離心式引風機氣流吹灰的數值模擬

2011-04-21 02:30:00田松峰

東北電力技術 2011年2期

田松峰,李瀅,周玉

（華北電力大學,河北保定 071003）

離心式引風機在工作過程中,氣體中裹挾的粉塵在外力的作用下,在一定條件下粘結在葉片表面。當粘結量累積到一定程度時,結塊在振動、沖擊下發生脫落,從而使風機出現瞬間質量不平衡。由于不平衡的存在,風機將發生振動,可直接導致風機停機清灰,造成生產停滯和效益損失。應采取必要措施減少粘灰,延長清灰間隔時間,使風機在惡劣的環境下工作時,能保證較高的效率和安全系數。鑒于以上諸多因素,研究離心式引風機內部的氣固兩相流動具有重要的現實意義[1-2]。

圖1 Y 4-73型離心式引風機實體結構圖

1 風機的幾何建模

利用計算流體動力學（CFD）進行數值模擬是了解流體機械內部流動狀況的重要手段,運用數值模擬技術實現葉輪磨損的預測也是風機磨損研究的發展趨勢。

1.1 風機實體模型參數

采用較為常見的Y4-73型離心式引風機進行模型建模,Y4-73型離心式引風機的葉輪由12片后傾機翼斜切的葉片焊接在錐弧形的前盤與平板形的后盤中間。其收斂、流線形的進風口制成整體結構,用螺栓固定在風機入口側。引風機的具體數據如圖1所示。

1.2 風機建模及網格劃分

對離心風機建模,一種是分別對離心風機的各個部件進風口、葉輪及蝸殼進行建模,另一種是對包括進風口、葉輪及蝸殼在內的整個風機建立全實體模型。由于本文只需構建風機的二維簡化模型,因此采用第一種方法對風機各個部件進行簡化建模。

應用Fluent軟件的前處理模塊Gambit畫出風機的空氣動力學模型。葉片采用簡化的翼型葉片,并分別對蝸殼曲線、葉輪出口圓、各個葉片、葉輪進口圓建立面,之后采用布爾分割法將風機分為蝸殼區域和葉輪區域2個區域。同時采用非結構化網格對風機的蝸殼和葉輪分別劃分風格,由于結構和流動復雜性不同,則兩部分的網格尺寸也不同。對于葉輪區域,由于受到強烈旋轉作用,其流場情況非常復雜,同時葉片結構也復雜,存在小尺寸結構。因此該區域中,網格尺寸要盡可能小。但受到計算機性能限制和可能出現負網格的影響,網格尺寸也不能過小[3]（見圖2）。

圖2 風機網格

2 兩相流數值模擬

2.1 基本方程和物理模型

RNG k-ε模型包括旋轉均勻剪切流、射流和混合流的自由流動、管道內流動、邊界層流動及帶有分離的流動,能夠有效應用于不同類型的紊流流動。因此在離心式引風機內的氣相模擬中采用RNG k-ε模型[4]。

在拉格朗日坐標系中,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,模擬出復雜經歷的顆粒相軌跡,同時也節省了計算存儲量。故選用此模型計算離心式引風機內固態顆粒運動軌跡[5]。

顆粒相連續方程：

式中 nk——顆粒數密度;

mk——顆粒平均質量,kg;

vkn——顆粒流速垂直于流管斷面的分量, m/s;

τrk——弛豫時間,s;

Fk,Mi——Magnus力,N;

μe——有效粘性系數,kg/（m?s）;

σY——常數;

Ys——s組分質量分數,%。

2.2 模擬過程和結果分析

采用SIMPLE算法對風機內流場進行非定常流動的數值模擬。根據不可壓縮流的特點定義速度進口和流量出口,壁面函數選取無滑移標準壁面函數[6]。

風機進口處的速度進口邊界條件默認為均勻速度進口。速度由流量及進口面積換算為3.7m/s。葉片選擇移動壁面,葉輪出口為interface,蝸殼出口選擇流量邊界條件,葉輪內的流體選擇Moving Reference Frame,其它邊界為默認的壁面邊界。計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]。

根據圖3中的風機速度分布,氣流進入旋轉葉片時速度較小,產生垂直于葉片表面的相對速度。在風機葉輪靠近葉輪外緣處的速度很大,使氣流高速進入蝸殼,且逐漸減速流出蝸殼[8]。

待非定常流動收斂后,采用離散相模型對加入的顆粒進行數值模擬,并作如下假設[9]：流體在流動過程中不可壓縮;假定固體顆粒是具有相同直徑、均勻密度的球體;當固體粒子占體積的比例小于5‰時,認為粒子的存在對氣流參數的影響很小;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;氣固兩相具有相同的溫度場;不考慮固相與壁面的摩擦力。

表1中初始坐標和速度的設定表示顆粒隨氣相運動。根據之前的模擬時間選擇合適的start time和stop time,之后進行初始化和迭代計算。

圖4顯示了顆粒在葉輪通道內的分布情況,顆粒主要在葉片的非工作面上沉積,固體顆粒從風機入口進入葉輪通道,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生碰撞,然后進入葉輪通道,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一段距離后,再次和葉片表面發生碰撞,這次碰撞發生在葉片壓力面的后緣區域。在這兩個區域和葉片發生碰撞的顆粒,具有一定的粘性,可粘附在流動邊界層內造成沉積[10]。

表1 顆粒邊界條件及參數設置

圖4 顆粒分布狀態

3 氣流吹灰

3.1 理論分析

若要清除葉輪上的積灰,射流的流體應滿足2個條件：一是直接作用于積灰處,二是具有一定的動量,以便對積灰產生一定的作用力。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,同時噴水量增加使得風機殼上排水孔無法滿足及時排水的要求,經常出現風機葉輪浸泡于水中的現象,使噴水清灰失去意義[11]。

對于噴氣吹灰,由工程熱力學基本原理可知,當噴氣速度最大時：

式中 p01——噴嘴出口處氣體壓力,Pa;

k——氣體常數。

由式（3）得p01=0.2 MPa。又因

式中 R——氣體常數,對氣體R=287 J/（kg?K）;

T——氣體的絕對溫度,K。

對于常溫下的氣體,由式（5）可得噴嘴出口處氣體的極限速度為542m/s。

3.2 數值模擬及結果分析

考慮到實際情況和投資需要,采用較易得到的氣流速度,加入引風機內進行氣流吹掃。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,在對稱位置加裝噴嘴。同時選取不同的氣流噴射速度,通過數值模擬驗證其對顆粒吹掃的能力。

綜合分析圖4、圖5,在未加吹掃氣流前,顆粒隨氣流發生90°偏轉進入葉輪通道,由于受風機內旋轉流場的影響,與葉片前緣發生碰撞、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?？芍苯与S氣流流出葉輪通道而進入蝸殼空間,減少了在葉片出口處的沉積。

對比圖5～圖7可知,吹掃氣流的速度越大, Fluent通過迭代得到吹掃效果的次數越少,達到較好吹掃效果的時間越短。顆粒速度隨氣流速度的增大而增大,顆粒的速度越大,葉輪旋轉對其影響越小,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。同時高速氣流也能在一定程度上改善風機內的流場,對吹掃效果有積極的作用。