V形導流傘對大型球罐熱處理溫度場的影響研究*

吉 方 鄧貴德 梁海峰 段滋華

(1.太原理工大學；2.中國特種設備檢測研究院)

V形導流傘對大型球罐熱處理溫度場的影響研究*

吉 方*1鄧貴德2梁海峰1段滋華1

(1.太原理工大學；2.中國特種設備檢測研究院)

用內燃法熱處理大型球罐時，為了減小球罐上下的溫差，在球罐內部加入一個V形導流傘，改變球罐內流場分布，使熱空氣對球罐加熱更均勻。采用數值模擬的方法，研究了V形導流傘夾角的角度和導流傘的位置對球罐內部流場和壁面溫度的影響。結果表明，在距下人孔1/3球罐直徑處安裝夾角為120°的V形導流傘時，球罐壁面最大溫差最小，球罐壁面溫度最均勻。

球罐 熱處理 V形導流傘 Fluent 溫度場

目前國內大型球罐廣泛采用內部燃燒法來消除焊接殘余應力，即在球罐下人孔處插入燃燒器，對球罐進行加熱，使其達到熱處理工藝要求的溫度范圍[1]。在大型球罐內燃法熱處理過程中，經常會出現球罐上部壁溫明顯高于下部壁溫的現象，導致球罐熱處理結果不滿足工藝要求。行業內根據實踐經驗，采用在球罐內部安裝V形導流傘改變球壁內部流場，達到減少球罐上下溫差的目的[2]。但實際操作中，V形導流傘的夾角大小以及熱處理時導流傘放置的位置各不相同，沒有統一的標準。國內相關研究很少，筆者采用數值模擬方法[3]，運用計算流體力學軟件Fluent，研究了5種不同夾角導流傘和3種不同安裝位置對大型球罐內燃熱處理內部流場和溫度場的影響。

1 數值分析

以直徑26.8m的10 000m3球罐為例，如圖1所示在球罐直徑上、下位置處分別設置直徑0.45m，伸出長度0.5m的人孔，在距下人孔L處安裝直徑為4.46m，厚度為20mm的V形導流傘，在下人孔處，插入EK-9100燃燒器(燃料選用0號輕柴油)對球罐進行加熱，最終達到對球罐熱處理的目的[2]。燃燒器的結構簡化成一個噴油嘴和一個空氣入口，如圖2所示。

圖1 10 000m3球罐熱處理工藝布置示意圖

圖2 燃燒器結構簡化示意圖

選用ANSYS Fluent數值計算軟件，對球罐熱處理保溫階段進行數值模擬。分析研究5種不同夾角(80、100、120、140、160°)的V 形導流傘和3種不同導流傘安裝位置(距下人孔1/3D、1/2D、2/3D)時，球罐內部流場分布和壁面溫度場。

2 物理數學模型

大型球罐采用內燃法熱處理時，其中涉及到的物理化學過程主要包括霧化柴油的燃燒，空氣的流動以及空氣-球罐壁面的傳熱等，這些過程均滿足質量守恒、動量守恒、組分守恒和能量守恒方程。在Fluent軟件中選用合適的模型對其進行數值模擬[4～6]。湍流模型選用標準k-ε模型，燃料和空氣從不同進口進入球罐下人孔處，燃燒模型選用非預混燃燒模型，0號柴油的射入和霧化的過程選用離散相模型。

2.1 湍流模型

球罐熱處理時，被加熱的熱空氣在球罐內部的流動采用標準k-ε模型[3～5，7～9]。標準k-ε模型是一個半經驗公式，主要是基于湍流動能和擴散率。k方程是一個精確方程，ε方程是一個由經驗公式導出的方程。k-ε模型假定流場完全是湍流，分子之間的粘性可以忽略。湍流能量方程和能量耗散運輸方程如下：

Gk-Yk+Sk

(1)

(2)

式中C1ε、C2ε、C3ε——常數，分別為1.45、1.92、1.3；

Gk——由層流速度梯度而產生的湍流動能；

Gb——由浮力產生的湍流動能；

Yk——由于在可壓縮湍流中過渡的擴散產生的波動；

Sk、Sε——廣義源項[4～6,10]；

σk、σε——k方程和ε方程的湍流Prandtl數為0.9。

2.2 燃燒模型

柴油和空氣分別由兩個入口進入，故采用非預混燃燒模型[8，9，11～14]。根據預測的混合分數分布推導出每一個組分的濃度，對非預混模型做了一定簡化假設。流體的瞬時熱化學狀態與一個守恒量，即混合分數f相關，f可根據原子質量分數表示為：

(3)

其中，Zi表示元素i的元素質量分數。下標ox表示氧化劑流入口處的值，fuel表示燃料流入口處的值。如果所有組分的擴散系數相等，式(3)對所有元素都是相同且混合分數定義是唯一的。因此，f就是來源于燃料流的元素質量分數。在相同擴散率的假設下，組分方程可被簡化為一個單一的關于混合組分f的方程。由于刪去了組分方程中的反應源項，因此f是一個守恒量。平均(時間平均)混合分數方程為：

(4)

