管式换热器
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锅炉烟气绕换热器管道的直接数值模拟点击：1719 日期：[ 2014-04-26 22:00:23 ] |
| 锅炉烟气绕换热器管道的直接数值模拟 居 芳 (中能电力科技开发有限公司,北京 100034) 摘要:采用直接数值模拟方法对含尘烟气经过受热面管道 的气相场和颗粒场进行了数值计算,讨论了管壁后涡结构的 脱落,同时分析了灰粒与受热面管壁的碰撞与磨损问题。认 为随雷诺数的增加,漩涡脱落频率也随之增加,并得出二维 流场向三维转捩的临界雷诺数为170~180。得出灰粒尺寸 是影响碰撞频率和磨损率的一个主要因素,随粒径的增大, 灰粒与壁面的碰撞频率呈指数增长。颗粒的冲击角度在20° 左右颗粒对壁面的冲蚀率最大。 关键词:灰粒;受热面管壁;直接数值模拟;碰撞频率;磨 损率 0 引 言 多相流动在能源工程中的应用十分广泛,如燃 料在锅炉内的燃烧和烟气流动,煤粉制备、分离与 管道运输等。但同时也出现很多问题,如:固体颗 粒物料在管道运输过程中,含尘烟气冲刷对流受热面管束对壁面冲击产生磨损。近年来,为了低污染 燃烧高灰份劣质煤,已经开始了一些新型的燃烧设 备和燃烧技术的开发及基础研究,其中重要的一个 问题就是固体颗粒对换热器管壁的碰撞和冲击腐蚀 问题。据有关文献报导,在分析锅炉对流受热面管 束失效的问题中,发现有1/3是由于冲蚀磨损所造 成的。因此,了解气固两相流体对管道壁面的碰 撞、磨损机理,对减轻磨损,提高设备的抗磨性具 有十分重要的意义。 当固体颗粒冲击到材料表面上时,将引起材料 表面物质的损失。冲蚀磨损与很多因素有关,包括 气相流体的雷诺数、颗粒的粒径、冲击角度、材料 性质以及形状、被冲击材料性质等。 目前,国内外的许多学者对气固两相流中颗粒 与壁面的碰撞与磨损问题进行了研究。Finnie (1960)用Sic质点高速冲击到Al2O3表面,得出 冲蚀率和冲击角度曲线,认为塑性材料的最大磨损 发生在冲击角度20°~30°之间,而脆性材料的磨损 在冲击角度为90°最大。Tabakoff等(1979)认为 煤灰粒子对各种锅炉钢的冲蚀均表现为对塑性材料 的特性。Yeung(1979)在稀相流动中发现,Emax∝ WnZl(W为两相流速,Zl为固体颗粒与气体的质量 百分比),即最大磨损量与两相流动速度和浓度有 关。Mason和Smith(1972)认为粒子质量,颗粒 与壁面的机械和物理特性,弯管曲率和弯曲方向等 也是影响磨损量的因素。 本文采用直接数值模拟方法,首先对管壁后漩 涡脱落频率进行数值计算,分析了管壁后颗粒运动 轨迹,并讨论了烟气中颗粒对换热器管壁的碰撞频 率和冲蚀率。 1 数值方法 本文研究的是不可压缩理想气体,假设流体的 物性参数在时间和空间上均为常数,同时忽略了重 力影响。无量纲的质量守恒方程、动量守恒方程和 压力Poisson方程,表示如下: Tabakoff在试验煤灰粒子对各种锅炉钢的冲蚀 试验中作了大量的研究,提出计算灰粒碰撞前后速 度公式和壁面磨损经验公式为 2·1 漩涡脱落频率 作用在流场中管道的压力在管壁前缘位置最 高,称之为“驻点压力”。由于管壁两侧的涡结构 是交替生成的,故其两侧对流体的阻力并不相同, 并存在一个周期性的变化。在某一瞬时,阻力较大 的一侧,流体速度较慢,静压较高;而阻力较小的 一侧,流体速度较大,静压较低。因而在阻力较大 的一侧,产生了一个垂直于流动方向的升力,见图 1中(a)所示。而当一侧漩涡逸散后,在另一侧产 生新的漩涡,方向完全相反,于是又会产生一个垂 直于流向但方向相反的升力,见图1中(b)所示。 由于作用在柱体上的升力交替地改变,所以管道会 在流体流向相垂直的方向上产生振动。