锅炉主蒸汽管道弯管内流体流动特性数值分析

李君君（山东英才学院,济南250104）

锅炉主蒸汽管道弯管内流体流动特性数值分析

李君君
（山东英才学院,济南250104）

本文针对某火电厂主蒸汽管道弯管内的湍流流动以FLUENT软件为计算平台进行数值模拟，着重分析了弯管内压力的分布情况，得出最危险截面上压力分布，并拟合出压力分布公式，为后续进行弯管应力分析的研究工作提供较为可靠的依据。

主蒸汽管道弯管；湍流流动；数值分析

0　引言

电厂的热力系统中，锅炉供给汽轮机蒸汽的管道，蒸汽管间的连通母管，通往用汽设备的蒸汽支管等称为主蒸汽管道[1]。主蒸汽管道属于压力管道的范畴，其特点是：输送介质流量大，参数高，用的金属材料质量高，对发电厂运行的安全性、可靠性、经济性影响大。由于主蒸汽管道破坏的危害巨大，对主蒸汽管道弯管开展研究工作具有十分重要的意义。

1　具体工况

本文选取某火电厂8号锅炉主蒸汽管道弯管为研究对象，该机组的额定功率为300MW,锅炉型号为DG640—100/540，弯管内径277mm，壁厚为24mm，弯曲半径为277mm，实际运行的水蒸汽参数为540℃，10MPa，额定蒸汽流量为640t/h，弯管入口处流体流速为52.82m/s。

2　弯管内流场坐标系的建立

弯管内流场建立的坐标系：沿弯管轴线方向角度变化为α，定义入口处为α=0°截面，出口处为α=90°截面。在横截面上环向角度为β，定义弯管对称面凹边壁为β=0°，弯管凸边壁为β=180°。

3　FLUENT数值模拟结果

3.1数值模拟基本假设

运用FLUENT软件进行模拟时，由于流体的实际流动非常复杂，但为了满足数值求解的可行性，必须对实际模型进行一定的简化[2]。因而在分析问题的允许计算误差范围内，对实际模型做以下基本假设：对于水蒸汽，其密度较小，因而计算中不考虑流体重力的影响；流体流动的物理量不随时间变化，此流动为定常流动；水蒸汽为粘性牛顿流体，即动力粘度恒定；管道内壁面光滑。

3.2FLUENT模拟结果

3.2.1弯管内流体压力分布规律

弯管内流体压力分布呈现出不均匀性：弯管凸面处压力增大，形成高压区域；凹面处压力减小，形成低压区，在同一轴向横截面内沿环向产生压力差。

3.2.2弯管壁面处流体压力沿截面环向的分布规律

利用FLUENT软件将各压力值的离散值提取，绘制出图1所示的各轴向横截面上流体压力随环向角度变化的分布规律，这里只取5个典型的截面进行分析。从图中可以看出：

（1）随着弯管轴向角度的增大，流体的转向作用增强，在弯管轴向角度α＞45°的截面，凹面附近流体压力迅速减小，而凸面流体压力升高，即沿环向壁面流体压力梯度增大，表现为图中压力变化曲线斜率增大；流体进入弯管轴向角度°的截面，弯管转向作用减弱，凹面附近流体压力增大，凸面流体压力降低，沿环向壁面流体压力梯度减小，表现为图中压力变化曲线斜率减小。

（2）所谓危险截面是指弯管上最大流体压力和最大压力差所处的轴向截面位置。由模拟数据可知，最大流体压力处于轴向α=45°截面环向位置为β=180°，为10031420Pa；最小压力值处于轴向α=45°截面环向位置为β=0°，为9932622Pa，且最大压力差也位于轴向α=45°截面，压力差为98520Pa。

3.3沿弯管截面环向流体压力分布拟合公式

从图1中可以看出，各轴向截面上流体压力沿截面环向角度的分布类似指数曲线，于是可令：ΔP=P-P0=(aecosβ+b)ρν2，拟合得出系数a、b的值[3]。以上分析可知：弯管轴向α=45°截面为最危险截面，由上式得出最危险截面压力拟合公式：

Pα=45=P0+(0.4431-0.2794ecosβ)×ρν2

式中：P为弯管壁面流体压力（Pa）；P0为工作压力（Pa）；ρ为蒸汽密度（kg/m3）；β为截面环向角度，0o≤β≤180o；ν为弯管入口处流体流速（m/s）。

该曲线拟合公式只针对本文中的主蒸汽管道90°弯管的工况。将压力拟合值与FLUENT模拟离散值对比，误差绝对值不超过0.06%，因此该拟合公式用于后续弯管应力分析。

4　结论

本文以火电厂主蒸汽管道为工程背景，分析了弯管壁面的流体压力分布规律，得到以下结论：

（1）对于90°弯管，轴向α=45°截面为最危险截面，因此，在弯管的设计计算和强度分析时，该截面位置应重点关注。

（2）给出了最危险截面上弯管内壁面流体压力P随弯管入口处流体流速ν和β变化的曲线拟合公式，可以为弯管强度分析和结构设计提供可靠数据。

[1]郭志成.高压高温蒸汽管道管理[M].北京:机械工业出版社,1975.

[2]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社,2004.

[3]王正林,龚纯,何倩.精通MATLAB科学计算[M].电子工业出版社,2007.