锅炉一次风管道内流场特性数值模拟及其优化研究

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(1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020)

锅炉一次风管道内流场特性数值模拟及其优化研究

张维蔚1,魏瑾瑜1,王研凯2

(1.内蒙古工业大学 能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020)

为了改善锅炉烟风管道内二次流所引起的流体流动不均、振动等问题，本文采用重整化群k-ε模型计算了锅炉一次风管道中冷、热风阀门、弯管曲率等影响因素对管内流体流动特性的影响，并给出了在管道中安装导流板减小二次流的最佳方案。通过模拟结果发现，加装导流板后管内的流动湍动程度明显减弱。

管道；二次流；涡粘系数；导流板

0 引言

锅炉烟风管道中存在很多弯管、阀门，这些局部结构会改变管道中流体的流动特性，使管内流体出现区别于主流方向的二次流。二次流的出现不仅会导致管道中流体速度分布不均，影响风量测量的准确性，还会引起管道的强烈振动[1-2]。此外，送风管道中流体的流动稳定性还会影响燃料燃烧性能，给锅炉的经济安全运行造成影响[3-4]。因此，对于烟风管道内漩涡以及二次流的预测和削减工作十分重要。

目前对于二次流的研究大多都用数值模拟的方法，F.Bertrand[5]模拟了圆形管道中的二次流，Honore Gnanga[6]利用DNS、LES模型模拟了方形弯管中的二次流。白湘[1]、杨少明[7]研究了锅炉管道内的二次流，并提出削减二次流的有效方法是在管道中加装导流板。但在出版的文献中并没有关于管道内阀门对管道中二次流影响的研究。

本文通过数值模拟的方法对某130 MW锅炉机组一次风管道内的流体流动特性进行了研究，分析了冷、热风管道和调节阀门开度等管道结构对管内二次流的影响，根据分析结果提出了改善管内流场特性、减少管内二次流产生的方法。

1 数学模型

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

本文求解湍流粘度采用的是重整化群k-ε模型，该模型的数学方程与标准k-ε模型相同，只是在常数设置上存在差异。

湍动能k方程

(3)

耗散率ε方程

(4)

重整化群k-ε模型常数设置如下

Cμ=0.0837 C1ε=1.063 C2ε=1.7215

σk=0.7179 σε=0.7179

2 物理模型

本文的计算对象为某130MW锅炉机组进磨煤机前的一次风管道，管道结构如图1所示。图1中，速度入口1为热风入口，速度入口2为冷风入口，热风入口和冷风入口附近均有调节挡板调节流量，热风挡板与垂直方向的夹角记为α，冷风挡板与水平方向的夹角记为β。热风管道是截面尺寸为1 100mm×1 400mm的矩形管道，冷风管道是直径为714mm的圆形管道，其他尺寸见图1。

计算中，模型网格为四面体非结构化网格，网格数量共计2 329 781。计算方法采用SIMPLE算法。

图1 锅炉烟风管道尺寸图

3 湍流脉动分析方法

管内流体的湍流脉动会造成流体雷诺切应力增大，雷诺切应力通过对涡量场中旋涡的拉伸和变形，使流体的流向逆转于正常的流动方向[8]。

布辛涅斯克[9-11]在建立的涡粘系数模型中引入了涡粘系数这一概念，公式(5)为涡粘系数的表达式

(5)

式中μt——涡粘性系数；

ρ——流体密度；

L——特征常量；

u——流体速度；

Cμ——模型常数；

k——湍流脉动动能；

ε——湍流耗散率。

由公式(5)可以看出，速度梯度越大，涡粘性系数越大，湍流脉动动能越大，对管道内流体流动均匀性的影响越大。本文利用涡粘性系数来表征管中流体的湍动程度。

4 模拟结果准确性验证

为验证本文数值模拟结果的准确性，本文采用式(1)～式(4)所示的重整化群k-ε模型，对文献[12]中实验的物理模型进行了数学建模，在物理模型中30°截面进行取点，给出了各点的速度值，并与文献中的实验数据进行了对比，如图2所示。由图2可以看出，采用重整化群k-ε模型得到的模拟结果与文献中的实验结果吻合较好，说明本文的模拟结果准确性较高。

图2 模拟验证图

5 计算结果分析

本文模拟了当热风入口速度为11.54 m/s、冷风入口速度为10.86 m/s时一次风管内的流体流动情况。由于在该机组中，一次风量测量装置安装在图1中弯管后的直管段，因此本文结果分析的取点截面选择直管段的入口截面，如图1所示的取点截面，记为截面1。

5.1 管内流动特性分析

图3所示为α=60°、β=40°、曲率半径=300 mm时，截面1的速度分布云图。由图3可以看出，由于弯管和阀门的存在，截面1的速度分布是不均匀的，截面1左侧速度明显低于右侧速度，所以截面1左侧静压高于右侧静压，因此在截面1上会出现区别于主流方向的二次流，二次流的流线图如图4所示。截面1上的二次流基本是沿管道中心呈轴线对称的。

图3 截面1的速度分布云图

图4 截面1的二次流流线图

5.2 热风阀门开度对管内流场的影响

图5 取点截面涡粘系数

本文分别研究了阀门开度对管内流体流动特性的影响。图5为冷风阀门开度β=40°，热风阀门开度α变化时截面1中心轴线上的涡粘性系数分布曲线图。图中横坐标上的1代表管道左侧的取点，15代表管道最右侧的取点。由图5可见，当α一定时，涡粘性系数从管道左侧到管道右侧呈现出先增大后减小的趋势。对应图4的流线图可知，涡粘性系数的峰值处就是涡核区出现的位置，且随着涡粘性系数的减小流线图上的旋涡区域逐渐的减小，涡核的强度也在减小。

