基于CFD的烟风弯曲管内湍流流动的数值模拟_张鑫.pdf

工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.2023在热煤炉加热体系中，烟风系统主要包括鼓风机、引风机、空气预热器、烟囱等。冷空气由鼓风机送入到空气预热器进行预热，出空气预热器的热空气，与烟气先混合后进入到燃烧器并进入炉膛。炉膛内产生的烟气经过空气换热器换热后，一部分回流进入热风管，剩下一部分的烟气通过烟囱的抽力排入大气。鼓风机的主要作用是克服空气在空气预热器、燃烧器、热煤炉等设备的系统阻力，而引风机的主要作用是克服烟气在空气预热器、燃烧器以及热煤炉等设备的系统阻力。空气预热器排出的烟气一部分回流且与出空气预热器的热空气进行混合，从而降低氧气的浓度，进而降低氧化物的排放。烟风系统的作用是将燃料经燃烧器燃烧后所产生的热烟气流经各个受热面进行热传递后连续并及时地排至大气或者将部分烟气回流以降低氮氧化物的排放，且维持锅炉的正常运行。燃料在燃烧器燃烧需大量空气（助燃）且燃料在燃烧过程会排放大量烟气，空气的运输及烟气的排放目前常借用于管道。相比于液体在管道运动，气体运动更具不规则性及剧烈性，故烟风在管道内的流动更为复杂。相比于燃烧系统，烟风系统管道的管径要远大于燃烧系统。关于管道内流体流动特点的现有研究，直管段内流体流动和压降计算已有大量文献报道1，流动特性和理论体系已基本建立。而结合工厂的实际布局我们知道，烟风系统的管道由于空间的限制以及空间的有效利用，在实际布局过程中不可避免地会出现拐弯情况，弯管的应用可以有效提高空间利用率。但是，相比于直管，弯管内流体流动特性更为复杂。弯管根据其弯折程度，常用分为45和90等弯管，其中，90弯管由于其空间利用率最高，使用最为广泛，收稿日期：2022-03-29作者简介：张鑫（1993），男，工程师，主要从事热媒炉总体工艺方面工作.基于CFD的烟风弯曲管内湍流流动的数值模拟张鑫，杨刚，汪志强，李冰，张惠丽（北京航天石化技术装备工程有限公司，北京100176）摘要：运用Fluent软件对烟风90弯曲管的内部流场进行了三维数值模拟研究。探讨了R/d（1、1.5和2）以及管道截面形状（方形、圆形和正六边形）对弯曲管内部流场流动特性的影响。通过分析内部流场的压力分布、速度矢量、流动轨迹、管道冲击力和弯头损失等表征流动特性参数的变化规律，研究了流体流动特性的变化规律。关键词：弯曲管；k-模型；流动特点；数值模拟中图分类号：TK229.6；O357.5文献标识码：A文章编号：1001-6988（2023）01-0006-06Numerical Simulation of Turbulent Flow in Smokeand Air Curved Pipes Based on CFDZHANG Xin,YANG Gang,WANG Zhiqiang,LI Bing,ZHANG Huili（Beijing Aerospace Petrochemical Technology&Equipment Engineering Co.Ltd.,Beijing 100176,China）Abstract:A three-dimensional numerical simulation of the internal flow field of a 90 curved pipe forflue gas was studied using Fluent software.The effects of R/d(1,1.5 and 2)and the shape of the duct cross-section(square,circular and square hexagonal)on the flow characteristics of the internal flow field of thecurved pipe are investigated.By