)流板的均流效果要好于弧形導(dǎo)流板和弧直形導(dǎo)流板，既能保證水平直管段內(nèi)速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在8%以內(nèi)，還能使系統(tǒng)能量損失降低到更小。通過對表6和表7的試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，并從經(jīng)濟(jì)角度考慮，為盡量減少鋼材消耗量，在直角彎頭處布置5塊等間距分布的直弧直形導(dǎo)流板較為合理。

圖7 布置5塊直弧直形導(dǎo)流板后速度分布云圖和流線圖Fig.7 Speed distribution cloud and streamline diagram after installing five straight arc straight deflectors

4 結(jié)論

通過對直角彎管內(nèi)部未布置導(dǎo)流板和布置不同數(shù)量和結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板的流場情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)直角彎管內(nèi)未布置導(dǎo)流板時，水平直管段內(nèi)速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到50%以上，流速變化范圍較大，且出現(xiàn)渦流和二次流；隨著入口流速的增大，進(jìn)出口壓降明顯增加，系統(tǒng)能量損失也明顯增加。

(2)在直角彎管內(nèi)布置導(dǎo)流板后，流場均勻性得到顯著提高，進(jìn)出口壓降大幅度減小，進(jìn)而使能量損失大幅度降低；水平直管段內(nèi)流速方向得到有效調(diào)整，并減小甚至完全消除渦流和二次流。

(3)對于相同的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，合理地增加導(dǎo)流板數(shù)量能夠有效提高流場均勻性，降低彎管進(jìn)出口壓降和能量損失。繼續(xù)增加導(dǎo)流板數(shù)量會增加流體流動阻力，從而增加進(jìn)出口壓降和能量損失。

(4)方案3設(shè)計的直弧直形導(dǎo)流板的導(dǎo)流效果要好于弧形導(dǎo)流板和弧直形導(dǎo)流板，在直角彎管內(nèi)布置5塊等間距分布的直弧直形導(dǎo)流板較為合理。