摘要：除塵管道系統(tǒng)受自身和外界因素影響，運(yùn)行過程中需要穩(wěn)定控制振動。振動控制是提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和延長系統(tǒng)使用壽命的重要手段，為此提出除塵管道系統(tǒng)振動控制及優(yōu)化設(shè)計方案，即減少彎頭數(shù)量和位置、設(shè)計過渡段、保持除塵管道中流體穩(wěn)定以及改良風(fēng)道布局，并利用有限元分析方法模擬仿真分析除塵管道系統(tǒng)振級落差。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后系統(tǒng)振級落差得到有效降低，說明優(yōu)化設(shè)計方案合理、可靠，能夠有效控制除塵管道系統(tǒng)振動。

關(guān)鍵詞：除塵管道系統(tǒng)；有限元；振動控制；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TF09 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）10-00-03

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Study on Vibration Control and Optimization Design of Dust Removal Pipe System Based on Finite Element

ZHU Yinan

（Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Science & Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）

Abstract： The dust removal pipeline system is affected by its own and external factors， and the vibration needs to be controlled stably during operation. Vibration control is an important means to improve the operating stability and extend the service life of the system. Therefore， the vibration control and optimal design scheme of the dust removal pipeline system is proposed， which includes reducing the number and position of elbows， designing transition sections， maintaining fluid stability in the dust removal pipeline， and improving air duct layout. The vibration level drop of the dust removal pipeline system is simulated by finite element analysis method. The results show that the vibration level drop of the system is effectively reduced after the optimized design， which indicates that the optimization design scheme is reasonable and reliable， and can effectively controlling the vibration of the dust removal pipeline system.

Keywords： dust removal pipeline system; finite element; vibration control; optimize design

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，除塵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率影響企業(yè)效益和環(huán)境保護(hù)效果。除塵管道系統(tǒng)負(fù)責(zé)將含塵氣體從產(chǎn)生源輸送到處理設(shè)備，其性能影響除塵系統(tǒng)的運(yùn)行效果。除塵管道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，常面臨的振動問題源于多方面。為有效控制除塵管道系統(tǒng)的振動，可通過改進(jìn)機(jī)械設(shè)備、優(yōu)化管道布局、采用減振材料等措施，來達(dá)到減振或消振的目的。但實(shí)際工程應(yīng)用中對除塵管道系統(tǒng)的振動控制仍存在不足，對管道系統(tǒng)振動特性的認(rèn)識不夠深入，缺乏理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，開展基于有限元的除塵管道系統(tǒng)振動控制及優(yōu)化設(shè)計研究，以有效控制除塵管道系統(tǒng)振動。

1 除塵管道系統(tǒng)振動控制優(yōu)化設(shè)計

針對除塵管道系統(tǒng)管道布局不合理導(dǎo)致的振動問題，一是采用長半徑彎頭，如1.5D或2D彎頭。相較于短半徑彎頭，長半徑彎頭能提供更平滑的氣流過渡，減少渦流和壓降。同時，盡量減少彎頭數(shù)量，尤其注意控制高風(fēng)速區(qū)域的彎頭數(shù)量。當(dāng)無法避免使用彎頭時，合理安排其位置，避免急轉(zhuǎn)彎和連續(xù)轉(zhuǎn)彎，以減少氣流阻力，并在彎頭前后設(shè)置適當(dāng)?shù)倪^渡段，使氣流能夠平穩(wěn)過渡，減少紊流和能量損失，如圖１所示。

二是采用漸變式變徑管段，以減少氣流在變徑處的沖擊和渦流，漸變長度取管徑差的3～5倍。根據(jù)氣流速度和管道壓力損失要求，確定變徑位置，在需要增大風(fēng)量處安裝漸擴(kuò)管，在需要減小風(fēng)量處安裝漸縮管。

