電除塵器殼體工作過程中的流固耦合分析

張鈺陽， 王 凱， 何玉靈， 孟慶發(fā)

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.長沙凱天環(huán)保科技有限公司，湖南 長沙 410100)

電除塵器殼體工作過程中的流固耦合分析

張鈺陽1， 王 凱2， 何玉靈1， 孟慶發(fā)1

(1.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.長沙凱天環(huán)保科技有限公司，湖南 長沙 410100)

以電除塵器工作過程中的煙氣-殼體為研究對象，進行了單向流固耦合分析。建立了煙氣及除塵器殼體的三維模型，導(dǎo)入至ANSYS Workbench有限元平臺進行了流體分析，得到了殼體內(nèi)表面所受到的煙氣壓力及熱傳遞數(shù)據(jù)；對除塵器殼體進行了結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析，獲取了殼體在工作過程中煙氣沖擊作用下的變形、應(yīng)力及應(yīng)變數(shù)據(jù)。分析發(fā)現(xiàn)，殼體最大變形在煙氣進出口頂部壁板與側(cè)面壁板連接處以及側(cè)面壁板中部處，側(cè)面與頂面連接處會出現(xiàn)較大應(yīng)力值。研究結(jié)果對實際工程運行中電除塵器的預(yù)防及保護具有借鑒意義。

電除塵器； 殼體； 流固耦合； 力學(xué)響應(yīng)； ANSYS

0 引言

靜電除塵器作為一種高效、新型的環(huán)保設(shè)備，已廣泛用于電廠、水泥廠、鋼鐵廠等容易產(chǎn)生較多粉塵的工業(yè)環(huán)境[1]。隨著環(huán)境標準的不斷提高，對設(shè)備的可靠性要求也越來越嚴，對除塵器各關(guān)鍵部件工作過程中的力學(xué)性能進行分析，保證其安全穩(wěn)定工作具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對除塵器受力，結(jié)構(gòu)，運行影響因素，效率，性能及應(yīng)用等方面做了不同的研究與探討，也取得了很多的成果。在對靜電除塵器力學(xué)分析的研究方面，文獻[1]采用工程實際數(shù)據(jù)，利用有限元分析軟件ANSYS，對除塵器鋼架進行了模態(tài)分析，并根據(jù)實際工程數(shù)據(jù)進行載荷工況分析，計算出不同工況下的應(yīng)力分布和應(yīng)變情況。文獻[2]就其中的電壓控制部分提出了一種自動控制的理論與方法，該方法雖然提出時間較早，在當下早已實現(xiàn)，但對本文研究對象的探討仍具有很好的參考意義。文獻[3-7]針對除塵器的部件(主要是鋼構(gòu)部分)，采用ANSYS軟件分析除塵器鋼結(jié)構(gòu)在不同形式、不同大小載荷下的應(yīng)力及應(yīng)變情況，確定危險截面，通過計算，確定合理的安全系數(shù)。以上文獻為本文進行除塵器受力分析及計算提供了參考文獻[8]詳細概括了靜電除塵器在潔凈空氣和帶塵空氣條件下的性質(zhì)，給出了幾種不同的數(shù)學(xué)模型，并對模擬結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比。文獻[9]采用實驗與計算相結(jié)合的方法，利用有限元分析方法，分析電場對電暈電流的影響，探究電場與除塵器性能的相互影響關(guān)系，并給出了幾種電場性能較好的電極配置形式和幾何參數(shù)調(diào)整范圍。文獻[10]采用多孔介質(zhì)模型研究電除塵器電廠內(nèi)部氣流分布特性，通過調(diào)整氣流分布板不同區(qū)域開孔率分布，改變電除塵器本體結(jié)構(gòu)，計算相應(yīng)工況下除塵器內(nèi)部流場壓力速度分布，提出了最佳斜氣流優(yōu)化方案。以上文獻通過多種方法研究了靜電除塵器的影響因素和性能，而對其進行流固耦合分析的卻很少。

