90°矩形截面彎頭內(nèi)置導(dǎo)流板的布置優(yōu)化研究

于 飛， 劉 明， 李衛(wèi)東， 嚴(yán)俊杰

（1.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049；2.華能國(guó)際電力股份有限公司，北京100031）

我國(guó)“十二五”規(guī)劃綱要中提出：“十二五”期間，我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低16%；單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量降低17%；主要污染物排放總量顯著減少，其中化學(xué)需氧量、二氧化硫排放量分別減少8%，氨氮、氮氧化物排放分別減少10%.火電廠是一次能源的消耗大戶，因此提高火電廠的能源利用率、減少污染物的排放量對(duì)我國(guó)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)意義重大.

隨著節(jié)能減排工作的深入，煙風(fēng)煤粉系統(tǒng)節(jié)能逐漸引起火電企業(yè)的重視.火電廠煙風(fēng)煤粉管道是煙道、風(fēng)道、原煤、制粉、送粉和其他有關(guān)管道的總稱，用于輸送煙氣、冷風(fēng)、熱風(fēng)、煤粉及原煤等介質(zhì)［1］，其設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況不僅影響著引、送風(fēng)機(jī)等通風(fēng)設(shè)備的選型［2］，同時(shí)影響著鍋爐煙風(fēng)煤粉系統(tǒng)的能耗以及燃燒器、旋風(fēng)分離器和除塵器等［3－5］與煙風(fēng)煤粉管道相連接的設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.作為火電廠煙風(fēng)煤粉管道中最重要且常用的異形件形式之一，彎頭具有局部阻力損失較大的特點(diǎn).這主要是由于流體流過轉(zhuǎn)彎處后，由于離心力與慣性力的共同作用，內(nèi)壁流體不能再繼續(xù)沿著壁面流動(dòng)，從而容易在轉(zhuǎn)彎后的內(nèi)側(cè)壁面附近形成局部渦流區(qū)，管道橫截面上也會(huì)形成嚴(yán)重的二次流動(dòng)，這些因素均使得流體經(jīng)過緩轉(zhuǎn)彎頭后形成的流場(chǎng)均勻性較差.而氣流轉(zhuǎn)彎后速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布的紊亂也容易造成火電廠煙風(fēng)煤粉管道振動(dòng)和噪聲超標(biāo)現(xiàn)象［6］.因此，研究氣流轉(zhuǎn)彎時(shí)的流場(chǎng)控制具有重要意義.

在工程實(shí)際中，一般需要在彎頭處添加導(dǎo)流板以起到均勻流場(chǎng)的作用.根據(jù)DL／T 5121—2000《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》［1］的規(guī)定：對(duì)于同心圓緩轉(zhuǎn)彎頭，當(dāng)截面尺寸滿足a／b≤1.3時(shí)宜裝設(shè)導(dǎo)流板；a／b＜0.8時(shí)宜裝設(shè)1～2片導(dǎo)流板，0.8≤a／b≤1.3時(shí)宜裝設(shè)1片導(dǎo)流板；導(dǎo)流板中心角宜取為90°，且與彎頭同圓心沿徑向等間距布置（a，b 分別為轉(zhuǎn)彎?rùn)M截面的高度和寬度）.該規(guī)定主要是基于二維設(shè)計(jì)理念提出的，隨著大容量、高參數(shù)機(jī)組的發(fā)展，煙風(fēng)通道的尺寸越來越大，對(duì)煙風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)形式要求也更加嚴(yán)格，該規(guī)定已經(jīng)不能滿足火電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)優(yōu)化的要求.

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域.采用CFD 方法對(duì)煙風(fēng)煤粉管道進(jìn)行三維優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，可優(yōu)化管內(nèi)的三維流場(chǎng)、降低其阻力損失，同時(shí)優(yōu)化與管道相連的各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組的高效安全運(yùn)行.另外，與實(shí)驗(yàn)研究相比，CFD 方法在整體管道及其內(nèi)部部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面具有較大優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：可以方便地對(duì)研究對(duì)象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，并重新建模計(jì)算，計(jì)算速度快、靈活性和可操作性強(qiáng)，可以節(jié)省大量人力物力成本.因此，CFD 方法已被廣泛用于火電廠煙風(fēng)煤粉管道的設(shè)計(jì)和改造中［7－10］.

國(guó)內(nèi)學(xué)者曾對(duì)工業(yè)應(yīng)用很廣的小尺寸方形截面緩轉(zhuǎn)彎頭加裝導(dǎo)流板進(jìn)行了基于氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬研究［11］，得出了導(dǎo)流板的優(yōu)化布置方案，但具有一定局限性，如幾何尺度較小、未考慮轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)結(jié)果的影響、未采用量化指標(biāo)衡量考察流場(chǎng)均勻程度特性等.

