鰭片管磨損特性的數(shù)值研究

鐘　磊，　趙伶玲，　儲　墨

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京210096;2. 華能萊蕪發(fā)電有限公司， 山東萊蕪 271102)

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鰭片管磨損特性的數(shù)值研究

鐘磊1，趙伶玲1，儲墨2

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京210096;2. 華能萊蕪發(fā)電有限公司， 山東萊蕪 271102)

摘要：對矩形鰭片管、螺旋型鰭片管、H型鰭片管和雙H型鰭片管進行了三維氣固兩相數(shù)值模擬，對比分析了基管及鰭片的磨損特性.結(jié)果表明：螺旋型鰭片管基管附近流場速度較大，使得其基管磨損較其他3種鰭片管更嚴重；H型鰭片管和雙H型鰭片管鰭根附近顆粒質(zhì)量濃度較大，鰭片開口處軸向速度的存在減小了顆粒的撞擊角度，減輕了對鰭根的磨損；雙H型鰭片管不僅剛性好，而且其基管和鰭片的抗磨損性能都較好.

關(guān)鍵詞：鰭片管； 磨損； 顆粒濃度； 流場； 數(shù)值模擬

鰭片管是鍋爐設(shè)備的重要換熱元件之一，因其結(jié)構(gòu)緊湊、能增加參與對流換熱的總有效面積及減少管外傳熱熱阻等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用.常用的鰭片管有H型鰭片管、雙H型鰭片管和螺旋型鰭片管等.鰭片管磨損會影響換熱器的換熱效率，嚴重時還會使管子發(fā)生泄漏，迫使鍋爐停機，給生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失和安全隱患.近幾年,低低溫電除塵技術(shù)因其較高的除塵效率而得到廣泛關(guān)注，其方法是在靜電除塵器之前增加煙氣冷卻器(或低低溫省煤器)，將120～160 ℃的煙氣降低至80～95 ℃后送入靜電除塵器，從而提高靜電除塵器的除塵效率.為了提高換熱效率，煙氣冷卻器通常采用鰭片管，但煙氣冷卻器內(nèi)煙氣的粉塵濃度較高，使得該換熱設(shè)備的管束磨損問題較為嚴重[1].因此，鰭片管的磨損問題更需得到關(guān)注和解決.

顧璠等[2]實驗分析了各管子磨損較嚴重的部位，得出了管子磨損的影響因素，并提出了相應(yīng)的防磨措施.連虎等[3]對翅片管進行了二維氣固兩相數(shù)值模擬，根據(jù)顆粒軌跡定性分析了翅片數(shù)目、翅片相對高度和顆粒直徑等對翅片管磨損性能的影響.史月濤等[4]應(yīng)用三維顆粒動態(tài)分析儀(PDA)對螺旋翅片管防磨和防積灰的特性進行了實驗研究，得出翅片間顆粒密度和流場速度呈拋物線分布規(guī)律，這種分布規(guī)律降低了固體顆粒對翅片壁面的撞擊能量，減輕了對翅片和基管的磨損.周云龍等[5]根據(jù)飛灰質(zhì)量濃度和煙氣速度的計算式建立了以易測取量為輸入?yún)?shù)的磨損預(yù)測數(shù)學(xué)模型，對受熱面的磨損量進行預(yù)測,并將其表示為過量空氣系數(shù)與飛灰細度的函數(shù).結(jié)果表明，過量空氣系數(shù)和飛灰細度對磨損量影響顯著.

目前，關(guān)于管子磨損的研究大多采用二維模型，研究對象多為粉塵濃度相對除塵器入口煙道更低的尾部煙道，且針對各鰭片管磨損特性的對比鮮見報道.筆者采用Fluent軟件對矩形鰭片管、螺旋型鰭片管、H型鰭片管和雙H型鰭片管進行了三維數(shù)值模擬，對比分析其磨損特性，為工業(yè)應(yīng)用中換熱器的設(shè)計提供理論指導(dǎo).