analyzing the change rule of flow characteristic parameters such aspressure distribution,velocity vector,flow path,pipe impact force and elbow loss of internal flow field,thechange rule of fluid flow characteristic is studied.Key words:curved tube;k-model;flow characteristics;numerical simulation6工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月故本文主要针对90弯管进行讨论。根据横截面形状的差异，90弯管可分为90方形弯管、90圆形弯管和90正六边形弯管等。其中，关于90方形弯管管内流动的研究中，马皓晨等2通过探针技术、LDV和PIV对90方形弯管（曲率半径与直径之比等于2）内的流场特性进行了相关的实验研究，得到了轴向截面的速度分布、矢量分布以及雷诺应力分布等，并对弯曲段壁面的压力分布进行了计算。樊洪明等3和梁德旺等4分别采用LES和k-模型对90方形弯管内的流动特性进行了数值模拟，与实验结果基本吻合，表明LES和k-模型皆适用于弯管的流动特性模拟。在90圆形弯管的数值模拟研究报道中，龚斌等5以90圆形弯管为研究对象，以水为介质对管内流场采用4种模型进行数值模拟，在Re=13 00060 000条件下，大涡模拟模型在弯管区的速度和压力降与实验值相吻合。贺益英等6对90圆形弯管进行了局部阻力系数的实验研究，讨论了影响弯管局部阻力系数的诸多因素并分析了影响规律，得出局部阻力系数在远低于沿程摩擦阻力系数“阻力平方区”的雷诺数时趋于恒定值。湛含辉等7模拟了90圆形弯管内的迪恩涡，当流体处在层流区时，沿流动方向截面上的峰值速度和峰值全压变化较小，涡核位于半截面中心；当流体处在过渡区时，流动方向截面上的峰值全压呈递减趋势，峰值速度在060截面上递减，在90截面上突增，并且涡核开始出现外扩；当流体处在湍流区时，流动方向截面上的峰值全压显著递减，涡核位置明显外扩。丁珏等8采用Navier-Stokes方程，对90圆形弯曲管道内湍流流动特性进行了数值模拟。研究了来流方向对流场结构和流动特性的影响，得出来流方向与弯管流场中的分离现象有关，随着来流侧滑角的增大，分离现象越明显（分离区范围增大）。此外，随着来流从同一侧滑角变换至同一攻角时，横截面的二次流图像表明两个对称主涡变成只一个主涡的现象。江山等9采用Fluent软件以及运用k-湍流模型对90大曲率圆形弯管内流体流动特性进行了三维数值模拟，通过将数值模拟结果与相关文献的实验结果进行对比，发现吻合良好，表明k-湍流模型对具有二次流的湍流流动具有较好的模拟。谢振华等10分析了90圆形弯管内气固两相流流场的分布规律，研究发现弯管内不加装导流板时流场分布不均匀，而加装导流板时流场分布均匀，说明导流板的加装具有均匀流场的作用，为管道磨损和积灰问题的解决提供了一种行之有效的方法。在此基础上通过模拟分析得到了在弯管内加装导流板的最佳条件。而关于90正六边形弯管管内流动的研究目前尚无报道。综上所述，90弯曲管内部流场特性的研究是研究热点之一，目前关于曲率半径R和弯曲管直径d的比值对流动特性的影响研究较少，并且截面形状（圆形、方形和正六边形）对流动特性的影响尚不清晰。因此，本文通过Fluent模拟，以天鼎丰项目中冷风圆截面管道作为研究对象，研究烟风系统中90弯曲管中不同R/d和横截面形状对流动特性的影响。1数值模拟与求解1.1模型描述空气先进入直管段，之后进入弯管段，从弯管段出来后再进入一段直管段。由于管道横截面积比较大，故流动可看作是湍流。1.2主控方程建立一套三维控制方程，包括连续性方程、动量守恒方程，见式（1）式（4）。