随着热风阀门开度α的增大，涡粘性系数整体呈现下降趋势。也就是随着α增大，截面1处的速度分布趋于均匀，湍流脉动在减小。可见热风阀门开度α增大有助于减小管道内流体的湍动。

5.3 冷风阀门开度对流场的影响

图6 取点截面涡粘系数

图6为热风阀门开度α=60°，冷风阀门开度β变化时截面1中心轴线上的涡粘性系数分布曲线图。当β一定时，涡粘性系数曲线变化规律与图5一致。但随着β的增大，涡粘性系数整体是呈增长趋势，也就是湍流脉动程度在增大。同时，随着β的增大，整个截面上的漩涡区在不断扩大，涡核强度也在增大。这主要是由于随着冷风阀门开度增大，冷流体进入热风管道，改变热风管道流体的流动趋势，导致管内流体的湍动程度增大。

5.4 弯管曲率半径对流场的影响

图7 取点截面涡粘系数

图7是其它条件不变，弯管曲率半径变化时截面1中心轴线上的涡粘性系数分布曲线图。由图7可见，若改变图1中弯管的曲率半径，则随着曲率半径的增大，截面1的涡粘性系数逐渐减小。由此可知，增大弯管曲率半径可减小直管段内流体的湍动程度。

5.5 优化方案分析

由于管道中存在明显的二次流，涡尺寸较大，而在弯头处加入导流板，可将原始管道分割成较小的管道，改变原来的二次流结构，增加管内流体流动的均匀性，削弱管内流体的湍动程度。

本文根据管道结构及计算结果分析，确定在管道内加装两块导流板，两块导流板的弯曲角度均为90°，导流板的安装位置如图8所示。其中导流板2与管道弯头同心，曲率半径为400 mm。导流板1曲率半径为920 mm，但不与管道弯头同心，需确定导流板1的安装位置。

图8 导流板位置图

图9所示为不装导流板、安装导流板2及安装导流板1、2时，截面1中心轴线上的涡粘性系数分布曲线图。其中，方案一L=855 mm、H=180 mm，方案二L=855 mm、H=150 mm，方案三L=855 mm、H=130 mm，方案四L=855 mm、H=120 mm。

图9 取点截面涡粘系数

由图9可见，加装导流板后截面1上的涡粘系数明显减小。由此说明，装导流板后，截面1上的二次流被分割，有利于管内流体湍动动能减小。

由图9还可看出，方案四中截面1上的平均涡粘性系数最小，因此对于该管道可采用方案4的安装尺寸安装导流板改变管内流体结构。

6 结论

由模拟结果可以看出，热风阀门、冷风阀门及弯管曲率都对管内流体的流动造成影响。而改变管内流体流动脉动，减少管内二次流的有效方法之一就是在管内加装导流板。本文根据管道结构，给出了管道内加装导流板的最佳方案，从模拟结果显示，管内涡粘性系数明显减小。

[1]白湘.锅炉冷风烟道的流场分析与减振节能措施研究[D].重庆:重庆大学,2006.

[2]姚鸣.风道系统振动原因分析与实验研究[J].华北电力技术,2005(1):31-35

[3]王辉.工业锅炉节能技术[J].机械管理开发,2006(3):67-69.

[4]邝平建,过伟权,王显章,等.工业锅炉节能方法及应用[J].黑龙江电力,2007,29(6)：464-466.

[5]F. Bertrand, P.A. Tanguy, E. Brito de la Fuente, et al. Numerical modeling of the mixing flow of second-order fuids with helical ribbon——impellers[J]. Comput. Methods Appl. Mech. Engrg.1999(180):267-280.

[6]Honore Gnanga. Hassan Naji. Gilmar Mompean. Computation of a three-dimensional turbulent flow in a square duct using a cubic eddy-viscosity model[J]. Science Diect.2009(337)：15-23.

[7]杨少明.电站锅炉中的管道振动[J].锅炉技术,1997(6):21-24.

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[12]周艳荣.超大型弯管内烟气流场的实验研究及数值模拟[D].北京:北京科技大学,2007.

NumericalSimulationandOptimizationResearchofFlowCharacteristicinPrimaryAirDuct

ZHANG Wei-wei1,WEI Jin-yu1,WANG Yan-kai2

(1.College of Energy and Power Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051,China；2.Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot 010020,China)

A renormalization k-ε model is proposed in this study to simulate flow characteristic in primary air duct of boiler furnace in order to investigate velocity maldistribution and vibration caused by secondary flow. The feature of the proposed model is able to predict velocity distributions and eddy viscosity coefficient with different valve opening of hot air and cool air and different radius of curvature in primary duct. The optimal arrangement of the baffles is obtained in this paper. And it is found that the turbulent impulsive is reduced obviously with the arrangement of the baffles.

duct; secondary flow; eddy viscosity coefficient; baff

2013-11-01修订稿日期2014-04-29

内蒙古自治区科学基金(2009BS0202)；内蒙古自治区教育厅基金(NJ09064)；内蒙古工业大学校基金项目(No.200828)

张维蔚(1978～)，女，博士，讲师,研究方向为电厂节能研究及低品位能源利用。

TK223；TK325

A

1002-6339 (2014) 05-0410-04