1數(shù)學(xué)模型

1.1物理模型

鰭片管外部連續(xù)相的流動屬于穩(wěn)態(tài)的不可壓縮流動，該過程可采用連續(xù)性方程和N-S方程來描述.采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[6]，固體顆粒采用離散相模型(DPM)進行描述，并采用隨機軌道模型[7]來模擬顆粒實際的運動情況.

計算中考慮流體和顆粒間的相互作用，采用雙向流固耦合計算[8].當(dāng)顆粒通過每個控制體時，通過檢查顆粒的動量變化來計算連續(xù)相與離散相之間的的動量傳遞.

采用Fluent軟件中定義的磨損模型來計算磨損量，模擬顆粒對壁面的磨損.磨損方程為

(1)

式中：Re為磨損速率；Np為顆粒數(shù)目；qm,p為顆粒流撞擊壁面時的質(zhì)量流量；C(dp)為關(guān)于顆粒直徑的函數(shù)，取值為13 μm；α為顆粒和壁面的撞擊角度；v為顆粒的相對速度；b(v)為關(guān)于顆粒相對速度的函數(shù)；Af為顆粒在壁面上的投影面積；C、f和b根據(jù)壁面邊界條件定義，與材料物性無關(guān).

1.2幾何模型及網(wǎng)格劃分

為了更加精確地模擬鰭片管外的實際流動情況，在有限空間域內(nèi)對單根鰭片管進行了三維數(shù)值模擬.將直徑42 mm，厚3 mm的鰭片管置于100 mm×100 mm×24 mm的長方體計算域中心處.為使結(jié)果更具可比性，所計算的矩形、H型、雙H型和螺旋型鰭片管的幾何結(jié)構(gòu)均在直徑42 mm、厚3 mm的基管基礎(chǔ)上，具有相同的表面擴展率，鰭片厚度均取2 mm.其中，螺旋型鰭片管鰭高為hf=15 mm，鰭片間距為Sf=8 mm.

為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，除螺旋型鰭片管整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格外，對各個模型網(wǎng)格劃分盡量采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，在保證計算精度的前提下，調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量，保證計算量在計算機內(nèi)存允許范圍內(nèi)，最終網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm×1 mm，矩形、H型、雙H型和螺旋型鰭片管模型的網(wǎng)格數(shù)在60～80萬個不等.各模型網(wǎng)格見圖1.

(a)矩形鰭片管(b)H型鰭片管

(c)雙H型鰭片管(d)螺旋型鰭片管

圖1各鰭片管模型及網(wǎng)格示意圖

Fig.1Models and grid division of various finned tubes

1.3數(shù)值計算方法

工業(yè)上電除塵器入口煙氣速度通常為5～8 m/s，此處選取6 m/s，來流方向為x軸正方向，選取速度入口和壓力出口的邊界條件.矩形計算區(qū)域其余4個面設(shè)置為墻壁無滑移邊界條件，邊界類型設(shè)置為逃逸；鰭片管管壁及鰭片外壁設(shè)置為墻壁邊界條件，邊界類型為反射.顆粒相在入口界面均勻入射，固相初始速度為6 m/s，速度方向與氣相來流方向相同.固相采用惰性顆粒，根據(jù)工程實際情況，取顆粒密度為2 000 kg/m3，平均粒徑為13 μm，質(zhì)量流量為0.000 216 kg/s.

近壁面處的網(wǎng)格使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法近似處理.壓力速度耦合計算方法采用格林-高斯基的Simple算法.氣相邊界條件為無滑移邊界條件.

