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      鍋爐煙氣繞換熱器管道的直接數值模擬

      點擊:1460 日期:[ 2014-04-26 22:00:23 ]
                                    鍋爐煙氣繞換熱器管道的直接數值模擬                                             居 芳                               (中能電力科技開發有限公司,北京 100034)     摘要:采用直接數值模擬方法對含塵煙氣經過受熱面管道 的氣相場和顆粒場進行了數值計算,討論了管壁后渦結構的 脫落,同時分析了灰粒與受熱面管壁的碰撞與磨損問題。認 為隨雷諾數的增加,漩渦脫落頻率也隨之增加,并得出二維 流場向三維轉捩的臨界雷諾數為170~180。得出灰粒尺寸 是影響碰撞頻率和磨損率的一個主要因素,隨粒徑的增大, 灰粒與壁面的碰撞頻率呈指數增長。顆粒的沖擊角度在20° 左右顆粒對壁面的沖蝕率最大。     關鍵詞:灰粒;受熱面管壁;直接數值模擬;碰撞頻率;磨 損率     0 引 言     多相流動在能源工程中的應用十分廣泛,如燃 料在鍋爐內的燃燒和煙氣流動,煤粉制備、分離與 管道運輸等。但同時也出現很多問題,如:固體顆 粒物料在管道運輸過程中,含塵煙氣沖刷對流受熱面管束對壁面沖擊產生磨損。近年來,為了低污染 燃燒高灰份劣質煤,已經開始了一些新型的燃燒設 備和燃燒技術的開發及基礎研究,其中重要的一個 問題就是固體顆粒對換熱器管壁的碰撞和沖擊腐蝕 問題。據有關文獻報導,在分析鍋爐對流受熱面管 束失效的問題中,發現有1/3是由于沖蝕磨損所造 成的。因此,了解氣固兩相流體對管道壁面的碰 撞、磨損機理,對減輕磨損,提高設備的抗磨性具 有十分重要的意義。     當固體顆粒沖擊到材料表面上時,將引起材料 表面物質的損失。沖蝕磨損與很多因素有關,包括 氣相流體的雷諾數、顆粒的粒徑、沖擊角度、材料 性質以及形狀、被沖擊材料性質等。     目前,國內外的許多學者對氣固兩相流中顆粒 與壁面的碰撞與磨損問題進行了研究。Finnie (1960)用Sic質點高速沖擊到Al2O3表面,得出 沖蝕率和沖擊角度曲線,認為塑性材料的最大磨損 發生在沖擊角度20°~30°之間,而脆性材料的磨損 在沖擊角度為90°最大。Tabakoff等(1979)認為 煤灰粒子對各種鍋爐鋼的沖蝕均表現為對塑性材料 的特性。Yeung(1979)在稀相流動中發現,Emax∝ WnZl(W為兩相流速,Zl為固體顆粒與氣體的質量 百分比),即最大磨損量與兩相流動速度和濃度有 關。Mason和Smith(1972)認為粒子質量,顆粒 與壁面的機械和物理特性,彎管曲率和彎曲方向等 也是影響磨損量的因素。     本文采用直接數值模擬方法,首先對管壁后漩 渦脫落頻率進行數值計算,分析了管壁后顆粒運動 軌跡,并討論了煙氣中顆粒對換熱器管壁的碰撞頻 率和沖蝕率。     1 數值方法     本文研究的是不可壓縮理想氣體,假設流體的 物性參數在時間和空間上均為常數,同時忽略了重 力影響。無量綱的質量守恒方程、動量守恒方程和 壓力Poisson方程,表示如下:             Tabakoff在試驗煤灰粒子對各種鍋爐鋼的沖蝕 試驗中作了大量的研究,提出計算灰粒碰撞前后速 度公式和壁面磨損經驗公式為             2·1 漩渦脫落頻率     作用在流場中管道的壓力在管壁前緣位置最 高,稱之為“駐點壓力”。由于管壁兩側的渦結構 是交替生成的,故其兩側對流體的阻力并不相同, 并存在一個周期性的變化。在某一瞬時,阻力較大 的一側,流體速度較慢,靜壓較高;而阻力較小的 一側,流體速度較大,靜壓較低。因而在阻力較大 的一側,產生了一個垂直于流動方向的升力,見圖 1中(a)所示。而當一側漩渦逸散后,在另一側產 生新的漩渦,方向完全相反,于是又會產生一個垂 直于流向但方向相反的升力,見圖1中(b)所示。 