離心式引風(fēng)機(jī)氣流吹灰的數(shù)值模擬

田松峰,李 瀅,周 玉

（華北電力大學(xué),河北 保定 071003）

離心式引風(fēng)機(jī)在工作過(guò)程中,氣體中裹挾的粉塵在外力的作用下,在一定條件下粘結(jié)在葉片表面。當(dāng)粘結(jié)量累積到一定程度時(shí),結(jié)塊在振動(dòng)、沖擊下發(fā)生脫落,從而使風(fēng)機(jī)出現(xiàn)瞬間質(zhì)量不平衡。由于不平衡的存在,風(fēng)機(jī)將發(fā)生振動(dòng),可直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)清灰,造成生產(chǎn)停滯和效益損失。應(yīng)采取必要措施減少粘灰,延長(zhǎng)清灰間隔時(shí)間,使風(fēng)機(jī)在惡劣的環(huán)境下工作時(shí),能保證較高的效率和安全系數(shù)。鑒于以上諸多因素,研究離心式引風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣固兩相流動(dòng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

圖1 Y 4-73型離心式引風(fēng)機(jī)實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

1 風(fēng)機(jī)的幾何建模

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）進(jìn)行數(shù)值模擬是了解流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)狀況的重要手段,運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)葉輪磨損的預(yù)測(cè)也是風(fēng)機(jī)磨損研究的發(fā)展趨勢(shì)。

1.1 風(fēng)機(jī)實(shí)體模型參數(shù)

采用較為常見(jiàn)的Y4-73型離心式引風(fēng)機(jī)進(jìn)行模型建模,Y4-73型離心式引風(fēng)機(jī)的葉輪由12片后傾機(jī)翼斜切的葉片焊接在錐弧形的前盤(pán)與平板形的后盤(pán)中間。其收斂、流線形的進(jìn)風(fēng)口制成整體結(jié)構(gòu),用螺栓固定在風(fēng)機(jī)入口側(cè)。引風(fēng)機(jī)的具體數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.2 風(fēng)機(jī)建模及網(wǎng)格劃分

對(duì)離心風(fēng)機(jī)建模,一種是分別對(duì)離心風(fēng)機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)風(fēng)口、葉輪及蝸殼進(jìn)行建模,另一種是對(duì)包括進(jìn)風(fēng)口、葉輪及蝸殼在內(nèi)的整個(gè)風(fēng)機(jī)建立全實(shí)體模型。由于本文只需構(gòu)建風(fēng)機(jī)的二維簡(jiǎn)化模型,因此采用第一種方法對(duì)風(fēng)機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。

應(yīng)用Fluent軟件的前處理模塊Gambit畫(huà)出風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型。葉片采用簡(jiǎn)化的翼型葉片,并分別對(duì)蝸殼曲線、葉輪出口圓、各個(gè)葉片、葉輪進(jìn)口圓建立面,之后采用布爾分割法將風(fēng)機(jī)分為蝸殼區(qū)域和葉輪區(qū)域2個(gè)區(qū)域。同時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)風(fēng)機(jī)的蝸殼和葉輪分別劃分風(fēng)格,由于結(jié)構(gòu)和流動(dòng)復(fù)雜性不同,則兩部分的網(wǎng)格尺寸也不同。對(duì)于葉輪區(qū)域,由于受到強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)作用,其流場(chǎng)情況非常復(fù)雜,同時(shí)葉片結(jié)構(gòu)也復(fù)雜,存在小尺寸結(jié)構(gòu)。因此該區(qū)域中,網(wǎng)格尺寸要盡可能小。但受到計(jì)算機(jī)性能限制和可能出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格的影響,網(wǎng)格尺寸也不能過(guò)小[3]（見(jiàn)圖2）。