2結(jié)果與討論

2.1磨損速率

對矩形、螺旋型、H型和雙H型鰭片管進行了三維氣固兩相數(shù)值模擬，各鰭片管磨損速率云圖見圖2.由圖2可知，4種類型的鰭片管在基管和鰭片上都有不同程度的磨損.進一步對基管磨損速率進行統(tǒng)計，磨損速率大于1×10-10kg/(m2·s)的面積(即磨損較嚴重的區(qū)域)占整個管子的比例分別為：矩形鰭片管2.339%、H型鰭片管0.078%、雙H型鰭片管0.008%以及螺旋型鰭片管2.644%.

(a)矩形鰭片管(b)H型鰭片管

(c)雙H型鰭片管(d)螺旋型鰭片管

圖2矩形、H型、雙H型及螺旋型鰭片管磨損速率云圖

Fig.2Erosion rate distribution of rectangle, single H-type, double H-type and spiral finned tubes

同樣，對鰭片磨損速率進行統(tǒng)計，磨損速率大于5×10-11kg/(m2·s)的面積占整個鰭片面積的比例分別為：矩形鰭片管2.953%、H型鰭片管2.957%、雙H型鰭片管1.416%以及螺旋型鰭片管2.163%.

結(jié)合磨損速率統(tǒng)計和圖2可知，各鰭片管基管磨損嚴重程度的大小依次為：螺旋型鰭片管>矩形鰭片管>H型鰭片管>雙H型鰭片管；各鰭片管鰭片磨損嚴重程度的大小依次為：H型鰭片管>矩形鰭片管>螺旋型鰭片管>雙H型鰭片管.

2.1.1基管磨損速率

進一步對數(shù)據(jù)進行分析，圖3給出了各鰭片管兩鰭片中心截面迎流面?zhèn)饶p速率分布曲線.由圖3可知，4種鰭片管的磨損均在迎流方向-45°～45°，但磨損速率存在明顯差異.雙H型鰭片管抗磨損特性最好，最大磨損速率約為6×10-11kg/(m2·s)；H型鰭片管次之，最大磨損速率約為8×10-11kg/(m2·s)；矩形鰭片管磨損速率大于H型鰭片管，最大磨損速率約為1.4×10-10kg/(m2·s)；而螺旋型鰭片管的磨損速率與矩形鰭片管差別不大，最大磨損速率約為1.7×10-10kg/(m2·s)，為H型鰭片管和雙H型鰭片管的2～3倍，磨損速率遠大于這2種鰭片管.從基管磨損速率的對比可以看出，基管部分磨損速率的大小依次為：螺旋型鰭片管>矩形鰭片管>H型鰭片管>雙H型鰭片管.

圖3　各鰭片管基管磨損速率的對比

Fig.3Comparison of erosion rate at the base tube area among various finned tubes

2.1.2鰭片磨損速率

圖4給出了鰭片磨損速率的分布.由圖4可知，矩形、H型和雙H型3種鰭片管的鰭片磨損速率差別不大，平均磨損速率約為1.3×10-10kg/(m2·s)，而螺旋型鰭片管鰭片磨損速率明顯較小，平均磨損速率約為4.2×10-11kg/(m2·s)，僅為其他3種鰭片管鰭片的1/3左右.這是由于矩形、H型和雙H型鰭片管的鰭片表面與來流方向垂直，受到來流的直接沖刷，鰭片磨損較為嚴重；螺旋型鰭片管鰭片為圓弧形，只有靠近0°附近受到比較嚴重的沖刷，隨著來流沿鰭片表面流動，顆粒對鰭片的撞擊角度逐漸減小，從而對鰭片的磨損也隨之減少.

圖4　各鰭片管鰭片磨損速率的對比

Fig.4Comparison of erosion rate at the fin area among various finned tubes

綜合圖3和圖4可以看出，矩形鰭片管鰭片最大磨損速率約為2×10-10kg/(m2·s)，約為基管的1.4倍；H型鰭片管鰭片最大磨損速率為1.7×10-10kg/(m2·s)，約為基管的1.6倍；雙H型鰭片管鰭片最大磨損速率為1.7×10-10kg/(m2·s)，約為基管的2.8倍.