由于作用在柱體上的升力交替地改變,所以管道會 在流體流向相垂直的方向上產生振動。而這種管壁 上的振動頻率與漩渦的脫落頻率有關。實驗證據 指出,當流體的分離頻率與管道的固有頻率同步 時,管道的振動對分離機理具有強烈的有機效應。 當漩渦分離頻率與管道的固有頻率一致時,將會 導致管道產生共振。在工業上,將導致管束的破壞。                       圖2為三維流場中渦脫落頻率隨雷諾數的變 化曲線。從圖中可以看出,在雷諾數為140~260 時,漩渦脫落頻率大致保持在0·18與0·22之間。 并且,在雷諾數在140~180之間,隨著雷諾數的 增大,漩渦的脫落頻率也隨之增大。當雷諾數繼 續升高,尾跡變得更加不穩定,尾流擬序渦結構 受到越來越明顯的三維非線性作用,三維運動特征 也愈加表現出來。這種流體的二維運動向三維運動 轉捩的臨界雷諾數區域中,相比二維運動,由于受 到轉捩過程的影響,漩渦的脫落頻率有個突然的降 低過程,而后又逐漸增加。本文通過計算,得出尾 跡由二維向三維運動轉捩的臨界雷諾數為170~ 180。這個結果與Williamson(1988b,1989)的實 驗所確定的臨界雷諾數為180左右的結果相當接 近。                       2·2 顆粒運動軌跡     圖3表示不同Stokes數的顆粒在近壁區域運 動特性的速度矢量圖。Stokes為0·01顆粒由于具 有較小的空氣動力學響應時間和慣性,故顆粒進入 邊界層,還沒有到達壁面時,就已經充分響應了流 體的變化,并繞過管壁向下游發展。但由于管道后 側存在兩個對稱的尾渦,在尾渦的卷吸作用,小顆 粒在繞過管道后,大部分顆粒被卷吸進入管道后側 的尾渦,并逐漸沉積。對于較大Stokes數的顆粒, 顆粒具有較大的空氣動力學響應時間,在流場中的 運動狀態主要受自身的慣性力控制,受湍流的影響 較小,響應平均流動變化較慢,在到達管壁前,直 接穿過壁面邊界層,并與管壁前側發生碰撞。                       2·3 顆粒與壁面的碰撞與磨損     本文采用非彈性碰撞模型壁面磨損量經驗公 式,進行壁面磨損量的計算,并討論了顆粒粒徑、 沖擊角度等因素對碰撞頻率和磨損量的影響。假定 顆粒為均勻球體,忽略了顆粒-顆粒間碰撞,但考 慮了顆粒-壁面間的碰撞。碰撞過程中忽略顆粒的 旋轉和靜電力。每次噴入顆粒數目為450個,流場 的統計時間為8tc。計算工況如表1所示。                        圖4表示的為不同粒徑(Stokes數)的顆粒對 壁面碰撞頻率的影響。隨顆粒粒徑(Stokes數)的 增大,顆粒與壁面的碰撞頻率呈指數增長,并且顆 粒粒徑在20~100μm(Stokes數為7~177)之間, 碰撞頻率增長的較快。隨著顆粒粒徑的增大,大于 200μm的粒子幾乎全部與壁面進行碰撞,而較小直 徑的顆粒(dp<20μm,Stokes數小于7),則幾乎 全部繞過壁面,隨流體向下游運動。                      圖5為不同粒徑顆粒的沖擊角度對管壁沖蝕率 的影響。從圖中可以看出,在相同沖擊角的情況下,顆粒的粒徑越大,對管壁的磨損越強烈。顆粒 在沖擊角為0°~20°左右,顆粒對壁面的磨損急劇增 大,在20°左右達到最大磨損量時,隨著角度的增 大,磨損量開始下降,產生這種現象的原因是管壁 和顆粒之間存在著摩擦,使得壁面的磨損量最大。                       3 結 論     在計算高精度流場的基礎上,本文首先對管壁 后漩渦脫落頻率進行模擬,認為雷諾數在140~ 180之間,漩渦脫落頻率隨雷諾數的增大而增大 但由于受到三維轉捩過程的影響,漩渦的脫落頻率 有個突然的降低過程,而后又逐漸增加。得出尾跡 由二維向三維運動轉捩的臨界雷諾數為170~180。     在顆粒與管壁的非彈性碰撞過程中,首先計算 了顆粒的粒徑對圓柱碰撞頻率的影響,認為隨顆粒 粒徑的增大,顆粒與壁面的碰撞頻率呈指數增長。 通過計算管壁的磨損率,得出顆粒的沖擊角度在 20°左右顆粒對壁面的沖蝕率最大。 
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