基于有限元的除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)控制及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘要：除塵管道系統(tǒng)受自身和外界因素影響，運(yùn)行過(guò)程中需要穩(wěn)定控制振動(dòng)。振動(dòng)控制是提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命的重要手段，為此提出除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)控制及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，即減少?gòu)濐^數(shù)量和位置、設(shè)計(jì)過(guò)渡段、保持除塵管道中流體穩(wěn)定以及改良風(fēng)道布局，并利用有限元分析方法模擬仿真分析除塵管道系統(tǒng)振級(jí)落差。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后系統(tǒng)振級(jí)落差得到有效降低，說(shuō)明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案合理、可靠，能夠有效控制除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)。

關(guān)鍵詞：除塵管道系統(tǒng)；有限元；振動(dòng)控制；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TF09 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）10-00-03

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Study on Vibration Control and Optimization Design of Dust Removal Pipe System Based on Finite Element

ZHU Yinan

（Sinosteel Tiancheng Environmental Protection Science & Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430205， China）

Abstract： The dust removal pipeline system is affected by its own and external factors， and the vibration needs to be controlled stably during operation. Vibration control is an important means to improve the operating stability and extend the service life of the system. Therefore， the vibration control and optimal design scheme of the dust removal pipeline system is proposed， which includes reducing the number and position of elbows， designing transition sections， maintaining fluid stability in the dust removal pipeline， and improving air duct layout. The vibration level drop of the dust removal pipeline system is simulated by finite element analysis method. The results show that the vibration level drop of the system is effectively reduced after the optimized design， which indicates that the optimization design scheme is reasonable and reliable， and can effectively controlling the vibration of the dust removal pipeline system.

Keywords： dust removal pipeline system; finite element; vibration control; optimize design

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，除塵系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率影響企業(yè)效益和環(huán)境保護(hù)效果。除塵管道系統(tǒng)負(fù)責(zé)將含塵氣體從產(chǎn)生源輸送到處理設(shè)備，其性能影響除塵系統(tǒng)的運(yùn)行效果。除塵管道系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，常面臨的振動(dòng)問(wèn)題源于多方面。為有效控制除塵管道系統(tǒng)的振動(dòng)，可通過(guò)改進(jìn)機(jī)械設(shè)備、優(yōu)化管道布局、采用減振材料等措施，來(lái)達(dá)到減振或消振的目的。但實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)除塵管道系統(tǒng)的振動(dòng)控制仍存在不足，對(duì)管道系統(tǒng)振動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)不夠深入，缺乏理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，開(kāi)展基于有限元的除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)控制及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，以有效控制除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)。

1 除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)除塵管道系統(tǒng)管道布局不合理導(dǎo)致的振動(dòng)問(wèn)題，一是采用長(zhǎng)半徑彎頭，如1.5D或2D彎頭。相較于短半徑彎頭，長(zhǎng)半徑彎頭能提供更平滑的氣流過(guò)渡，減少渦流和壓降。同時(shí)，盡量減少?gòu)濐^數(shù)量，尤其注意控制高風(fēng)速區(qū)域的彎頭數(shù)量。當(dāng)無(wú)法避免使用彎頭時(shí)，合理安排其位置，避免急轉(zhuǎn)彎和連續(xù)轉(zhuǎn)彎，以減少氣流阻力，并在彎頭前后設(shè)置適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡段，使氣流能夠平穩(wěn)過(guò)渡，減少紊流和能量損失，如圖１所示。

二是采用漸變式變徑管段，以減少氣流在變徑處的沖擊和渦流，漸變長(zhǎng)度取管徑差的3～5倍。根據(jù)氣流速度和管道壓力損失要求，確定變徑位置，在需要增大風(fēng)量處安裝漸擴(kuò)管，在需要減小風(fēng)量處安裝漸縮管。

三是在除塵管道外部提供支撐，并在支撐點(diǎn)設(shè)置減振墊或減振器，以減弱管道振動(dòng)對(duì)周圍設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)的影響。對(duì)于振動(dòng)較大的管道段，采用柔性連接件或設(shè)置振動(dòng)隔離裝置。支撐類型采用固定支架，支撐間距根據(jù)管道材質(zhì)、直徑、壁厚及允許跨距計(jì)算確定，確保管道在自身質(zhì)量及風(fēng)載作用下不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大變形或振動(dòng)。除塵管道支撐間距的計(jì)算公式為