圖2 風(fēng)機(jī)網(wǎng)格

2 兩相流數(shù)值模擬

2.1 基本方程和物理模型

RNG k-ε模型包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)及帶有分離的流動(dòng),能夠有效應(yīng)用于不同類型的紊流流動(dòng)。因此在離心式引風(fēng)機(jī)內(nèi)的氣相模擬中采用RNG k-ε模型[4]。

在拉格朗日坐標(biāo)系中,顆粒軌道模型可以在充分考慮顆粒與流體間相互作用的前提下,模擬出復(fù)雜經(jīng)歷的顆粒相軌跡,同時(shí)也節(jié)省了計(jì)算存儲(chǔ)量。故選用此模型計(jì)算離心式引風(fēng)機(jī)內(nèi)固態(tài)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡[5]。

顆粒相連續(xù)方程：

式中 nk——顆粒數(shù)密度;

mk——顆粒平均質(zhì)量,kg;

vkn——顆粒流速垂直于流管斷面的分量, m/s;

τrk——弛豫時(shí)間,s;

Fk,Mi——Magnus力,N;

μe——有效粘性系數(shù),kg/（m?s）;

σY——常數(shù);

Ys——s組分質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

2.2 模擬過(guò)程和結(jié)果分析

采用SIMPLE算法對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬。根據(jù)不可壓縮流的特點(diǎn)定義速度進(jìn)口和流量出口,壁面函數(shù)選取無(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[6]。

風(fēng)機(jī)進(jìn)口處的速度進(jìn)口邊界條件默認(rèn)為均勻速度進(jìn)口。速度由流量及進(jìn)口面積換算為3.7m/s。葉片選擇移動(dòng)壁面,葉輪出口為interface,蝸殼出口選擇流量邊界條件,葉輪內(nèi)的流體選擇Moving Reference Frame,其它邊界為默認(rèn)的壁面邊界。計(jì)算得到氣相的速度分布狀況如圖3所示,并由此分析造成顆粒沉積的原因[7]。

根據(jù)圖3中的風(fēng)機(jī)速度分布,氣流進(jìn)入旋轉(zhuǎn)葉片時(shí)速度較小,產(chǎn)生垂直于葉片表面的相對(duì)速度。在風(fēng)機(jī)葉輪靠近葉輪外緣處的速度很大,使氣流高速進(jìn)入蝸殼,且逐漸減速流出蝸殼[8]。

待非定常流動(dòng)收斂后,采用離散相模型對(duì)加入的顆粒進(jìn)行數(shù)值模擬,并作如下假設(shè)[9]：流體在流動(dòng)過(guò)程中不可壓縮;假定固體顆粒是具有相同直徑、均勻密度的球體;當(dāng)固體粒子占體積的比例小于5‰時(shí),認(rèn)為粒子的存在對(duì)氣流參數(shù)的影響很小;忽略粒子間的相互作用;粒子在氣流中受到的力主要是氣體的粘滯阻力,相比之下其余力可以忽略不計(jì);氣固兩相具有相同的溫度場(chǎng);不考慮固相與壁面的摩擦力。

表1中初始坐標(biāo)和速度的設(shè)定表示顆粒隨氣相運(yùn)動(dòng)。根據(jù)之前的模擬時(shí)間選擇合適的start time和stop time,之后進(jìn)行初始化和迭代計(jì)算。

圖4顯示了顆粒在葉輪通道內(nèi)的分布情況,顆粒主要在葉片的非工作面上沉積,固體顆粒從風(fēng)機(jī)入口進(jìn)入葉輪通道,首先是一小部分顆粒與葉片前緣相撞。這部分顆粒和葉片前緣相撞后反彈,而后一部分與吸力面發(fā)生碰撞,然后進(jìn)入葉輪通道,被氣流裹著甩出葉輪。顆粒在粘性力和離心力的作用下前進(jìn)一段距離后,再次和葉片表面發(fā)生碰撞,這次碰撞發(fā)生在葉片壓力面的后緣區(qū)域。在這兩個(gè)區(qū)域和葉片發(fā)生碰撞的顆粒,具有一定的粘性,可粘附在流動(dòng)邊界層內(nèi)造成沉積[10]。