筆者結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用大型商業(yè)軟件Fluent，以空氣作為流動(dòng)介質(zhì)，對(duì)緩轉(zhuǎn)彎頭內(nèi)多種導(dǎo)流板布置方式進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到轉(zhuǎn)彎后的流場(chǎng)分布，并通過對(duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性的量化計(jì)算，得出導(dǎo)流板的最優(yōu)布置方式.

1 計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型

緩轉(zhuǎn)彎頭的三維幾何模型如圖1所示，其中截面寬、高分別為b＝1.0m，a＝0.4m；考慮入口、出口直管段影響，采用入口直管段長(zhǎng)L1＝3m，出口直管段長(zhǎng)L2＝6m；采用與緩轉(zhuǎn)彎同心的圓弧作為導(dǎo)流板，數(shù)量均為1片，由于導(dǎo)流板厚度（3～5mm）占總煙道尺寸的比例很小，所以在建模過程中忽略導(dǎo)流板厚度.

研究過程中，通過改變轉(zhuǎn)彎半徑與截面寬度之比R／b、導(dǎo)流板中心角θ、導(dǎo)流板起（止）角度α（β）、決定導(dǎo)流板分割流道方式的比值b1／b2，以獲得最優(yōu)的導(dǎo)流板布置方式.

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric model of the 90degree elbow

1.2 湍流模型

考慮到流體流過緩轉(zhuǎn)彎頭后的流動(dòng)比較復(fù)雜，存在旋流和嚴(yán)重的二次流，故采用Realizable k－ε 湍流模型，與標(biāo)準(zhǔn)k－ε 模型、RNG k－ε 模型相比，該模型具有保持雷諾應(yīng)力與真實(shí)湍流一致的優(yōu)點(diǎn)［12］，在旋流計(jì)算、帶方向壓強(qiáng)梯度的邊界層計(jì)算和分離流計(jì)算等問題中，計(jì)算結(jié)果更符合真實(shí)情況，同時(shí)在帶二次流的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算中表現(xiàn)出色.

1.3 網(wǎng)格劃分

用ICEM CFD 對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)壁面和導(dǎo)流板兩側(cè)表面附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密（見圖2）.

圖2 網(wǎng)格局部加密Fig.2 Local mesh refinement

另外，配合湍流模型進(jìn)行近壁處理所采用的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法要求壁面y＋的取值在一定的范圍內(nèi)（30～300）.對(duì)模型進(jìn)行不同數(shù)量和不同壁面加密程度的網(wǎng)格劃分，計(jì)算后得到的壁面y＋的范圍見圖3.因此選擇網(wǎng)格數(shù)量為130萬(wàn)個(gè)左右、壁面第一層網(wǎng)格厚度為7.2mm 的網(wǎng)格劃分方式，可以使數(shù)值模擬計(jì)算在具有一定可靠性的同時(shí)節(jié)省計(jì)算時(shí)間.而其后進(jìn)行的網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)也證明，130萬(wàn)的網(wǎng)格已經(jīng)足以精確模擬反映流場(chǎng)特性的各種參數(shù).

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)目下的壁面y＋Fig.3 Influence of mesh number on y－plus value of the wall

1.4 邊界條件

模型采用速度入口邊界條件，速度大小vin＝15 m／s；采用壓力出口邊界條件，表靜壓pout＝0Pa；定義彎管內(nèi)表面、導(dǎo)流板兩側(cè)表面均為絕對(duì)粗糙度K＝0.4mm的固壁邊界.

1.5 導(dǎo)流板布置性能評(píng)價(jià)方法

在彎頭中布置導(dǎo)流板是為了控制流體轉(zhuǎn)彎后局部渦流和截面二次流的形成，以提高流場(chǎng)均勻性，達(dá)到降低局部阻力損失的目的.因此，需對(duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)的均勻程度選擇合適的量化指標(biāo)進(jìn)行衡量，并通過比較判斷不同導(dǎo)流板布置方式的合理程度.

采用圖1所示的幾個(gè)參考截面處（Li＝2.0m）以及出口截面處的速度標(biāo)準(zhǔn)差Sv或總壓標(biāo)準(zhǔn)差Sp作為衡量導(dǎo)流板對(duì)彎頭后流場(chǎng)均流效果的量化指標(biāo)，并結(jié)合流線圖和壓力云圖進(jìn)行分析研究.Sv和Sp的表達(dá)式如下：

式中：vi、pi分別為參考截面上各節(jié)點(diǎn)的速度和壓力；分別為截面上各節(jié)點(diǎn)的平均速度和平均壓力；n為截面上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)矩形截面緩轉(zhuǎn)彎頭的高寬比a／b≤1.3時(shí)宜布置導(dǎo)流板，但并未指出導(dǎo)流板的轉(zhuǎn)彎半徑R 的范圍.

