鍋爐主蒸汽管道彎管內流體流動特性數值分析

李君君（山東英才學院,濟南250104）

鍋爐主蒸汽管道彎管內流體流動特性數值分析

李君君
（山東英才學院,濟南250104）

本文針對某火電廠主蒸汽管道彎管內的湍流流動以FLUENT軟件為計算平臺進行數值模擬，著重分析了彎管內壓力的分布情況，得出最危險截面上壓力分布，并擬合出壓力分布公式，為后續進行彎管應力分析的研究工作提供較為可靠的依據。

主蒸汽管道彎管；湍流流動；數值分析

0　引言

電廠的熱力系統中，鍋爐供給汽輪機蒸汽的管道，蒸汽管間的連通母管，通往用汽設備的蒸汽支管等稱為主蒸汽管道[1]。主蒸汽管道屬于壓力管道的范疇，其特點是：輸送介質流量大，參數高，用的金屬材料質量高，對發電廠運行的安全性、可靠性、經濟性影響大。由于主蒸汽管道破壞的危害巨大，對主蒸汽管道彎管開展研究工作具有十分重要的意義。

1　具體工況

本文選取某火電廠8號鍋爐主蒸汽管道彎管為研究對象，該機組的額定功率為300MW,鍋爐型號為DG640—100/540，彎管內徑277mm，壁厚為24mm，彎曲半徑為277mm，實際運行的水蒸汽參數為540℃，10MPa，額定蒸汽流量為640t/h，彎管入口處流體流速為52.82m/s。

2　彎管內流場坐標系的建立

彎管內流場建立的坐標系：沿彎管軸線方向角度變化為α，定義入口處為α=0°截面，出口處為α=90°截面。在橫截面上環向角度為β，定義彎管對稱面凹邊壁為β=0°，彎管凸邊壁為β=180°。

3　FLUENT數值模擬結果

3.1數值模擬基本假設

運用FLUENT軟件進行模擬時，由于流體的實際流動非常復雜，但為了滿足數值求解的可行性，必須對實際模型進行一定的簡化[2]。因而在分析問題的允許計算誤差范圍內，對實際模型做以下基本假設：對于水蒸汽，其密度較小，因而計算中不考慮流體重力的影響；流體流動的物理量不隨時間變化，此流動為定常流動；水蒸汽為粘性牛頓流體，即動力粘度恒定；管道內壁面光滑。

3.2FLUENT模擬結果

3.2.1彎管內流體壓力分布規律

彎管內流體壓力分布呈現出不均勻性：彎管凸面處壓力增大，形成高壓區域；凹面處壓力減小，形成低壓區，在同一軸向橫截面內沿環向產生壓力差。

3.2.2彎管壁面處流體壓力沿截面環向的分布規律

利用FLUENT軟件將各壓力值的離散值提取，繪制出圖1所示的各軸向橫截面上流體壓力隨環向角度變化的分布規律，這里只取5個典型的截面進行分析。從圖中可以看出：

（1）隨著彎管軸向角度的增大，流體的轉向作用增強，在彎管軸向角度α＞45°的截面，凹面附近流體壓力迅速減小，而凸面流體壓力升高，即沿環向壁面流體壓力梯度增大，表現為圖中壓力變化曲線斜率增大；流體進入彎管軸向角度°的截面，彎管轉向作用減弱，凹面附近流體壓力增大，凸面流體壓力降低，沿環向壁面流體壓力梯度減小，表現為圖中壓力變化曲線斜率減小。

（2）所謂危險截面是指彎管上最大流體壓力和最大壓力差所處的軸向截面位置。由模擬數據可知，最大流體壓力處于軸向α=45°截面環向位置為β=180°，為10031420Pa；最小壓力值處于軸向α=45°截面環向位置為β=0°，為9932622Pa，且最大壓力差也位于軸向α=45°截面，壓力差為98520Pa。

3.3沿彎管截面環向流體壓力分布擬合公式

從圖1中可以看出，各軸向截面上流體壓力沿截面環向角度的分布類似指數曲線，于是可令：ΔP=P-P0=(aecosβ+b)ρν2，擬合得出系數a、b的值[3]。以上分析可知：彎管軸向α=45°截面為最危險截面，由上式得出最危險截面壓力擬合公式：

Pα=45=P0+(0.4431-0.2794ecosβ)×ρν2

式中：P為彎管壁面流體壓力（Pa）；P0為工作壓力（Pa）；ρ為蒸汽密度（kg/m3）；β為截面環向角度，0o≤β≤180o；ν為彎管入口處流體流速（m/s）。

該曲線擬合公式只針對本文中的主蒸汽管道90°彎管的工況。將壓力擬合值與FLUENT模擬離散值對比，誤差絕對值不超過0.06%，因此該擬合公式用于后續彎管應力分析。

4　結論

本文以火電廠主蒸汽管道為工程背景，分析了彎管壁面的流體壓力分布規律，得到以下結論：

（1）對于90°彎管，軸向α=45°截面為最危險截面，因此，在彎管的設計計算和強度分析時，該截面位置應重點關注。

（2）給出了最危險截面上彎管內壁面流體壓力P隨彎管入口處流體流速ν和β變化的曲線擬合公式，可以為彎管強度分析和結構設計提供可靠數據。

[1]郭志成.高壓高溫蒸汽管道管理[M].北京:機械工業出版社,1975.

[2]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].清華大學出版社,2004.

[3]王正林,龔純,何倩.精通MATLAB科學計算[M].電子工業出版社,2007.