鍋爐主蒸汽管道彎管內(nèi)流體流動特性數(shù)值分析

李君君（山東英才學(xué)院,濟(jì)南250104）

鍋爐主蒸汽管道彎管內(nèi)流體流動特性數(shù)值分析

李君君
（山東英才學(xué)院,濟(jì)南250104）

本文針對某火電廠主蒸汽管道彎管內(nèi)的湍流流動以FLUENT軟件為計(jì)算平臺進(jìn)行數(shù)值模擬，著重分析了彎管內(nèi)壓力的分布情況，得出最危險(xiǎn)截面上壓力分布，并擬合出壓力分布公式，為后續(xù)進(jìn)行彎管應(yīng)力分析的研究工作提供較為可靠的依據(jù)。

主蒸汽管道彎管；湍流流動；數(shù)值分析

0　引言

電廠的熱力系統(tǒng)中，鍋爐供給汽輪機(jī)蒸汽的管道，蒸汽管間的連通母管，通往用汽設(shè)備的蒸汽支管等稱為主蒸汽管道[1]。主蒸汽管道屬于壓力管道的范疇，其特點(diǎn)是：輸送介質(zhì)流量大，參數(shù)高，用的金屬材料質(zhì)量高，對發(fā)電廠運(yùn)行的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性影響大。由于主蒸汽管道破壞的危害巨大，對主蒸汽管道彎管開展研究工作具有十分重要的意義。

1　具體工況

本文選取某火電廠8號鍋爐主蒸汽管道彎管為研究對象，該機(jī)組的額定功率為300MW,鍋爐型號為DG640—100/540，彎管內(nèi)徑277mm，壁厚為24mm，彎曲半徑為277mm，實(shí)際運(yùn)行的水蒸汽參數(shù)為540℃，10MPa，額定蒸汽流量為640t/h，彎管入口處流體流速為52.82m/s。

2　彎管內(nèi)流場坐標(biāo)系的建立

彎管內(nèi)流場建立的坐標(biāo)系：沿彎管軸線方向角度變化為α，定義入口處為α=0°截面，出口處為α=90°截面。在橫截面上環(huán)向角度為β，定義彎管對稱面凹邊壁為β=0°，彎管凸邊壁為β=180°。

3　FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果

3.1數(shù)值模擬基本假設(shè)

運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行模擬時(shí)，由于流體的實(shí)際流動非常復(fù)雜，但為了滿足數(shù)值求解的可行性，必須對實(shí)際模型進(jìn)行一定的簡化[2]。因而在分析問題的允許計(jì)算誤差范圍內(nèi)，對實(shí)際模型做以下基本假設(shè)：對于水蒸汽，其密度較小，因而計(jì)算中不考慮流體重力的影響；流體流動的物理量不隨時(shí)間變化，此流動為定常流動；水蒸汽為粘性牛頓流體，即動力粘度恒定；管道內(nèi)壁面光滑。

3.2FLUENT模擬結(jié)果

3.2.1彎管內(nèi)流體壓力分布規(guī)律

彎管內(nèi)流體壓力分布呈現(xiàn)出不均勻性：彎管凸面處壓力增大，形成高壓區(qū)域；凹面處壓力減小，形成低壓區(qū)，在同一軸向橫截面內(nèi)沿環(huán)向產(chǎn)生壓力差。

3.2.2彎管壁面處流體壓力沿截面環(huán)向的分布規(guī)律

利用FLUENT軟件將各壓力值的離散值提取，繪制出圖1所示的各軸向橫截面上流體壓力隨環(huán)向角度變化的分布規(guī)律，這里只取5個(gè)典型的截面進(jìn)行分析。從圖中可以看出：

（1）隨著彎管軸向角度的增大，流體的轉(zhuǎn)向作用增強(qiáng)，在彎管軸向角度α＞45°的截面，凹面附近流體壓力迅速減小，而凸面流體壓力升高，即沿環(huán)向壁面流體壓力梯度增大，表現(xiàn)為圖中壓力變化曲線斜率增大；流體進(jìn)入彎管軸向角度°的截面，彎管轉(zhuǎn)向作用減弱，凹面附近流體壓力增大，凸面流體壓力降低，沿環(huán)向壁面流體壓力梯度減小，表現(xiàn)為圖中壓力變化曲線斜率減小。

（2）所謂危險(xiǎn)截面是指彎管上最大流體壓力和最大壓力差所處的軸向截面位置。由模擬數(shù)據(jù)可知，最大流體壓力處于軸向α=45°截面環(huán)向位置為β=180°，為10031420Pa；最小壓力值處于軸向α=45°截面環(huán)向位置為β=0°，為9932622Pa，且最大壓力差也位于軸向α=45°截面，壓力差為98520Pa。

3.3沿彎管截面環(huán)向流體壓力分布擬合公式

從圖1中可以看出，各軸向截面上流體壓力沿截面環(huán)向角度的分布類似指數(shù)曲線，于是可令：ΔP=P-P0=(aecosβ+b)ρν2，擬合得出系數(shù)a、b的值[3]。以上分析可知：彎管軸向α=45°截面為最危險(xiǎn)截面，由上式得出最危險(xiǎn)截面壓力擬合公式：

Pα=45=P0+(0.4431-0.2794ecosβ)×ρν2

式中：P為彎管壁面流體壓力（Pa）；P0為工作壓力（Pa）；ρ為蒸汽密度（kg/m3）；β為截面環(huán)向角度，0o≤β≤180o；ν為彎管入口處流體流速（m/s）。

該曲線擬合公式只針對本文中的主蒸汽管道90°彎管的工況。將壓力擬合值與FLUENT模擬離散值對比，誤差絕對值不超過0.06%，因此該擬合公式用于后續(xù)彎管應(yīng)力分析。

4　結(jié)論

本文以火電廠主蒸汽管道為工程背景，分析了彎管壁面的流體壓力分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）對于90°彎管，軸向α=45°截面為最危險(xiǎn)截面，因此，在彎管的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度分析時(shí)，該截面位置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

（2）給出了最危險(xiǎn)截面上彎管內(nèi)壁面流體壓力P隨彎管入口處流體流速ν和β變化的曲線擬合公式，可以為彎管強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠數(shù)據(jù)。

[1]郭志成.高壓高溫蒸汽管道管理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1975.

[2]王福軍.計(jì)算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社,2004.

[3]王正林,龔純,何倩.精通MATLAB科學(xué)計(jì)算[M].電子工業(yè)出版社,2007.