湍流方程采用标准k-模型，且标准k-模型中湍动动能k和耗散率对应的输运方程见式（5）式（7）。鄣鄣t+div（u）=0（1）鄣（u）鄣t+div（uu）=div（gradu）-鄣p鄣x+Su（2）鄣（v）鄣t+div（vu）=div（gradv）-鄣p鄣y+Sv（3）鄣（w）鄣t+div（wu）=div（gradw）-鄣p鄣z+Sw（4）鄣（k）鄣t+鄣（kui）鄣xi=鄣鄣xj+tk鄣鄣鄣k鄣xj鄣鄣+Gk+Gb-Ym+Sk（5）鄣（）鄣t+鄣（ui）鄣xi=鄣鄣xj+t鄣鄣鄣鄣xj鄣鄣+G1k（Gk+C3Gb）-G22k+S（6）t=Ck2（7）式中：为密度，kg/m3；t为时间，s；u、v、w为在x、y、z三个方向上的速度矢量，m/s；Su、Sv、Sw为动量守恒方程三个方向上的源项，N/m3；Gk为由于速度梯度引起的湍能7动能k的产生项，模型常数C1、C2、C3、k及的取值分别为1.44、1.92、0.09、1.0及1.3。1.3几何结构及边界条件几何构型见图1，弯曲管直径d=820 mm，曲率半径R=820 mm，入口采用速度入口，速度v=20 m/s，出口为自由出流，壁面为不通透的壁面。边界条件如下：入口处：u=U0；v=0出口处：鄣C鄣Z=0壁面处：u=0；v=01.4模型设置通过使用商业Fluent软件的有限体积差分方法计算耦合微分控制方程。其中，求解器采用三维双精度求解器，选择压力基求解器，时间采用稳态计算。模型选择湍流k-模型，求解方法选用Simple压力速度耦合算法，压力选用标准算法，动量方程选用二阶迎风格式，k-选用一阶迎风格式。1.5网格无关性验证采用结构化网格，且靠近边界处做五层边界层网格。通过模拟不同的网格间距和出口总压的关系来验证网格无关性。由图2可知，相比于网格间距为18 mm，网格间距为15 mm的误差为0.126%，表明网格的大小对出口压力没有影响。为了减少计算量，网格间距选用18 mm。2结果与讨论2.1弯曲管速度分布Z=0的速度云图如图3所示。由于没有受到弯曲管弯头的影响，在弯曲管入口段截面上的速度均匀（颜色均匀）。在靠近壁面处颜色变蓝是由于边界层的影响，降低了流体的流速，图4的径向速度分布也验证了此结论。当流体流动到弯管处其流动速度发生变化。其中，管道外侧的速度逐渐变小，管道内侧速度逐渐增大。与此同时，流体流动方向也发生了变化，从图5的弯头截面速度矢量图中表明，流体除了轴向流动以外，还出现了环向流动，二次流的产生说明了管道方向产生了横向切应力，而且二次流的产生会促进内侧流体穿过横截面中心向外侧流动。当流体流动到弯管的尾部时，靠近管壁内壁的流体速度降低，由于流动方向的急剧变化，内侧流体能量损耗严重，在相邻流体的带动下，速度逐渐增加。从图6的速度矢量图可以表明，在内侧流体能量损耗严重处出现了回流，增加了流动损失。2.2弯管压力分布从图7的压力分布可以看到，直管段的压力分布图1几何结构示意图3 000 mm820 mmRyx2 000 mmd图2网格无关性验证示意图网格间距/mm300280260240220200151617181920出口总压/Pa图3速度云图（Z=0 mm）图4径向速度分布图（Z=0 mm，Y=-1 000 mm处）2520151050-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4位置/m速度/ms-1试验研究：基于 CFD 的烟风弯曲管内湍流流动的数值模拟8工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月比较均匀，在弯头处，内侧压力较小，外侧压力较大，压力从弯头外侧向内侧逐渐减小，并且在内侧出现了负压区域，这说明了流体在运动过程中产生了离心力，使得内侧速度大于外侧速度。由于压差作用（弯头外侧压力大于内侧压力），外侧流体流向内侧，内侧流体流向外侧，形成了弯头内的二次流。