分別對(duì)不同R／b 條件下無導(dǎo)流板模型以及加裝1片中心角為90°、均分流道（b1＝b2）布置的導(dǎo)流板模型進(jìn)行數(shù)值模擬.圖4為加裝導(dǎo)流板前后參考截面1處的Sp值.由圖4可知，隨著轉(zhuǎn)彎半徑的增大，加裝導(dǎo)流板后的均流效果越來越不明顯：當(dāng)1.0≤R／b≤1.5時(shí)，Sp在加裝導(dǎo)流板后下降10%～30%，而當(dāng)1.5＜R／b＜2.0時(shí)，Sp下降小于10%.因此，在1.0≤R／b≤1.5 的緩轉(zhuǎn)彎頭中才有必要布置導(dǎo)流板.為此，著重研究1.0≤R／b≤1.5 范圍內(nèi)彎頭導(dǎo)流板布置的優(yōu)化.

圖4 不同R／b的彎頭模型加裝導(dǎo)流板前后轉(zhuǎn)彎后的Sp 值Fig.4 Spvalues in the section after turning point of the elbow with different R／bratios before and after addition of guide plate

2.1 導(dǎo)流板起止位置的影響

與急轉(zhuǎn)彎頭相比，緩轉(zhuǎn)彎頭的轉(zhuǎn)彎半徑大，按照現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的添加方式所耗費(fèi)的鋼材較多.從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，要減少鋼材消耗量最直接的方法就是減小導(dǎo)流板的中心角θ，因此需要研究導(dǎo)流板布置起止位置對(duì)均流效果的影響.

采用R／b＝1.0 的模型，導(dǎo)流板均分流道布置（b1＝b2），保持導(dǎo)流板中心角θ分別為60°、70°和80°不變，通過改變圖1中α和β 的大小，改變導(dǎo)流板的起止位置，對(duì)比位于轉(zhuǎn)彎后的3個(gè)參考截面及出口截面處的Sv值（見圖5）.由圖5可以看出，在導(dǎo)流板中心角θ＜90°的情況下，導(dǎo)流板靠后布置（β＝0°）的綜合均流效果最好.

圖5 不同導(dǎo)流板起止位置模型轉(zhuǎn)彎后的Sv 值Fig.5 Svvalues of reference sections after turning point of the elbow with guide plate at different start／end positions

圖6 為θ＝60°時(shí)，導(dǎo)流板靠前布置（α＝0°）、居中布置（α＝β＝15°）和靠后布置（β＝0°）的截面流線圖.由圖6可以看出，導(dǎo)流板內(nèi)側(cè)流體在轉(zhuǎn)彎后期由于離心力和慣性的作用“甩”向彎管外側(cè)，導(dǎo)流板靠后布置能更好地抑制這種運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)流板靠后布置能夠有效地減小轉(zhuǎn)彎后內(nèi)側(cè)管壁死區(qū)漩渦的面積，因此能更好地均勻流場(chǎng).

2.2 導(dǎo)流板中心角的影響

進(jìn)一步研究靠后布置（β＝0°）時(shí)，導(dǎo)流板中心角θ對(duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性的影響，為了排除轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)結(jié)果的影響，使結(jié)論可靠性更高，采用R／b 分別為1.0、1.25和1.5的模型進(jìn)行計(jì)算.

圖7給出了模型在不同轉(zhuǎn)彎半徑下轉(zhuǎn)彎后的流場(chǎng)均勻性隨θ的變化.由圖7可以看出，R／b 越小，轉(zhuǎn)彎越急，改變?chǔ)葘?duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性的影響越明顯；但當(dāng)θ＞60°后，流場(chǎng)均勻性的變化均比較平緩.故采用θ＝60°的導(dǎo)流板代替技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的θ＝90°的導(dǎo)流板，在節(jié)省鋼材的同時(shí)可起到較好的均流效果.

圖6 不同導(dǎo)流板起止位置模型的截面局部流線圖Fig.6 Local section streamlines with addition of guide plate at different start／end positions

圖7 不同轉(zhuǎn)彎半徑下導(dǎo)流板模型轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性隨θ的變化Fig.7 Influnce of flow field uniformity after turning point of the elbow with guide plate installed at different turning radii

2.3 導(dǎo)流板分割流道方式的影響

通過改變b1與b2的比值來改變導(dǎo)流板分割流道的方式，研究導(dǎo)流板分割流道方式對(duì)緩轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性的影響.

首先研究導(dǎo)流板適宜靠近轉(zhuǎn)彎外側(cè)布置還是靠近轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)布置.圖8給出了b1／b2分別取0.5、1.0和2.0時(shí)，R／b＝1.0的緩轉(zhuǎn)彎頭轉(zhuǎn)彎后各參考截面上的Sv值.通 過 對(duì) 比 可 以 看 出，當(dāng)b1／b2＝0.5 時(shí)（即導(dǎo)流板靠近轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)時(shí)），轉(zhuǎn)彎后的流場(chǎng)較均勻.

