離心式引風(fēng)機氣流吹灰的數(shù)值模擬

田松峰,李 瀅,周 玉

（華北電力大學(xué),河北 保定 071003）

離心式引風(fēng)機在工作過程中,氣體中裹挾的粉塵在外力的作用下,在一定條件下粘結(jié)在葉片表面。當(dāng)粘結(jié)量累積到一定程度時,結(jié)塊在振動、沖擊下發(fā)生脫落,從而使風(fēng)機出現(xiàn)瞬間質(zhì)量不平衡。由于不平衡的存在,風(fēng)機將發(fā)生振動,可直接導(dǎo)致風(fēng)機停機清灰,造成生產(chǎn)停滯和效益損失。應(yīng)采取必要措施減少粘灰,延長清灰間隔時間,使風(fēng)機在惡劣的環(huán)境下工作時,能保證較高的效率和安全系數(shù)。鑒于以上諸多因素,研究離心式引風(fēng)機內(nèi)部的氣固兩相流動具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

圖1 Y 4-73型離心式引風(fēng)機實體結(jié)構(gòu)圖

1 風(fēng)機的幾何建模

利用計算流體動力學(xué)（CFD）進行數(shù)值模擬是了解流體機械內(nèi)部流動狀況的重要手段,運用數(shù)值模擬技術(shù)實現(xiàn)葉輪磨損的預(yù)測也是風(fēng)機磨損研究的發(fā)展趨勢。

1.1 風(fēng)機實體模型參數(shù)

采用較為常見的Y4-73型離心式引風(fēng)機進行模型建模,Y4-73型離心式引風(fēng)機的葉輪由12片后傾機翼斜切的葉片焊接在錐弧形的前盤與平板形的后盤中間。其收斂、流線形的進風(fēng)口制成整體結(jié)構(gòu),用螺栓固定在風(fēng)機入口側(cè)。引風(fēng)機的具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.2 風(fēng)機建模及網(wǎng)格劃分

對離心風(fēng)機建模,一種是分別對離心風(fēng)機的各個部件進風(fēng)口、葉輪及蝸殼進行建模,另一種是對包括進風(fēng)口、葉輪及蝸殼在內(nèi)的整個風(fēng)機建立全實體模型。由于本文只需構(gòu)建風(fēng)機的二維簡化模型,因此采用第一種方法對風(fēng)機各個部件進行簡化建模。

應(yīng)用Fluent軟件的前處理模塊Gambit畫出風(fēng)機的空氣動力學(xué)模型。葉片采用簡化的翼型葉片,并分別對蝸殼曲線、葉輪出口圓、各個葉片、葉輪進口圓建立面,之后采用布爾分割法將風(fēng)機分為蝸殼區(qū)域和葉輪區(qū)域2個區(qū)域。同時采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對風(fēng)機的蝸殼和葉輪分別劃分風(fēng)格,由于結(jié)構(gòu)和流動復(fù)雜性不同,則兩部分的網(wǎng)格尺寸也不同。對于葉輪區(qū)域,由于受到強烈旋轉(zhuǎn)作用,其流場情況非常復(fù)雜,同時葉片結(jié)構(gòu)也復(fù)雜,存在小尺寸結(jié)構(gòu)。因此該區(qū)域中,網(wǎng)格尺寸要盡可能小。但受到計算機性能限制和可能出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格的影響,網(wǎng)格尺寸也不能過小[3]（見圖2）。

圖2 風(fēng)機網(wǎng)格

2 兩相流數(shù)值模擬

2.1 基本方程和物理模型

RNG k-ε模型包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、射流和混合流的自由流動、管道內(nèi)流動、邊界層流動及帶有分離的流動,能夠有效應(yīng)用于不同類型的紊流流動。因此在離心式引風(fēng)機內(nèi)的氣相模擬中采用RNG k-ε模型[4]。

在拉格朗日坐標(biāo)系中,顆粒軌道模型可以在充分考慮顆粒與流體間相互作用的前提下,模擬出復(fù)雜經(jīng)歷的顆粒相軌跡,同時也節(jié)省了計算存儲量。故選用此模型計算離心式引風(fēng)機內(nèi)固態(tài)顆粒運動軌跡[5]。

