加熱爐風(fēng)管的數(shù)值模擬

王一陶(上海萬方博通石油化工工程有限公司,上海200081）

加熱爐風(fēng)管的數(shù)值模擬

王一陶
(上海萬方博通石油化工工程有限公司,上海200081）

摘要：為保證空氣被均勻分配到兩臺(tái)獨(dú)立的預(yù)熱器，本文對(duì)風(fēng)道氣流分布進(jìn)行了探討，以三維穩(wěn)態(tài)湍流模型為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬，給出了風(fēng)道導(dǎo)流板的設(shè)置方案，得出了空氣在風(fēng)道內(nèi)的速度分布。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流板；氣流分布；數(shù)值模擬；加熱爐

1前言

國內(nèi)某大型煉廠加熱爐，預(yù)熱器由兩臺(tái)獨(dú)立并行的模塊組成，其冷空氣入口直接與通風(fēng)機(jī)相連。因場地限制，通風(fēng)機(jī)和預(yù)熱器位置已固定，但必須保證空氣被平均分配到兩臺(tái)預(yù)熱器，否則會(huì)引起換熱不均，降低轉(zhuǎn)化爐熱效率。

2風(fēng)道的物理模型

文中的風(fēng)管是指連接通風(fēng)機(jī)出口與預(yù)熱器入口的管道。研究對(duì)象空氣為牛頓流體，并假定其不可壓縮。??

邊界條件：入口：給定入口截面壓力；??

出口：對(duì)風(fēng)道壓降進(jìn)行理論計(jì)算，并對(duì)比以前項(xiàng)目實(shí)測(cè)風(fēng)道壓降后確定。??

收斂條件：殘差絕對(duì)值小于10-3。??

計(jì)算方法：三維穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，k-ε雙方程模型。??

3數(shù)值模擬及結(jié)果分析

先對(duì)初步方案進(jìn)行分析，優(yōu)化后得到合理的模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)置導(dǎo)流板，得到比較理想的實(shí)用模型。

初次模擬得知，局部區(qū)域形成漩渦，有反向氣流，增大了壓力損失，要避免這種情況，需對(duì)初步方案進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)壁板進(jìn)行弧形圓滑處理，并調(diào)整風(fēng)道壁板角度。

優(yōu)化后，消除了漩渦及反向氣流。且其速度的分布區(qū)間明顯較初步方案集中，氣流分布更加均勻。為使兩臺(tái)預(yù)熱器得到性質(zhì)基本一致的兩股氣流，在風(fēng)道入口至出口截面中心線間設(shè)置導(dǎo)流板，如圖1：

圖1設(shè)置導(dǎo)流板后的風(fēng)道外形圖及速度矢量圖（X向）（左）

圖2設(shè)置導(dǎo)流板后出口截面沿Y軸方向的X向流速（右）

從圖1可以看出，此方案消除了漩渦，并且出口速度分布比較均勻。圖2中可以看到出口截面從下往上X向速度大體呈增大的趨勢(shì)，由于空氣不可壓縮，在區(qū)域D1、D2上流量Q1≠Q(mào)2，并且其差值較大。后者X向速度的絕對(duì)值呈先增大，后減小，再增大的趨勢(shì)，其拐點(diǎn)在導(dǎo)流板根部附近；截面下半部分速度均值稍小于上半部分，在將導(dǎo)流板由出口中心線上移0.5m后，下半部分流通面積增大，導(dǎo)致上、下部分流量Q1≈Q2。

將圖2中速度分布中心線的速度拐點(diǎn)左右兩側(cè)分別看做一條直線：f(y)=ay+b；式中a、b為常數(shù)，y為距出口截面底部的距離（橫坐標(biāo)），f(y)為截面的X向速度（縱軸），f(y)也是出口截面及與其垂直截面的交線的平均值。

表1X軸向空氣速度表

左側(cè)直線：選取直線上兩點(diǎn)y=-17，f(y)=-2；y=-12，f(y)=-4：

右側(cè)直線：選取直線上兩點(diǎn)y=-9，f(y)=-2；y=-4，f(y)=-4：

左側(cè)直線為截面下部，長約8.5m；右側(cè)直線為截面上部，長約7.5m。

偏差3.6%，大體認(rèn)為加入導(dǎo)流板后，流經(jīng)區(qū)域D1、D2的空氣流量基本相等，即：Q1≈Q2。

通過模擬風(fēng)管壓力，出口區(qū)域D1、D2壓力基本相等，即：P1≈P2。因此設(shè)置導(dǎo)流板后，出口截面氣流滿足設(shè)計(jì)要求。

4氣流均勻性評(píng)價(jià)



采用均方根值來評(píng)價(jià)氣流分布的均勻性[1]：

當(dāng)σ＜0.1時(shí)，風(fēng)道內(nèi)氣流分布均勻性為優(yōu)，且數(shù)值越小，均勻程度越好；當(dāng)σ＜0.15時(shí)，風(fēng)道內(nèi)氣流分布均勻性為良；當(dāng)σ＜0.25時(shí)，風(fēng)道內(nèi)氣流分布均勻性為合格；當(dāng)σ＞0.25時(shí)，風(fēng)道內(nèi)氣流分布均勻性不合格，且數(shù)值越大，均勻程度越差。

因此，分別在初步方案（方案1）、優(yōu)化但未加導(dǎo)流板方案（方案2）、優(yōu)化后加導(dǎo)流板方案（方案3）的三個(gè)模型的出口截面上任取10個(gè)點(diǎn)，求出這10個(gè)點(diǎn)的速度值，進(jìn)而求出σ值，見表1。

方案1、方案2的氣流分布均勻性都不合格，當(dāng)設(shè)置導(dǎo)流板后，均勻性明顯好轉(zhuǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

建立了空氣在風(fēng)道中流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)風(fēng)道進(jìn)行了數(shù)值模擬及計(jì)算求解。通過對(duì)不同方案的定性、定量分析，使風(fēng)道的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。通過本文可以看出，布置恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)流板能讓氣流在風(fēng)道內(nèi)合理分布，以使換熱器得到期望的空氣流，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王淑勤，高香林，胡滿銀.湍球塔內(nèi)氣流分布均勻性的冷態(tài)試驗(yàn)研究[J].華北電力學(xué)院學(xué)報(bào),1996.

作者簡介：王一陶(1981-)，男，碩士，工程師,主要從事:工業(yè)爐設(shè)計(jì)和研究工作。