2.2顆粒質(zhì)量濃度

圖5給出了各鰭片管迎流面顆粒質(zhì)量濃度分布.從圖5可以看出，矩形鰭片管在基管處顆粒質(zhì)量濃度較大，這是矩形鰭片管基管磨損速率較大的原因之一；螺旋型鰭片管顆粒質(zhì)量濃度分布較均勻；H型和雙H型鰭片管鰭根附近顆粒比較集中，但從圖2可以看出，在鰭根處并沒有出現(xiàn)相應(yīng)的較大的磨損速率，這是由于H型鰭片的開縫使得基管迎風(fēng)面上駐點處具有一定的速度，形成軸向沖刷管壁，這和普通管有本質(zhì)的區(qū)別[9]，軸向速度的產(chǎn)生減小了顆粒的撞擊角度，磨損速率相應(yīng)減小.這4種鰭片管鰭片上顆粒質(zhì)量濃度分布沒有明顯差別.

2.2.1基管處顆粒質(zhì)量濃度分布

圖6(a)給出了基管處的顆粒質(zhì)量濃度分布.從圖6(a)可以看出，4種鰭片管基管處的顆粒質(zhì)量濃度差別并不大.矩形鰭片管在0°附近顆粒質(zhì)量濃度最大，達到0.10 kg/m3，且總體上顆粒質(zhì)量濃度比其他3種鰭片管稍大.這是由于矩形鰭片管鰭片的阻擋使得顆粒繞流，在靠近鰭片的區(qū)域形成附面層，顆粒質(zhì)量濃度較小，而在遠離鰭片的中心區(qū)域顆粒質(zhì)量濃度較大，顆粒集中分布在基管附近.H型和雙H型鰭片管由于鰭片開口，使得顆粒在基管處分布較均勻，在中心區(qū)域顆粒質(zhì)量濃度比螺旋型和矩形鰭片管小，H型鰭片管的最大質(zhì)量濃度約為0.07 kg/m3.螺旋型鰭片管與H型鰭片管基管處的顆粒質(zhì)量濃度差別不大.而雙H型鰭片管管子阻力比H型鰭片管大，所以顆粒質(zhì)量濃度更小，其最大質(zhì)量濃度約為0.06 kg/m3.基管處部分顆粒質(zhì)量濃度大小依次為：矩形鰭片管>螺旋型鰭片管>H型鰭片管>雙H型鰭片管.

(a)矩形鰭片管(b)H型鰭片管

(c)雙H型鰭片管(d)螺旋型鰭片管

圖5矩形、H型、雙H型及螺旋型鰭片管的顆粒質(zhì)量濃度分布

Fig.5Particle concentration distribution of rectangle, single H-type, double H-type and spiral finned tubes

2.2.2鰭片處顆粒質(zhì)量濃度分布

圖6(b)為鰭片迎流面中心線上顆粒質(zhì)量濃度分布圖.從圖6(b)可以看出，除螺旋型鰭片管鰭片表面為圓弧形，避免了來流對鰭片的直接沖刷，顆粒質(zhì)量濃度較其他3種鰭片管稍小外，其他3種鰭片管鰭片處顆粒質(zhì)量濃度分布差別不大，在0.03～0.05 kg/m3內(nèi)波動.