表1 顆粒邊界條件及參數(shù)設(shè)置

圖4 顆粒分布狀態(tài)

3 氣流吹灰

3.1 理論分析

若要清除葉輪上的積灰,射流的流體應(yīng)滿足2個(gè)條件：一是直接作用于積灰處,二是具有一定的動(dòng)量,以便對(duì)積灰產(chǎn)生一定的作用力。葉輪上積灰的清掃常用噴水吹灰和噴氣吹灰2種方法。噴水過(guò)程中存在沿程損失和局部阻力損失,為了滿足噴水速度,必須提高噴水壓力,需增大提升水壓所需的能量,同時(shí)噴水量增加使得風(fēng)機(jī)殼上排水孔無(wú)法滿足及時(shí)排水的要求,經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪浸泡于水中的現(xiàn)象,使噴水清灰失去意義[11]。

對(duì)于噴氣吹灰,由工程熱力學(xué)基本原理可知,當(dāng)噴氣速度最大時(shí)：

式中 p01——噴嘴出口處氣體壓力,Pa;

k——?dú)怏w常數(shù)。

由式（3）得p01=0.2 MPa。又因

式中 R——?dú)怏w常數(shù),對(duì)氣體R=287 J/（kg?K）;

T——?dú)怏w的絕對(duì)溫度,K。

對(duì)于常溫下的氣體,由式（5）可得噴嘴出口處氣體的極限速度為542m/s。

3.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

考慮到實(shí)際情況和投資需要,采用較易得到的氣流速度,加入引風(fēng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行氣流吹掃。由于灰粒主要沉積于葉片前緣和后緣部位,為保證較好的吹掃效果并防止振動(dòng),在對(duì)稱位置加裝噴嘴。同時(shí)選取不同的氣流噴射速度,通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證其對(duì)顆粒吹掃的能力。

綜合分析圖4、圖5,在未加吹掃氣流前,顆粒隨氣流發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)進(jìn)入葉輪通道,由于受風(fēng)機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的影響,與葉片前緣發(fā)生碰撞、沉積。隨著吹掃氣流的加入,在高速氣流吹掃下,顆粒受氣流垂直于葉片表面的相對(duì)速度的影響減弱,從而減少顆粒與葉片前緣部分的碰磨。且由于顆粒的速度較大,大部分顆粒可直接隨氣流流出葉輪通道而進(jìn)入蝸殼空間,減少了在葉片出口處的沉積。

對(duì)比圖5～圖7可知,吹掃氣流的速度越大, Fluent通過(guò)迭代得到吹掃效果的次數(shù)越少,達(dá)到較好吹掃效果的時(shí)間越短。顆粒速度隨氣流速度的增大而增大,顆粒的速度越大,葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)其影響越小,從而降低顆粒與葉輪撞擊的幾率,減少固體顆粒在葉片上的沉積。同時(shí)高速氣流也能在一定程度上改善風(fēng)機(jī)內(nèi)的流場(chǎng),對(duì)吹掃效果有積極的作用。

圖5 顆粒沉積狀況

4 結(jié)論

a.葉片上顆粒的沉積、碰撞、磨損是由風(fēng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的復(fù)雜性決定的,特別是邊界層分離和回流的作用,蝸殼的不對(duì)稱性也有一定作用。改善風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性能在一定程度上減少顆粒的沉積。

b.采用氣流吹掃方法,高速氣流直接作用于沉積的顆粒,快速、有效。在條件允許的情況下提高氣流吹掃速度,吹掃效果更好。

c.由于模型和參數(shù)的簡(jiǎn)化,本文還有很多不完善的地方有待加強(qiáng)。如可以建立更精確的模型,采用更精確的算法。在后續(xù)的工作中,可以改變噴嘴的數(shù)量、位置,并與吹掃速度的改變相結(jié)合,得到最優(yōu)的吹掃方案。

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