源項Sm僅指質量由液體燃料滴或反應顆粒傳入氣相中，Suser為任何用戶定義源項[4～6,10]。

2.3 離散相模型

燃燒器燃燒過程涉及柴油霧化以及霧滴和空氣之間的動量、質量、能量的傳遞。目前有兩種數值計算方法處理多相流：歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法。筆者選用Fluent軟件中的歐拉-拉格朗日方法的離散相模型[10，13，14]。顆粒軌跡通過顆粒作用力平衡方程來求解：

(5)

式中dp——顆粒直徑；

FX——其他作用力[6,10]；

Re——相對雷諾數；

u——流體相速度；

up——顆粒速度；

μ——流體粘度；

ρ——流體密度；

ρp——顆粒密度。

3 計算方法

模型為軸對稱模型，為了簡化計算，建立1/2模型即可。采用四面體為主體的方式進行網格劃分，共計126 640個節點，126 315個網格單元。

球罐、人孔壁和噴嘴壁的材料為金屬材料，材料和介質參數見表1。

表1 材料和介質參數

筆者針對球罐熱處理保溫階段進行數值計算。保溫階段可以近似看作穩態過程，穩態計算方法基于壓力速度耦合求解器求解，選用SIMPLE算法，采用一階精度迎風差分格式。先計算空氣單獨進入球罐的流場分布，再創建輕柴油噴射源，模擬燃燒過程，計算球罐內部的溫度場分布。

下人孔空氣入口邊界條件：速度邊界，空氣流速為12.6m/s，湍流強度為5%，湍流水力直徑為0.45m，空氣溫度為268.15K。

上人孔為出口邊界條件：載荷邊界，表壓為0MPa。

球罐壁面厚度為36mm，選用對流傳熱方式，外界環境溫度為268.15K，對流傳熱系數為0.05W/(m2K)。

噴油嘴為離散相入口，輕柴油蒸發溫度341K，耗油量設為42g/s，根據elco燃燒器工作手冊，工作壓力為3MPa。

4 計算結果及分析

4.1 導流傘安裝位置的影響

分別對導流傘安裝在距下人孔1/3D、1/2D、2/3D處時的球罐熱處理保溫階段進行數值模擬，如圖3所示。球罐內部流場如圖4所示。球罐的最高壁溫、最低壁溫和最大溫差見表2。

圖3 球罐壁溫曲線

圖4 球罐內部流場

表2 導流傘不同安裝位置壁溫 ℃

從圖3和表2可知，加入V形導流傘后，球罐壁面溫度最大溫差減小；導流傘安裝位置L=1/3D時，球罐壁面溫度最大溫差最小。由圖4可見，加入V形導流傘后，球罐內部流場分布產生了變化，從一側一個漩渦變為兩個，當L=1/3D時，漩渦的分界線最接近赤道。結合圖3、4可以看出，球罐壁面溫度的最高點在漩渦分界線附近。

4.2 V形導流傘夾角角度的影響

分別對放置在距人孔1/3D處的5種不同夾角的導流傘進行數值模擬，如圖5所示。球罐的最高壁溫、最低壁溫和最大溫差見表3，球罐內部流場如圖6所示。從圖5和表3可知，導流傘夾角α=120°時，球罐壁面溫度最大溫差最小。從圖6中可以看出，導流傘夾角α=120°時，漩渦的分界線最接近赤道。結合圖5、6可以看出，球罐壁面溫度的最高點在漩渦分界線附近。

圖5 球罐壁溫曲線

導流傘夾角無80°100°120°140°160°最高壁溫/°C623.7624.5625.2626.0626.8627.3最低壁溫/°C574.2588.1590.7591.9590.9590.4最大溫差/°C49.536.334.534.135.936.9

5 結論

5.1大型球罐內燃法熱處理時，加入V形導流傘可以改變球罐內部流場，減少球罐壁面溫度最大溫差。球罐壁溫的最高點在漩渦分界線附近，壁面溫度的最低點在球罐上下與人孔相接處。

5.2大型球罐內燃法熱處理時，V形導流傘安裝的最佳位置是在距下人孔1/3球罐直徑處，V形導流傘的最佳夾角角度為120°。這時球罐壁面最大溫差最小，球罐溫度最均勻，與工程應用的實際狀況基本相符。

圖6 球罐內部流場

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EffectofV-typeDiversionUmbrellaonHeatTreatmentTemperatureFieldinLargeSphericalTank

JI Fang1, DENG Gui-de2, LIANG Hai-feng1, DUAN Zi-hua1

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.ChinaSpecialEquipmentInspectionInstitute,Beijing100010,China)

In order to reduce the difference between high and low wall temperatures of the spherical tank when having the internal combustion heat treatment applied there, a V-type diversion umbrella was adopted in the spherical tank to change its internal flow field distribution so that spherical tank’s wall can be heated more evenly by hot air. Numerical simulation based on Fluent software was carried out to investigate the V-diversion umbrella’s effect on both internal flow field and wall temperatures of this spherical tank. The results show that installing V-type diversion umbrella at an included angle of 120°at the site 1/3 of the diameter to spherical tank’s bottom manhole can make tank wall’s temperature difference minimum and the wall temperature most uniform.

spherical tank, heat treatment, V-type diversion umbrella, Fluent, temperature field

TQ054

A

0254-6094(2016)01-0059-05

*國家公益性行業(質檢)科研專項資助項目(201410028)。

**吉 方，男，1990年12月生，碩士研究生。山西省太原市，030024。

2015-03-12，

2015-04-13)