（1）

式中：H為除塵管道支撐間距；ε為管道材質(zhì)系數(shù)，管道為塑料材質(zhì)時(shí)取值為1.25，管道為金屬材質(zhì)時(shí)取值為1.55；e為除塵管道直徑；u為除塵管道壁厚；

K為允許跨距[1]。

四是流體的流動(dòng)特性易導(dǎo)致除塵管道振動(dòng)，需保持穩(wěn)定以控制振動(dòng)。實(shí)踐中，樓板開(kāi)孔讓管道深入倉(cāng)下排風(fēng)，在管道上增設(shè)手動(dòng)閥門(mén)，按需隨時(shí)調(diào)整風(fēng)量[2]。為增強(qiáng)管道中流體穩(wěn)定性，將除塵管道直徑擴(kuò)大至1 400 mm，并增設(shè)一根相同規(guī)格的管道，增大管道流量，控制除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)。

五是優(yōu)化改造傳統(tǒng)的風(fēng)道布局。將進(jìn)出風(fēng)風(fēng)道置于系統(tǒng)的中心區(qū)域，并通過(guò)斜隔板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上下分隔，明確區(qū)分出風(fēng)風(fēng)道與進(jìn)風(fēng)風(fēng)道，降低進(jìn)出風(fēng)量對(duì)管道系統(tǒng)的擾動(dòng)[3]。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，對(duì)除塵管道系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，控制除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)發(fā)生。

2 基于有限元的除塵管道系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

2.1 單元類型與材料參數(shù)設(shè)置

采用有限元分析方法構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)后的除塵管道系統(tǒng)仿真模型，考慮到除塵管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且受力復(fù)雜，故選擇六面體單元類型中的ID=1（常應(yīng)力單元），并合理設(shè)置系統(tǒng)材料參數(shù)，如表1所示。

在有限元軟件中將除塵管道分為上直線段、彎曲段和下直線段，管道上直線段長(zhǎng)度設(shè)置為1 000 mm，下直線段長(zhǎng)度設(shè)置為1 000 mm，彎曲段曲率直徑比為0.55，彎曲段流入口截面處極角設(shè)置為0°，出口截面處極角設(shè)置為0°[4]。

2.2 網(wǎng)格劃分

除塵管道系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)屬于比較復(fù)雜的三維湍流場(chǎng)，因此利用有限元前處理軟件對(duì)構(gòu)建的物理模型劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格設(shè)置為3×3。網(wǎng)格劃分完畢后設(shè)定邊界條件，進(jìn)口邊界條件采用速度進(jìn)口方式，并假定進(jìn)口斷面的氣流分布是均勻的，以模擬工程實(shí)踐中常見(jiàn)的均勻來(lái)流情況。速度進(jìn)口邊界條件具體定義為垂直于進(jìn)口斷面方向上的速度分布。出口邊界條件則選擇壓力出口，以模擬實(shí)際中氣體從除塵管道系統(tǒng)中流出管道時(shí)的壓力狀態(tài)[5]。在出口處設(shè)置靜壓（相對(duì)壓力）作為邊界條件，以模擬系統(tǒng)內(nèi)部的壓力分布及其對(duì)氣流流動(dòng)特性的影響。

對(duì)于固體壁面，采用無(wú)滑移壁面邊界條件，即壁面與流體間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，忽略壁面熱傳導(dǎo)，假定壁面熱流為0，不參與熱交換。通過(guò)流場(chǎng)值外插，模擬壁面附近壓力分布。粉塵粒子近壁時(shí)速度漸減至0，最終被壁面（極板）收集。

2.3 有限元模型構(gòu)建

為開(kāi)展除塵管道系統(tǒng)中氣流流動(dòng)特性的研究，基于黏性不可壓縮流體動(dòng)力學(xué)，構(gòu)建有限元模型并嵌入數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值模擬（Direct NumericalSimulation，DNS）或大渦模擬（Large Eddy Simulation，

LES）捕捉流場(chǎng)技術(shù)，捕捉流場(chǎng)微小波動(dòng)與瞬態(tài)行為，揭示其內(nèi)在流動(dòng)機(jī)制。構(gòu)建的除塵管道系統(tǒng)有限元模型（Finite Element Model，F(xiàn)EM）如圖2所示。