2.3流場速度對比

2.3.1基管流場速度分布

圖7給出了線1及線2上x方向的流場速度分布. 從圖7可以看出，4種鰭片管在靠近基管附近的流場速度存在明顯差別，且中心區(qū)域與鰭根附近流場分布也有所不同.H型和雙H型鰭片管的流場分布比較均勻，中心區(qū)域與鰭根區(qū)域流場速度差異不大，體現(xiàn)出H型和雙H型鰭片管對來流的整合作用.線1上(距基管1 mm處)H型鰭片管的流場速度為1.1 m/s左右，而雙H型鰭片管的流場速度為0.9 m/s左右，稍低于H型鰭片管.矩形和螺旋型鰭片管的流場速度呈拋物線分布，即中心區(qū)域流場速度較大，鰭根區(qū)域流場速度較小.螺旋型鰭片管基管附近的流場速度整體大于矩形鰭片管，中心區(qū)域最大流場速度約為1.8 m/s，約為矩形鰭片管最大流場速度的1.4倍、H型和雙H型鰭片管最大流場速度的2倍，較大的流場速度使螺旋型鰭片管磨損較為嚴重.中心區(qū)域平均流場速度大小依次為：螺旋型鰭片管>矩形鰭片管>H型鰭片管>雙H型鰭片管.鰭根區(qū)域流場速度大小依次為：H型鰭片管>雙H型鰭片管>螺旋型鰭片管>矩形鰭片管.

(a) z=12 mm截面與迎流面交界線上

(b) 鰭片迎流面中心線上

Fig.6Particle concentrations at base tube and fin area of various finned tubes

(a) 線1(距基管1 mm)

(b) 線2(距基管2 mm)

2.3.2鰭片處流場速度分布

圖8為線3上x方向的流場速度分布圖.從圖8可以看出，矩形、H型和雙H型鰭片管在距鰭片1 mm處的流場速度差別不大，隨著y的增大螺旋型鰭片管流場速度有明顯增大的趨勢.0

圖8　線3(距鰭片1 mm)上流場速度分布圖

Fig.8Velocity distribution along line 3 (1 mm away from the fin)

3結(jié)論

(1) 雙H型鰭片管迎流面鰭片抗磨性能與H型鰭片管相近，前者是2根基管共用一個鰭片，磨損較嚴重的區(qū)域占總鰭片面積比例較小，且雙H型鰭片管基管的磨損速率在4種鰭片管中最小，呈現(xiàn)出較好的抗磨損性能.

(2) 螺旋型鰭片管由于鰭片表面為圓弧形，避免了來流的直接沖刷，鰭片上抗磨損性能在4種鰭片管中最好；螺旋型鰭片管基管附近流場速度較大，使其基管磨損較為嚴重.由于螺旋型鰭片管生產(chǎn)工藝較為簡單，造價相對低廉，目前應(yīng)用較為廣泛，但是在對含塵濃度高的煙氣流省煤器設(shè)計時，需對螺旋型鰭片管進行改進.

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Numerical Simulation on Erosion Properties of Finned Tubes

ZHONGLei1,ZHAOLingling1,CHUMo2

(1.School of Energy and Environment, Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. Huaneng Laiwu Power Generation Co., Ltd., Laiwu 271102, Shandong Province, China)

Abstract：Three-dimensional numerical simulations were conducted on gas-solid two-phase flow respectively around the rectangle finned tube, spiral finned tube, single H-type finned tube and double H-type finned tube, so as to comparatively analyze the erosion properties of the base tube and fins. Results show that the erosion at base tube of the spiral finned one is more serious than other three tubes, due to the higher flow velocity around it; for single H-type and double H-type finned tubes, the particle concentration near the root of fin is relatively high, however, the existence of axial velocity helps to reduce the collision angle between particles and the base tube, and therefore alleviate the erosion degree at the root; the double H-type finned tube has not only good rigidity, but also better abrasive resistance for both the base tube and the fins.

Key words：fined tube; erosion; particle concentration; flow field; numerical simulation

收稿日期：2015-07-03

作者簡介：鐘磊(1992-)，男，四川資陽人，工程碩士，主要從事火電廠換熱系統(tǒng)及換熱器設(shè)計方面的研究.

文章編號：1674-7607(2016)05-0389-06中圖分類號：TK172.4

文獻標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號：470.10

趙伶玲(通信作者)，女，教授，博士生導(dǎo)師，電話(Tel.):13851680995；E-mail：zhao_lingling@seu.edu.cn.