从图8的质点轨迹分布表明，在弯头内侧出现了分离的现象，流动轨迹变化明显，在直管段出口截面上，流动轨迹趋于稳定，但是还没有完全达到轴对称分布，从而表明弯头内的二次流对直管段出口处流体流动的影响还没有完全消除。2.3弯曲管R/d对流动的影响为了研究曲率半径R和弯曲管直径d比值对流体流动的影响，本文对比研究了R/d=1、1.5和2三种情况。从三种情况的速度云图（见图9）可以表明，当R/d大于等于1.5时，在弯头内侧出现的蓝色回流消失，这说明了R/d的增加会减弱弯头内二次流的程度。在实际管道设计和生产的过程中，流体对管道内壁的冲击具有重要的影响，因此本文比较了曲率半径R和弯曲管直径d比值对管道内壁的冲击力，结果见图10。R/d=1对X向和Y向管道内壁的冲击力分别为699N和742 N；R/d=1.5对X向和Y向管道内壁的冲击力分别为496 N和531 N；R/d=2对X向和Y向管道内壁的冲击力分别为468 N和502 N。可以看出，R/d的增大可以降低流体对管道内壁（X向和Y向）的冲击力。相比于R/d=1，R/d=1.5在X向冲击力降低了29%，Y向降低了28%。而相比于R/d=1.5，R/d=2在X向冲击力降低了6%，Y向降低了5%。这表明了R/d1.5时，增加R/d对降低管道内壁冲击力的效果较弱。该结果也表明，在实际应用中，若需调整R/d以减小管道内壁的冲击力，综合来看需在R/d1.5范围内进行调整优化。在此基础上，研究了三种曲率半径R和弯曲管直径d比值对压力分布的影响（见图11）。三种情况在弯头内侧都出现了负压，压力从弯头外侧向内侧逐渐（a）0（b）45（c）90图5弯头截面速度矢量图图6速度矢量图（Z=0 mm）图7压力分布云图（Z=0mm）图8流体质点轨迹图（Z=0 mm）9减小，同时压力分布更加的均匀，表明速度分布更加的均匀，二次流的程度降低。为了研究三种情况对管道弯头压损的影响，模拟了三种情况的压降，结果见图12。R/d=1、1.5及2对应的弯头压损分别为50 Pa、18 Pa及16 Pa。R/d从1到1.5，弯头损失降低了64%；R/d从1.5到2，弯头损失降低了11%。2.4管道横截面形状对二次流的影响为了研究管道横截面形状对二次流的影响，在当量直径都相同以及R/d=1的前提下，比较了圆形、正方形、正六边形三种不同管道横截面形状对二次流的影响，见图13图15。从图13的速度分布图中可以看出，方形截面和正六边形截面都没有出现圆形截面弯头内侧的回流，并且正六边形截面的速度分布更加均匀，表明正六边形的二次流程度相对于圆形和方形截面最弱。为了衡量三者二次流的程度，通过湍动动能k来表征二次流的大小（如图14所示），圆形截面的湍动动能最大值为45.6 m2/s2，平均值为8.73 m2/s2，方形截面的湍动动能最大值为10.8 m2/s2，平均值为6.27 m2/s2，正六边形截面的湍动动能最大值为7.6 m2/s2，平均值（a）R/d=1（b）R/d=1.5（c）R/d=2图9速度分布云图图11R/d对压力分布的影响图（a）R/d=1（b）R/d=1.5（c）R/d=270060050040030020010001.01.21.41.61.82.0R/dX方向作用力/N（a）R/d对X方向作用力的影响（b）R/d对Y方向作用力的影响图10R/d对管道内壁冲击力的影响图1.01.21.41.61.82.0R/d7006005004003002001000Y向作用力/N试验研究：基于 CFD 的烟风弯曲管内湍流流动的数值模拟10工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月图12R/d对弯头压损的影响图为4.72 m2/s2。表明正六边形截面的湍动动能最小，导致正六边形二次流程度最弱。并且圆形截面弯头入口y=0处的湍动动能为0.27 m2/s2，弯头出口x=0处为3.30 m2/s2。