本文在參考以上文獻的基礎(chǔ)上，根據(jù)電除塵器在工作過程中殼體的實際受力情況，通過有限元軟件ANSYS中對其進行流固耦合分析，獲取額定工況下殼體的應(yīng)力、應(yīng)變及總體變形等力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)，找出危險位置并進行校核分析。

1 煙氣-殼體流固耦合理論分析

1.1煙氣激勵分析

除塵器殼體在工作過程中將受到煙氣沖擊及熱應(yīng)力作用。煙氣在流動過程中的力學(xué)平衡方程為[11]：

(1)

流體連續(xù)性方程為：

(2)

能量平衡方程為：

(3)

1.2殼體在煙氣作用下的響應(yīng)分析

殼體在煙氣沖擊及熱應(yīng)力作用下的力學(xué)響應(yīng)平衡方程可寫為如下形式：

(4)

式中：[M]為質(zhì)點質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；{F}為力矢量矩陣，即來自于煙氣沖擊作用于殼體的沖擊壓力及熱應(yīng)力合成矩陣；{x}為質(zhì)點位移矢量矩陣；體現(xiàn)的是殼體在煙氣沖擊和熱應(yīng)力作用下的變形位移。

2 有限元數(shù)值計算

2.1除塵器殼體三維建模及模型前處理

依次建立底梁、立柱、進出口頂梁、中間頂梁、上層頂蓋及壁板的模型。將各個零部件全部建立三維模型后，最終裝配成為殼體，如圖1所示。

在ANSYS中創(chuàng)建有限元分析類型“Fluid Flow(CFX)”和“Static Structure”，分別將三維流體模型和殼體模型導(dǎo)入，然后施加邊界條件。煙氣流速為6 m/s，溫度為140 ℃，相對壓強為1 Pa，氣體溫度設(shè)為100 ℃。殼體結(jié)構(gòu)選用鋼材為Q235，其許用應(yīng)力為215 MPa[12]，楊氏模量為210 MPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。最后，對模型進行剖分。如圖2。

圖1 殼體整體裝配模型

圖2 三維模型剖分結(jié)果

然后采用有限元通用分析軟件ANSYS進行殼體整體的力學(xué)分析，求解其力學(xué)響應(yīng)。

2.2CFX流體分析

有限元軟件求解結(jié)束后，可調(diào)取顯示流體對應(yīng)區(qū)域的壓力分布和流速分布情況。本文所對應(yīng)的除塵器殼體內(nèi)部煙氣流體表面(與殼體接觸部分)壓力分布如圖3(a)所示；流速分布如圖3(b)所示。

圖3 CFX流體分析結(jié)果

由圖3(a)可看出，煙氣的表面壓力分布其數(shù)值范圍為0.841 8至1.452 Pa，壓力在入口端較大，往出口端逐級遞減；由圖3(b)可看出，煙氣流速從入口的6 m/s向出口的5.654 m/s逐級遞減。

2.3流固耦合分析邊界及加載

得到流體表面的壓力分布數(shù)據(jù)后，需將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入至后續(xù)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊中，以求取殼體的總體變形、應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

選擇殼體與流體相接觸的面，將流體分析的溫度與壓力導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析，如圖4(a)與圖4(b)所示。

計算過程中固定殼體下方支撐柱底面，以模擬除塵器殼體的實際約束情況，如圖4(b)所示。

圖4 邊界與載荷施加

導(dǎo)入流體溫度后，殼體表面溫度為140 ℃。導(dǎo)入流體壓力后，最小壓力為0.400 33 Pa，最大壓力為17.651 Pa。

2.4流固耦合響應(yīng)結(jié)果分析

2.4.1 總體變形

單向流固耦合作用下殼體總體變形分布情況如圖5所示。由圖中可以看出，最大變形處在煙氣進出口的頂部壁板與側(cè)面壁板連接處以及側(cè)面壁板中部，最大值為0.021 191 m，這主要是由于壁板較薄，承受煙氣熱應(yīng)力導(dǎo)致的。