三是在除塵管道外部提供支撐，并在支撐點(diǎn)設(shè)置減振墊或減振器，以減弱管道振動對周圍設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)的影響。對于振動較大的管道段，采用柔性連接件或設(shè)置振動隔離裝置。支撐類型采用固定支架，支撐間距根據(jù)管道材質(zhì)、直徑、壁厚及允許跨距計算確定，確保管道在自身質(zhì)量及風(fēng)載作用下不會產(chǎn)生過大變形或振動。除塵管道支撐間距的計算公式為

（1）

式中：H為除塵管道支撐間距；ε為管道材質(zhì)系數(shù)，管道為塑料材質(zhì)時取值為1.25，管道為金屬材質(zhì)時取值為1.55；e為除塵管道直徑；u為除塵管道壁厚；

K為允許跨距[1]。

四是流體的流動特性易導(dǎo)致除塵管道振動，需保持穩(wěn)定以控制振動。實(shí)踐中，樓板開孔讓管道深入倉下排風(fēng)，在管道上增設(shè)手動閥門，按需隨時調(diào)整風(fēng)量[2]。為增強(qiáng)管道中流體穩(wěn)定性，將除塵管道直徑擴(kuò)大至1 400 mm，并增設(shè)一根相同規(guī)格的管道，增大管道流量，控制除塵管道系統(tǒng)振動。

五是優(yōu)化改造傳統(tǒng)的風(fēng)道布局。將進(jìn)出風(fēng)風(fēng)道置于系統(tǒng)的中心區(qū)域，并通過斜隔板設(shè)計實(shí)現(xiàn)上下分隔，明確區(qū)分出風(fēng)風(fēng)道與進(jìn)風(fēng)風(fēng)道，降低進(jìn)出風(fēng)量對管道系統(tǒng)的擾動[3]。

通過以上設(shè)計，對除塵管道系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，控制除塵管道系統(tǒng)振動發(fā)生。

2 基于有限元的除塵管道系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

2.1 單元類型與材料參數(shù)設(shè)置

采用有限元分析方法構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計后的除塵管道系統(tǒng)仿真模型，考慮到除塵管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且受力復(fù)雜，故選擇六面體單元類型中的ID=1（常應(yīng)力單元），并合理設(shè)置系統(tǒng)材料參數(shù)，如表1所示。

在有限元軟件中將除塵管道分為上直線段、彎曲段和下直線段，管道上直線段長度設(shè)置為1 000 mm，下直線段長度設(shè)置為1 000 mm，彎曲段曲率直徑比為0.55，彎曲段流入口截面處極角設(shè)置為0°，出口截面處極角設(shè)置為0°[4]。

2.2 網(wǎng)格劃分

除塵管道系統(tǒng)內(nèi)的流場屬于比較復(fù)雜的三維湍流場，因此利用有限元前處理軟件對構(gòu)建的物理模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格設(shè)置為3×3。網(wǎng)格劃分完畢后設(shè)定邊界條件，進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口方式，并假定進(jìn)口斷面的氣流分布是均勻的，以模擬工程實(shí)踐中常見的均勻來流情況。速度進(jìn)口邊界條件具體定義為垂直于進(jìn)口斷面方向上的速度分布。出口邊界條件則選擇壓力出口，以模擬實(shí)際中氣體從除塵管道系統(tǒng)中流出管道時的壓力狀態(tài)[5]。在出口處設(shè)置靜壓（相對壓力）作為邊界條件，以模擬系統(tǒng)內(nèi)部的壓力分布及其對氣流流動特性的影響。

對于固體壁面，采用無滑移壁面邊界條件，即壁面與流體間無相對運(yùn)動。同時，忽略壁面熱傳導(dǎo)，假定壁面熱流為0，不參與熱交換。通過流場值外插，模擬壁面附近壓力分布。粉塵粒子近壁時速度漸減至0，最終被壁面（極板）收集。