方形截面弯头入口y=0处的湍动动能为0.56 m2/s2，弯头出口x=0处为2.02 m2/s2。正六边形截面弯头入口y=0处的湍动动能为0.56 m2/s2，弯头出口x=0处为1.96 m2/s2。圆形、方形和正六边形三种截面形状的弯头损失分别50 Pa、20 Pa和17 Pa，且三种截面对X向的管壁冲击力分别为689 N、765 N和719 N，（a）圆形截面（b）方形截面（c）正六边形截面图13截面形状对速度分布（Z=0 mm）的影响图（a）圆形截面（b）方形截面（c）正六边形截面图14截面形状对湍动动能的影响图（a）圆形截面（b）方形截面（c）正六边形截面图15截面形状对压力分布的影响图504030201001.01.52.0R/d弯头损失/Pa（下转第15页）11工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月对Y向的管壁冲击力分别为765 N、818 N和742 N，表明正六边形截面形状要优于方形截面和圆形截面。通过压力分布结果（见图15）可知，正六边形截面出现的负压区域最小，表明弯头离心力影响力最小，进一步说明了正六边形截面形状要优于方形截面和圆形截面。3结论（1）流体在弯曲管处的流体速度沿管道外侧到内侧方向逐渐变大，在弯头尾部产生了二次流，在管道内侧出现了回流。（2）弯曲管内外两侧的压力由外向内逐渐减小，在弯曲管的内侧出现了负压，且在弯头内侧出现了分离现象，流动轨迹变化明显，在直管段出口截面上流动轨迹趋于稳定。（3）曲率半径R和弯曲管直径d比值在1、1.5和2范围内，随着R/d增加，二次流的程度减弱。通过对管壁冲击力和弯头压损分析表明，R/d=1.5至R/d=2变化远小于R/d=1至R/d=1.5。（4）通过速度分布、湍动动能和弯头损失比较了圆形、方形、正六边形三种截面形状对流动的影响，得出正六边形截面形状要优于方形截面和圆形截面。参考文献：1徐英，魏靖，刘刚，等.水平直管中气液两相分层流动压降的实验研究J.天然气工业，2015，35（2）：92-99.2马皓晨，代翠，董亮，等.90方形弯管内部流场PIV试验J.水利水电科技进展，2013，33（5）：31-34.3樊洪明，何钟怡，王小华.弯曲管段内流动的大涡模拟J.水动力学研究与进展：A辑，2001，16（1）：78-83.4梁德旺，王国庆，吕兵.低速高湍流度90弯管流动数值模拟J.南京航空航天大学学报，2000，32（4）：381-387.5龚斌，刘喜兴，杨帅，等.90圆形截面弯管内流动的大涡模拟J.过程工程学报，2013，13（5）：760-765.6贺益英，赵懿珺，孙淑卿，等.弯管局部阻力系数的试验研究J.水利学报，2003，34（11）:54-58.7湛含辉，朱辉，陈津端，等.90弯管内二次流（迪恩涡）的数值模拟J.锅炉技术，2010，41（4）:1-5.8丁珏，翁培奋.90弯管内流动的理论模型及流动特性的数值研究J.计算力学学报，2004，21（3）：314-321，329.9江山，张京伟，吴崇健，等.基于FLUENT的90圆形弯管内部流场分析J.中国舰船研究，2008，3（1）:37-41.10谢振华，周艳荣.90方截面弯管内加装导流板的优化研究J.应用基础与工程科学学报，2009，17（4）：566-572.图7反应区与烟道连接处烟气的速度矢量场图3总结本文对侧吹熔炼炉的内部多相流场进行仿真，获得了一些出炉内无法直接测量或观测到的许多特性，如：界面波动、熔体流动状态、烟气流场等。通过多相流的仿真结果分析，可以比较直观地获得熔渣喷溅高度、烟气流速、工艺风吹透深度和冲刷部位等参数数据，并进一步地为侧吹熔炼炉的结构及工艺优化提供理论支撑。参考文献：1黄文华，刘涛.侧吹炉的应用现状和发展前景J.铜业工程，2017（3）：54-59.2VALENCIA 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