加熱爐風管的數值模擬

王一陶(上海萬方博通石油化工工程有限公司,上海200081）

加熱爐風管的數值模擬

王一陶
(上海萬方博通石油化工工程有限公司,上海200081）

摘要：為保證空氣被均勻分配到兩臺獨立的預熱器，本文對風道氣流分布進行了探討，以三維穩態湍流模型為基礎，通過數值模擬，給出了風道導流板的設置方案，得出了空氣在風道內的速度分布。

關鍵詞：導流板；氣流分布；數值模擬；加熱爐

1前言

國內某大型煉廠加熱爐，預熱器由兩臺獨立并行的模塊組成，其冷空氣入口直接與通風機相連。因場地限制，通風機和預熱器位置已固定，但必須保證空氣被平均分配到兩臺預熱器，否則會引起換熱不均，降低轉化爐熱效率。

2風道的物理模型

文中的風管是指連接通風機出口與預熱器入口的管道。研究對象空氣為牛頓流體，并假定其不可壓縮。??

邊界條件：入口：給定入口截面壓力；??

出口：對風道壓降進行理論計算，并對比以前項目實測風道壓降后確定。??

收斂條件：殘差絕對值小于10-3。??

計算方法：三維穩態湍流流動，k-ε雙方程模型。??

3數值模擬及結果分析

先對初步方案進行分析，優化后得到合理的模型，在此基礎上設置導流板，得到比較理想的實用模型。

初次模擬得知，局部區域形成漩渦，有反向氣流，增大了壓力損失，要避免這種情況，需對初步方案進行優化。對壁板進行弧形圓滑處理，并調整風道壁板角度。

優化后，消除了漩渦及反向氣流。且其速度的分布區間明顯較初步方案集中，氣流分布更加均勻。為使兩臺預熱器得到性質基本一致的兩股氣流，在風道入口至出口截面中心線間設置導流板，如圖1：

圖1設置導流板后的風道外形圖及速度矢量圖（X向）（左）

圖2設置導流板后出口截面沿Y軸方向的X向流速（右）

從圖1可以看出，此方案消除了漩渦，并且出口速度分布比較均勻。圖2中可以看到出口截面從下往上X向速度大體呈增大的趨勢，由于空氣不可壓縮，在區域D1、D2上流量Q1≠Q2，并且其差值較大。后者X向速度的絕對值呈先增大，后減小，再增大的趨勢，其拐點在導流板根部附近；截面下半部分速度均值稍小于上半部分，在將導流板由出口中心線上移0.5m后，下半部分流通面積增大，導致上、下部分流量Q1≈Q2。

將圖2中速度分布中心線的速度拐點左右兩側分別看做一條直線：f(y)=ay+b；式中a、b為常數，y為距出口截面底部的距離（橫坐標），f(y)為截面的X向速度（縱軸），f(y)也是出口截面及與其垂直截面的交線的平均值。

表1X軸向空氣速度表

左側直線：選取直線上兩點y=-17，f(y)=-2；y=-12，f(y)=-4：

右側直線：選取直線上兩點y=-9，f(y)=-2；y=-4，f(y)=-4：

左側直線為截面下部，長約8.5m；右側直線為截面上部，長約7.5m。

偏差3.6%，大體認為加入導流板后，流經區域D1、D2的空氣流量基本相等，即：Q1≈Q2。

通過模擬風管壓力，出口區域D1、D2壓力基本相等，即：P1≈P2。因此設置導流板后，出口截面氣流滿足設計要求。

4氣流均勻性評價



采用均方根值來評價氣流分布的均勻性[1]：

當σ＜0.1時，風道內氣流分布均勻性為優，且數值越小，均勻程度越好；當σ＜0.15時，風道內氣流分布均勻性為良；當σ＜0.25時，風道內氣流分布均勻性為合格；當σ＞0.25時，風道內氣流分布均勻性不合格，且數值越大，均勻程度越差。

因此，分別在初步方案（方案1）、優化但未加導流板方案（方案2）、優化后加導流板方案（方案3）的三個模型的出口截面上任取10個點，求出這10個點的速度值，進而求出σ值，見表1。

方案1、方案2的氣流分布均勻性都不合格，當設置導流板后，均勻性明顯好轉，完全滿足設計要求。

5結論

建立了空氣在風道中流動的數學模型，運用CFD技術對風道進行了數值模擬及計算求解。通過對不同方案的定性、定量分析，使風道的結構得到了優化。通過本文可以看出，布置恰當的導流板能讓氣流在風道內合理分布，以使換熱器得到期望的空氣流，保證設備的正常運行。

參考文獻：

[1]王淑勤，高香林，胡滿銀.湍球塔內氣流分布均勻性的冷態試驗研究[J].華北電力學院學報,1996.

作者簡介：王一陶(1981-)，男，碩士，工程師,主要從事:工業爐設計和研究工作。