2.4.2 等效應(yīng)力

單向流固耦合作用下殼體等效應(yīng)力如圖6所示。由圖中可以看出，最大值為1 160.3 MPa，出現(xiàn)在底部支撐柱與地面相連接處，這實際是不合理的，此數(shù)據(jù)為一畸形數(shù)據(jù)點，出現(xiàn)這種情況的原因是底梁實際是與灰斗相連，計算過程中將其直接與地面固接，從而產(chǎn)生了不合理的應(yīng)力集中；殼體工作面域的應(yīng)力范圍介于0.199 3 MPa至129 MPa之間，側(cè)面與頂面連接處會出現(xiàn)較大應(yīng)力值。

圖6 殼體等效應(yīng)力圖

2.4.3 應(yīng)變

殼體總應(yīng)變分布如圖7(a)，從圖中可以看出，最大應(yīng)變在殼體與地面相接觸的地方，最大值為0.005 935 2，殼體外壁應(yīng)變值約為0.001 980 8。

圖7 殼體總應(yīng)變和熱應(yīng)變分布圖

殼體熱應(yīng)變分布如圖7(b)，從圖中可以看出，殼體熱應(yīng)力的分布情況，從殼體內(nèi)壁向殼體外壁逐漸減小，內(nèi)壁最大值為0.001 416，這主要是由散熱規(guī)律導(dǎo)致的，即殼體內(nèi)壁直接與高溫?zé)煔庀嘟佑|，而外壁與大氣相接，外壁受煙氣溫度影響較小，同時通過大氣直接散熱。

由圖7(b)看出，進出口底梁與頂梁的熱應(yīng)變也是最大的，這是由于這兩部份都與煙箱連接，從而受到煙箱的影響。本文由于忽略了煙箱的影響，同時也未考慮頂梁保溫材料對散熱的影響，導(dǎo)致了圖示的結(jié)果，但對本文結(jié)論影響不大。

3 結(jié)論

本文對除塵器煙氣-殼體進行了單向流固耦合分析，主要結(jié)論如下：

(1)殼體最大變形量為0.022 869 m，在煙氣進出口的頂梁棱邊處和壁板處。

(2)殼體工作面域應(yīng)力范圍為0.199 3 MPa至129 MPa，側(cè)面與頂面連接處會出現(xiàn)較大應(yīng)力值。

(3)最大應(yīng)變在殼體與地面相接觸的地方，最大應(yīng)變值為0.005 935 2。

(4)工程運行中應(yīng)適當關(guān)注煙氣進出口頂部壁板與側(cè)面壁板連接處以及側(cè)面壁板中部，此部分區(qū)域是相對而言較可能發(fā)生損壞及失效情況的區(qū)域。

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Fluid-Solid Interaction Analysis on Electric Precipitator Shell during Performance

ZHANG Yuyang1， WANG Kai2， HE Yuling1， MENG Qingfa1

(1. Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2. Changsha Kaitian Environmental Technology Co. Ltd., Changsha 410100, China)

The undirectional fluid-solid interaction of the smoke gas and electric precipitator shell under operation is analyzed in this paper. The 3D models of the smoke and precipitator shell are established firstly. Then, these models are loaded into the finite element software ANSYS for fluid calculation to obtain the stress and thermal data caused by the smoke acting on the inner surface of the precipitator shell. Finally, the mechanical structural analysis is carried out to obtain the total deformation, von-stress, and von-strain of the shell under the impact of smoke gas. It is found that the maximum deformation and stress appear at the joint position between the upper shell and the lateral shell. The research results can be used as a reference for the prevention and protection of electric precipitators in practical engineering.

electric precipitator; shell; fluid-solid interaction; mechanical response; ANSYS

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.09.010

TM621.7

A

1672-0792(2017)09-0064-05

2017-06-12。

國家自然科學(xué)基金項目(51307058)。

張鈺陽(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷。

何玉靈(1984-)，男，博士，副教授，研究方向為電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、控制與節(jié)能。