圖8 導(dǎo)流板分割流道方式對(duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性的影響（1）Fig.8 Influence of channel partitioning way by guide plate on flow field uniformity after turning point of the elbow（1）

進(jìn)一步針對(duì)導(dǎo)流板靠近轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)布置的情況（b1／b2＜1.0）進(jìn)行細(xì)化研究，以得到最佳的導(dǎo)流板分割流道方式.對(duì)R／b為1.0、1.25和1.5的模型，改變b1／b2取值分別為0.33、0.4、0.5、0.67和1.0，對(duì)比轉(zhuǎn)彎后各參考截面處的流場(chǎng)均勻性（見圖9）.由圖9 可以看出，對(duì)于不同R／b 的緩轉(zhuǎn)彎頭模型，均滿足當(dāng)b1／b2＝0.4～0.5 時(shí)，轉(zhuǎn)彎后各參考截面處的流場(chǎng)比較均勻.

3 導(dǎo)流板的優(yōu)化布置方式

根據(jù)前文所述的導(dǎo)流板優(yōu)化布置方式，對(duì)R／b＝1.5的緩轉(zhuǎn)彎頭內(nèi)的導(dǎo)流板布置方式進(jìn)行綜合改造分析.

采用β＝0°、b1／b2＝0.5 的改進(jìn)導(dǎo)流板添加方式，在不同θ下與現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的導(dǎo)流板均分流道方式（b1／b2＝1.0）進(jìn)行對(duì)比.

圖10給出了不同導(dǎo)流板布置方式模型轉(zhuǎn)彎后的Sv值.由圖10 可以看出，在θ 較小時(shí)，采 用b1／b2＝0.5的改進(jìn)導(dǎo)流板分割流道方式的均流效果并沒有b1／b2＝1.0（即均分流道方式）的均流效果好；但在θ＞60°之后，導(dǎo)流板的均流效果已經(jīng)變得非常明顯，并且改進(jìn)分割流道方式所帶來的更好的均流效果開始顯現(xiàn).

因此，采用θ＝60°～90°、靠后布置（β＝0°）、靠近轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)布置（b1／b2＝0.4～0.5）的導(dǎo)流板具有最優(yōu)的均流效果.

圖9 導(dǎo)流板分割流道方式對(duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性的影響（2）Fig.9 Influence of channel partitioning way by guide plate on flow field uniformity after turning point of the elbow（2）

圖10 不同導(dǎo)流板布置方式模型轉(zhuǎn)彎后的Sv 值Fig.10 Sv values in the section after turning point of the elbow with guide plate in different arrangements

圖11 給出了不同導(dǎo)流板布置方式模型的入口、出口總阻力損失.由圖11 可以看出，按照上述θ＝60°、靠后布置（β＝0°）、不均分流道（b1／b2＝0.5）的最優(yōu)導(dǎo)流板布置方式布置1片導(dǎo)流板的彎頭模型，其入口、出口總阻力損失Δp 相比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)推薦的導(dǎo)流板布置方式有一定下降，再次證明該導(dǎo)流板布置方式的優(yōu)越性.

圖11 不同導(dǎo)流板布置方式模型的入口、出口總阻力損失Fig.11 Total pressure loss of the elbow with guide plate in different arrangements

4 結(jié) 論

（1）隨著R／b的增大，在轉(zhuǎn)彎內(nèi)部添加導(dǎo)流板的均流效果變差，當(dāng)R／b≤1.5時(shí)，加裝導(dǎo)流板對(duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)的均流作用較明顯.

（2）導(dǎo)流板采用β＝0°的靠后布置方式能夠更好地抑制導(dǎo)流板內(nèi)側(cè)流體向外運(yùn)動(dòng)，并能減小轉(zhuǎn)彎后內(nèi)側(cè)管壁處的死區(qū)漩渦面積，均流效果較好.

（3）隨著導(dǎo)流板中心角θ的增大，導(dǎo)流板中心角變化對(duì)轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)均勻性的影響越來越小.對(duì)于1.0≤R／b≤1.5的緩轉(zhuǎn)彎頭，從節(jié)省鋼材的角度出發(fā)，可不采用現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的θ＝90°，只需滿足θ≥60°的條件即可.

（4）導(dǎo)流板接近轉(zhuǎn)彎內(nèi)壁面的分割流道方式（b1／b2＜1.0）可以更好地抑制流體與壁面的分離，使轉(zhuǎn)彎后流場(chǎng)更加均勻.對(duì)于1.0≤R／b≤1.5的緩轉(zhuǎn)彎頭，滿足b1／b2＝0.4～0.5的分割流道方式可以起到最好的均流作用.

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