而这种管壁 上的振动频率与漩涡的脱落频率有关。实验证据 指出,当流体的分离频率与管道的固有频率同步 时,管道的振动对分离机理具有强烈的有机效应。 当漩涡分离频率与管道的固有频率一致时,将会 导致管道产生共振。在工业上,将导致管束的破坏。 图2为三维流场中涡脱落频率随雷诺数的变 化曲线。从图中可以看出,在雷诺数为140~260 时,漩涡脱落频率大致保持在0·18与0·22之间。 并且,在雷诺数在140~180之间,随着雷诺数的 增大,漩涡的脱落频率也随之增大。当雷诺数继 续升高,尾迹变得更加不稳定,尾流拟序涡结构 受到越来越明显的三维非线性作用,三维运动特征 也愈加表现出来。这种流体的二维运动向三维运动 转捩的临界雷诺数区域中,相比二维运动,由于受 到转捩过程的影响,漩涡的脱落频率有个突然的降 低过程,而后又逐渐增加。本文通过计算,得出尾 迹由二维向三维运动转捩的临界雷诺数为170~ 180。这个结果与Williamson(1988b,1989)的实 验所确定的临界雷诺数为180左右的结果相当接 近。 2·2 颗粒运动轨迹 图3表示不同Stokes数的颗粒在近壁区域运 动特性的速度矢量图。Stokes为0·01颗粒由于具 有较小的空气动力学响应时间和惯性,故颗粒进入 边界层,还没有到达壁面时,就已经充分响应了流 体的变化,并绕过管壁向下游发展。但由于管道后 侧存在两个对称的尾涡,在尾涡的卷吸作用,小颗 粒在绕过管道后,大部分颗粒被卷吸进入管道后侧 的尾涡,并逐渐沉积。对于较大Stokes数的颗粒, 颗粒具有较大的空气动力学响应时间,在流场中的 运动状态主要受自身的惯性力控制,受湍流的影响 较小,响应平均流动变化较慢,在到达管壁前,直 接穿过壁面边界层,并与管壁前侧发生碰撞。 2·3 颗粒与壁面的碰撞与磨损 本文采用非弹性碰撞模型壁面磨损量经验公 式,进行壁面磨损量的计算,并讨论了颗粒粒径、 冲击角度等因素对碰撞频率和磨损量的影响。假定 颗粒为均匀球体,忽略了颗粒-颗粒间碰撞,但考 虑了颗粒-壁面间的碰撞。碰撞过程中忽略颗粒的 旋转和静电力。每次喷入颗粒数目为450个,流场 的统计时间为8tc。计算工况如表1所示。 图4表示的为不同粒径(Stokes数)的颗粒对 壁面碰撞频率的影响。随颗粒粒径(Stokes数)的 增大,颗粒与壁面的碰撞频率呈指数增长,并且颗 粒粒径在20~100μm(Stokes数为7~177)之间, 碰撞频率增长的较快。随着颗粒粒径的增大,大于 200μm的粒子几乎全部与壁面进行碰撞,而较小直 径的颗粒(dp<20μm,Stokes数小于7),则几乎 全部绕过壁面,随流体向下游运动。 图5为不同粒径颗粒的冲击角度对管壁冲蚀率 的影响。从图中可以看出,在相同冲击角的情况下,颗粒的粒径越大,对管壁的磨损越强烈。颗粒 在冲击角为0°~20°左右,颗粒对壁面的磨损急剧增 大,在20°左右达到最大磨损量时,随着角度的增 大,磨损量开始下降,产生这种现象的原因是管壁 和颗粒之间存在着摩擦,使得壁面的磨损量最大。 3 结 论 在计算高精度流场的基础上,本文首先对管壁 后漩涡脱落频率进行模拟,认为雷诺数在140~ 180之间,漩涡脱落频率随雷诺数的增大而增大 但由于受到三维转捩过程的影响,漩涡的脱落频率 有个突然的降低过程,而后又逐渐增加。得出尾迹 由二维向三维运动转捩的临界雷诺数为170~180。 在颗粒与管壁的非弹性碰撞过程中,首先计算 了颗粒的粒径对圆柱碰撞频率的影响,认为随颗粒 粒径的增大,颗粒与壁面的碰撞频率呈指数增长。 通过计算管壁的磨损率,得出颗粒的冲击角度在 20°左右颗粒对壁面的冲蚀率最大。 |
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