顆粒相連續(xù)方程：

式中 nk——顆粒數(shù)密度;

mk——顆粒平均質(zhì)量,kg;

vkn——顆粒流速垂直于流管斷面的分量, m/s;

τrk——弛豫時間,s;

Fk,Mi——Magnus力,N;

μe——有效粘性系數(shù),kg/（m?s）;

σY——常數(shù);

Ys——s組分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

2.2 模擬過程和結(jié)果分析

采用SIMPLE算法對風(fēng)機內(nèi)流場進行非定常流動的數(shù)值模擬。根據(jù)不可壓縮流的特點定義速度進口和流量出口,壁面函數(shù)選取無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[6]。

風(fēng)機進口處的速度進口邊界條件默認(rèn)為均勻速度進口。速度由流量及進口面積換算為3.7m/s。葉片選擇移動壁面,葉輪出口為interface,蝸殼出口選擇流量邊界條件,葉輪內(nèi)的流體選擇Moving Reference Frame,其它邊界為默認(rèn)的壁面邊界。計算得到氣相的速度分布狀況如圖3所示,并由此分析造成顆粒沉積的原因[7]。

根據(jù)圖3中的風(fēng)機速度分布,氣流進入旋轉(zhuǎn)葉片時速度較小,產(chǎn)生垂直于葉片表面的相對速度。在風(fēng)機葉輪靠近葉輪外緣處的速度很大,使氣流高速進入蝸殼,且逐漸減速流出蝸殼[8]。

待非定常流動收斂后,采用離散相模型對加入的顆粒進行數(shù)值模擬,并作如下假設(shè)[9]：流體在流動過程中不可壓縮;假定固體顆粒是具有相同直徑、均勻密度的球體;當(dāng)固體粒子占體積的比例小于5‰時,認(rèn)為粒子的存在對氣流參數(shù)的影響很小;忽略粒子間的相互作用;粒子在氣流中受到的力主要是氣體的粘滯阻力,相比之下其余力可以忽略不計;氣固兩相具有相同的溫度場;不考慮固相與壁面的摩擦力。

表1中初始坐標(biāo)和速度的設(shè)定表示顆粒隨氣相運動。根據(jù)之前的模擬時間選擇合適的start time和stop time,之后進行初始化和迭代計算。

圖4顯示了顆粒在葉輪通道內(nèi)的分布情況,顆粒主要在葉片的非工作面上沉積,固體顆粒從風(fēng)機入口進入葉輪通道,首先是一小部分顆粒與葉片前緣相撞。這部分顆粒和葉片前緣相撞后反彈,而后一部分與吸力面發(fā)生碰撞,然后進入葉輪通道,被氣流裹著甩出葉輪。顆粒在粘性力和離心力的作用下前進一段距離后,再次和葉片表面發(fā)生碰撞,這次碰撞發(fā)生在葉片壓力面的后緣區(qū)域。在這兩個區(qū)域和葉片發(fā)生碰撞的顆粒,具有一定的粘性,可粘附在流動邊界層內(nèi)造成沉積[10]。

表1 顆粒邊界條件及參數(shù)設(shè)置

圖4 顆粒分布狀態(tài)

3 氣流吹灰

3.1 理論分析

若要清除葉輪上的積灰,射流的流體應(yīng)滿足2個條件：一是直接作用于積灰處,二是具有一定的動量,以便對積灰產(chǎn)生一定的作用力。葉輪上積灰的清掃常用噴水吹灰和噴氣吹灰2種方法。噴水過程中存在沿程損失和局部阻力損失,為了滿足噴水速度,必須提高噴水壓力,需增大提升水壓所需的能量,同時噴水量增加使得風(fēng)機殼上排水孔無法滿足及時排水的要求,經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)機葉輪浸泡于水中的現(xiàn)象,使噴水清灰失去意義[11]。

對于噴氣吹灰,由工程熱力學(xué)基本原理可知,當(dāng)噴氣速度最大時：

式中 p01——噴嘴出口處氣體壓力,Pa;

k——氣體常數(shù)。

由式（3）得p01=0.2 MPa。又因

式中 R——氣體常數(shù),對氣體R=287 J/（kg?K）;