進(jìn)一步采用雷諾時(shí)均化N-S方程框架，結(jié)合湍流模型進(jìn)行封閉處理，簡(jiǎn)化復(fù)雜湍流脈動(dòng)，僅關(guān)注其時(shí)均效應(yīng)。將N-S方程應(yīng)用于除塵管道中，作為描述流體質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒的偏微分方程組。經(jīng)時(shí)均化后，結(jié)合湍流模型估算雷諾應(yīng)力，形成完整的除塵管道系統(tǒng)有限元仿真模型，有效模擬系統(tǒng)運(yùn)行邏輯，公式為

（2）

式中：ρ為除塵管道內(nèi)流體密度；λ為耗散率；

t為時(shí)間；k為湍流渦黏系數(shù)；v為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；x為方向矢量；μ為速度矢量；σ為湍動(dòng)能；G為由浮力所引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；V為應(yīng)力源項(xiàng)；Y為可壓縮湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；S為自定義源項(xiàng)。

3 除塵管道系統(tǒng)振級(jí)落差分析

在利用FEM模擬分析除塵管道系統(tǒng)的振級(jí)落差時(shí)，需要關(guān)注系統(tǒng)在不同位置或頻率下的振動(dòng)響應(yīng)。除塵管道系統(tǒng)有限元模型設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，模擬管道的不同位置，得到各節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)加速度響應(yīng)。已知振動(dòng)位移（隨時(shí)間變化的位移），通過(guò)兩次微分來(lái)計(jì)算加速度，公式為

（3）

式中：a（t）為除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)加速度；d1、d2分別為兩次振動(dòng)位移；t為時(shí)間。

基于振動(dòng)加速度的有效值，計(jì)算除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)級(jí)，公式為

（4）

式中：L為除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)級(jí)；a（t）*為參考振動(dòng)加速度；M為振動(dòng)級(jí)的強(qiáng)度。

基于兩個(gè)位置（或兩個(gè)頻率）的振動(dòng)級(jí)之差，計(jì)算除塵管道系統(tǒng)振級(jí)落差，公式為

?L=L1-L2（5）

式中：?L為系統(tǒng)振級(jí)落差；L1、L2分別為系統(tǒng)上兩個(gè)位置的振動(dòng)級(jí)。

按照除塵管道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，布設(shè)8個(gè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)不同點(diǎn)的振級(jí)落差，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，優(yōu)化后的除塵管道系統(tǒng)振級(jí)落差明顯低于優(yōu)化設(shè)計(jì)前，除塵管道系統(tǒng)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)已不明顯，說(shuō)明采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法控制系統(tǒng)振動(dòng)效果良好。

4 結(jié)論

通過(guò)減少?gòu)濐^數(shù)量和位置、設(shè)計(jì)過(guò)渡段、保持除塵管道中流體穩(wěn)定以及改良風(fēng)道布局，控制除塵管道系統(tǒng)振動(dòng)發(fā)生，并利用有限元分析方法，構(gòu)建仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)管道系統(tǒng)振級(jí)落差的精確模擬與預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法控制系統(tǒng)振動(dòng)效果良好。然而，除塵管道系統(tǒng)的振動(dòng)控制及優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的過(guò)程。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保要求的提高，需要引入新方法來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

1 吳海濤.水輪發(fā)電機(jī)組滑環(huán)智能監(jiān)測(cè)與除塵系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2024

（5）：158-160.

2 丁厚成，許婉萍，鄧權(quán)龍，等.基于CFD-DPM的空氣幕協(xié)同排風(fēng)罩增效除塵研究[J/OL].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1-11[2024-08-27].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/34.1254.N.20240809.1140.002.html.

3 姜志勇.火力發(fā)電廠電除塵輸灰系統(tǒng)節(jié)能改造應(yīng)用與測(cè)試分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2024（6）：10-14.

4 馬旭東，李 昕，董奇奪.滾壓線縱梁切割工序下抽風(fēng)除塵工藝設(shè)備試驗(yàn)與改進(jìn)[J].金屬加工（冷加工），2024（5）：37-40.

5 習(xí) 蘭.一種基于S數(shù)的除塵管網(wǎng)調(diào)節(jié)計(jì)算方法[J].冶金能源，2023（5）：25-27.