高速氣流沖擊對篩板穩定性影響的數值模擬

韓 瑜，譚 蔚，王初琛，劉麗艷

（1天津大學化工學院，天津 300072；2杭州交通投資集團有限公司，浙江 杭州 310004）

在石油煉制和化工生產中，篩板塔因具有較低的加工和維修費用的優點，被廣泛應用于蒸餾、吸附、萃取等工藝。然而隨著化工設備的不斷大型化，作為傳熱、傳質的主要部件[1]，時常發現塔板被高速氣體吹翻的現象。究其原因主要是在非正常操作工況下，通過篩板的氣速過大以至于施加給塔板較大的沖擊載荷。塔板吹翻可以發生在化工生產的多個工藝流程中，設備的開停車、塔板的吹掃階段、不同操作壓力設備的聯通、設備的泄壓過程等都可能會引發塔板被吹翻[2-3]。上述過程中，閥門開啟程度過大和過快，都會導致氣流對塔板的沖擊力過大，甚至超過設計載荷而將其吹翻。

氣體以較高的速度通過開孔的篩板時，其作用在塔板上的載荷分布情況是十分復雜的，在現有的情況下很難得到其理論解。同樣，對于分布有大量開孔的篩板塔，也很難通過平板理論從理論上精確地得到其應力應變特性。近幾年興起的數值模擬方法則為研究塔板受較高氣速沖擊的穩定性提供了新的思路[4-5]。為此，本研究采用數值模擬和實驗[6-9]相結合的方法，研究了篩孔氣速、開孔率、開孔直徑對塔板穩定性的影響，以期為工業應用提供參考依據。

1 數值模型建立

1.1 理論基礎

工業生產設計中，板式塔塔盤通常被視為平板結構，利用圓平板理論對其進行應力分析。對于周邊固支的圓平板，受大小為P的均布載荷時，板內正應力遠大于切應力[10]，其中正應力的表達式如式（1）、式（2）所示。

對于某一給定的化工工藝，其具有特定的塔板結構，半徑R、厚度t和泊松比μ均為定值，塔板的應力大小與軸對稱橫向載荷P成正比。

1.2 幾何模型及流場離散

本研究采用ANSYS軟件中的流固耦合模塊對高氣速的空氣吹過塔板這一過程進行模擬，其中空氣流動的過程由ANSYS Workbench中的Fluid Flow（Fluent）模塊進行模擬，塔板的強度計算由Static Structural模塊進行模擬。模擬過程為單向流固耦合，空氣流動按照穩定流動處理，待流體部分計算結果穩定后，將耦合面的壓力作為載荷施加給塔板，最后對塔板進行強度計算。

計算的塔體結構參數為：塔徑 600 mm，塔板間距450 mm，塔的總高度為2000 mm。塔板材料選擇304 L不銹鋼，以空氣為流體介質，分析計算不同氣速、開孔率、開孔直徑對塔板結構穩定性的影響。各模擬變量的具體數值見表1。圖1是開孔率為8%的塔板及其流場域的幾何模型。從圖1可以看出塔板和流場均關于XY平面對稱，因此數值計算可以采用1/2對稱模型。

圖1 塔板及流場域幾何建模

圖2 塔板及流場域1/2對稱網格劃分

流場中靠近塔板的區域采用四面體網格進行了細化處理，其余形狀規整部位采用六面體網格劃分，具體的網格劃分情況如圖2所示。其中流體區域劃分成了2 196 329個網格，包括497 507個節點，塔板結構劃分成76 239個網格，包括395 116個節點。繼續增加網格數目，流固耦合界面處受到的載荷和塔板的等效應力都基本保持不變，認為此時已達到網格無關性。

1.3 湍流模型選擇與邊界條件

在流場模擬中，湍流方程選用k-ε模型。定義流體域下表面為速度入口，上表面為壓力出口，XY平面為對稱平面，設置重力加速度方向為Y軸負方向，大小為?9.8 m/s2。

在結構分析中，塔板邊緣處為固支的邊界條件，XY平面為對稱平面。塔板上下面的載荷從流場計算的結果中導入，最終得到塔板的等效應力分布及變形量分布。

2 實驗設計

實驗流程如圖3所示，篩板塔由有機玻璃制成，塔徑600 mm，塔板間距450 mm，塔的總高度為2000 mm。塔盤結構如圖4所示，開孔按照正三角形排布，開孔直徑取10mm，孔間距為2.5倍直徑，開孔率為8.0%。