T——氣體的絕對溫度,K。

對于常溫下的氣體,由式（5）可得噴嘴出口處氣體的極限速度為542m/s。

3.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

考慮到實際情況和投資需要,采用較易得到的氣流速度,加入引風(fēng)機內(nèi)進行氣流吹掃。由于灰粒主要沉積于葉片前緣和后緣部位,為保證較好的吹掃效果并防止振動,在對稱位置加裝噴嘴。同時選取不同的氣流噴射速度,通過數(shù)值模擬驗證其對顆粒吹掃的能力。

綜合分析圖4、圖5,在未加吹掃氣流前,顆粒隨氣流發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)進入葉輪通道,由于受風(fēng)機內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場的影響,與葉片前緣發(fā)生碰撞、沉積。隨著吹掃氣流的加入,在高速氣流吹掃下,顆粒受氣流垂直于葉片表面的相對速度的影響減弱,從而減少顆粒與葉片前緣部分的碰磨。且由于顆粒的速度較大,大部分顆?？芍苯与S氣流流出葉輪通道而進入蝸殼空間,減少了在葉片出口處的沉積。

對比圖5～圖7可知,吹掃氣流的速度越大, Fluent通過迭代得到吹掃效果的次數(shù)越少,達到較好吹掃效果的時間越短。顆粒速度隨氣流速度的增大而增大,顆粒的速度越大,葉輪旋轉(zhuǎn)對其影響越小,從而降低顆粒與葉輪撞擊的幾率,減少固體顆粒在葉片上的沉積。同時高速氣流也能在一定程度上改善風(fēng)機內(nèi)的流場,對吹掃效果有積極的作用。

圖5 顆粒沉積狀況

4 結(jié)論

a.葉片上顆粒的沉積、碰撞、磨損是由風(fēng)機內(nèi)流場的復(fù)雜性決定的,特別是邊界層分離和回流的作用,蝸殼的不對稱性也有一定作用。改善風(fēng)機內(nèi)部流場特性能在一定程度上減少顆粒的沉積。

b.采用氣流吹掃方法,高速氣流直接作用于沉積的顆粒,快速、有效。在條件允許的情況下提高氣流吹掃速度,吹掃效果更好。

c.由于模型和參數(shù)的簡化,本文還有很多不完善的地方有待加強。如可以建立更精確的模型,采用更精確的算法。在后續(xù)的工作中,可以改變噴嘴的數(shù)量、位置,并與吹掃速度的改變相結(jié)合,得到最優(yōu)的吹掃方案。

[1] 游振江,林建中.氣固兩相流葉輪機械磨損問題研究綜述[J].流體機械,2000,28（3）：33-37.

[2] 陳 剛,李 冰,王 超,等.660 MW引風(fēng)機狀態(tài)檢修[J].動力工程,2006,26（5）：703-706+711.

[3] 王松嶺,張 磊,楊 陽,等.基于有限體積法的G4-73型離心風(fēng)機三維流場數(shù)值模擬[J].華北電力大學(xué)學(xué)報, 2009,36（4）：38-41.

[4] 王福軍.計算流體力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[5] 梅 丹,幸福堂.氣固兩相流風(fēng)機磨損率的數(shù)值預(yù)測研究[J].流體機械,2007,35（10）：25-28.

[6] 吳俊峰,朱曉農(nóng),陳啟明,等.通風(fēng)機內(nèi)部流場和性能的數(shù)值模擬及其分析[J].流體機械,2009,37（9）：19 -22.

[7] 陸蓓蕾,陳瑞球,石富金.離心風(fēng)機的三維數(shù)值計算[J].煤礦機械,2005,23（4）：23-24.

[8] 李建鋒,呂俊復(fù).風(fēng)機流場的數(shù)值模擬[J].流體機械, 2006,34（4）：10-13.

[9] 胡桂榮,李意民,賈曉娜.離心風(fēng)機內(nèi)氣固兩相流的數(shù)值模擬[J].煤礦機械,2008,29（3）：37-39.

[10] 潘海波,郭宏偉,虞維平,等.離心除塵風(fēng)機氣固兩相流動的數(shù)值模擬[J].流體機械,2005,33（6）：11-13.

[11] 幸福堂,張景麗,陳旺生.引風(fēng)機葉輪清灰介質(zhì)的探討[J].風(fēng)機技術(shù),2004,（3）：56-57.

[12] 幸福堂,謝明亮,李 偉,等.煉鋼廠引風(fēng)機葉片粘灰控制[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2003,26 （4）：361-362.