2.3 有限元模型構(gòu)建

為開展除塵管道系統(tǒng)中氣流流動特性的研究，基于黏性不可壓縮流體動力學(xué)，構(gòu)建有限元模型并嵌入數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬（Direct NumericalSimulation，DNS）或大渦模擬（Large Eddy Simulation，

LES）捕捉流場技術(shù)，捕捉流場微小波動與瞬態(tài)行為，揭示其內(nèi)在流動機(jī)制。構(gòu)建的除塵管道系統(tǒng)有限元模型（Finite Element Model，F(xiàn)EM）如圖2所示。

進(jìn)一步采用雷諾時均化N-S方程框架，結(jié)合湍流模型進(jìn)行封閉處理，簡化復(fù)雜湍流脈動，僅關(guān)注其時均效應(yīng)。將N-S方程應(yīng)用于除塵管道中，作為描述流體質(zhì)量、動量及能量守恒的偏微分方程組。經(jīng)時均化后，結(jié)合湍流模型估算雷諾應(yīng)力，形成完整的除塵管道系統(tǒng)有限元仿真模型，有效模擬系統(tǒng)運(yùn)行邏輯，公式為

（2）

式中：ρ為除塵管道內(nèi)流體密度；λ為耗散率；

t為時間；k為湍流渦黏系數(shù)；v為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；x為方向矢量；μ為速度矢量；σ為湍動能；G為由浮力所引起的湍動能的產(chǎn)生項(xiàng)；V為應(yīng)力源項(xiàng)；Y為可壓縮湍流中的脈動擴(kuò)張項(xiàng)；S為自定義源項(xiàng)。

3 除塵管道系統(tǒng)振級落差分析

在利用FEM模擬分析除塵管道系統(tǒng)的振級落差時，需要關(guān)注系統(tǒng)在不同位置或頻率下的振動響應(yīng)。除塵管道系統(tǒng)有限元模型設(shè)置多個節(jié)點(diǎn)，模擬管道的不同位置，得到各節(jié)點(diǎn)的振動加速度響應(yīng)。已知振動位移（隨時間變化的位移），通過兩次微分來計算加速度，公式為

（3）

式中：a（t）為除塵管道系統(tǒng)振動加速度；d1、d2分別為兩次振動位移；t為時間。

基于振動加速度的有效值，計算除塵管道系統(tǒng)振動級，公式為

（4）

式中：L為除塵管道系統(tǒng)振動級；a（t）*為參考振動加速度；M為振動級的強(qiáng)度。

基于兩個位置（或兩個頻率）的振動級之差，計算除塵管道系統(tǒng)振級落差，公式為

?L=L1-L2（5）

式中：?L為系統(tǒng)振級落差；L1、L2分別為系統(tǒng)上兩個位置的振動級。

按照除塵管道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，布設(shè)8個點(diǎn)，統(tǒng)計不同點(diǎn)的振級落差，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，優(yōu)化后的除塵管道系統(tǒng)振級落差明顯低于優(yōu)化設(shè)計前，除塵管道系統(tǒng)的振動運(yùn)動已不明顯，說明采取的優(yōu)化設(shè)計方法控制系統(tǒng)振動效果良好。

4 結(jié)論

通過減少彎頭數(shù)量和位置、設(shè)計過渡段、保持除塵管道中流體穩(wěn)定以及改良風(fēng)道布局，控制除塵管道系統(tǒng)振動發(fā)生，并利用有限元分析方法，構(gòu)建仿真模型，實(shí)現(xiàn)對管道系統(tǒng)振級落差的精確模擬與預(yù)測。結(jié)果表明，采取的優(yōu)化設(shè)計方法控制系統(tǒng)振動效果良好。然而，除塵管道系統(tǒng)的振動控制及優(yōu)化設(shè)計是一個持續(xù)發(fā)展的過程。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保要求的提高，需要引入新方法來應(yīng)對復(fù)雜多變的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

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