實驗采用DH5922動態信號測試分析系統，應變適調器型號為 DH3810。實驗測試時，先將應變片沿徑向粘在塔板的4個測點處，見圖4所示；然后用導線將其與動態應變儀連接，待測試系統運行穩定后開啟鼓風機；通過調節鼓風機進氣口和旁路出氣口的閥門來調節塔內氣體的篩孔氣速。

圖3 實驗流程圖

圖4 塔盤結構圖

3 模擬結果與討論

3.1 模擬模型的驗證

表2是在篩孔氣速為50 m/s、開孔率為8.0%、開孔呈正三角形排布條件下數值模擬與實驗的對比結果。從表2可知，模擬值與實驗值的相對誤差均在10%以內，表明本研究建立的模型和模擬方法在工程應用中是可行的。

表2 模擬值與實驗值的對比

圖5是模擬得到的塔板徑向應力分布云圖。從圖5可以看出，塔板邊緣和中心區域的應力值較大，且在塔板的開孔處都有較高的應力集中現象，這在化工生產中表現為塔板邊緣及支座部位容易發生斷裂。

3.2 篩孔氣速對塔板穩定性的影響

高速氣體吹過篩板時，氣體只能由塔板上的小孔通過，此時塔板將承受較高的沖擊載荷。圖6是在篩孔氣速值分別為 25 m/s、37.5 m/s、50 m/s、62.5m/s和75 m/s條件下塔板的等效應力模擬值隨不同篩孔氣速的變化情況。從圖6可以看出，應力值隨氣體速度的增大而增大，其增長趨勢大致為二次函數，這與量綱分析得到的結果是一致的[11]。

從圖6可以看出，當篩孔氣速達到40 m/s時，塔板上等效應力的最大值超過了屈服極限，塔板發生了塑性變形。氣速進一步增加，當超過65 m/s時等效應力的最大值將超過斷裂強度，這將導致塔板邊緣處發生斷裂。

3.3 開孔率對塔板穩定性的影響

圖5 塔板徑向應力分布圖

圖6 不同篩孔氣速下塔板的最大等效應力

化工生產中，開孔率是影響篩板操作的重要因素，工業中其數值通常介于3.0%～12.0%之間。圖7是在篩孔氣速為 50 m/s、開孔率分別取 3.0%、5.5%、8.0%和10.5%條件下塔板受高速氣體沖擊時的應力曲線。從圖7可以看出，隨著開孔率的增大，塔板上應力在相應的減小，其近似為線性函數。這是由于隨著開孔率的增加，塔板承受氣體沖擊的面積在減小，且受力面積與開孔率呈線性關系。

3.4 孔徑對塔板穩定性的影響

圖7 不同開孔率下塔板的最大等效應力

圖8 不同開孔直徑下塔板的最大等效應力

孔徑的大小直接影響篩板的流體力學性能和傳質性能，孔徑的選取需要考慮的因素較多，取值范圍介于 4～14 mm，具體數值難以統一。本研究以開孔率為5.5%的塔板為對象，在篩孔氣速為50 m/s時，模擬了開孔直徑分別為6 mm、8 mm、10 mm和12 mm共4種孔徑受高速氣體沖擊時的應力分布情況，結果如圖8所示。從圖8可以看出，塔板最大應力值在開孔直徑為8 mm時達到最小，此時為本研究范圍內最優的開孔直徑。

4 結 論

采用大型商用軟件 ANSYS，對篩板塔內高速氣體沖擊塔板進行了數值模擬，并將模擬計算值與實驗值對比，建立了可靠的數值模型，為工程應用提供了一定的參考。在此基礎上，利用該數值模型研究了不同結構參數和操作參數對塔板受高速氣體沖擊時穩定性的影響，主要得出以下結論。

高速氣體吹過塔板時，塔板將承受很大的沖擊載荷，其中塔板邊緣和塔板中心為應力值較高的部位，且塔板上應力值以二次函數的形式隨著氣速的增加而增加。

在篩孔氣速確定的情況下，開孔率對塔板所受載荷有重要影響，塔板上的等效應力大小隨開孔率呈線性反比例變化。

開孔直徑的選取在化工生產中需要考慮多種因素，但存在一個最優的開孔直徑，使得在一定的開孔率下塔板的等效應力值最小。

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