煙氣橫掠麻面管束顆粒沉積特性的數值分析

閆順林， 王皓軒

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

煙氣橫掠麻面管束顆粒沉積特性的數值分析

閆順林， 王皓軒

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

為了減輕電廠鍋爐尾道內煙氣對換熱管的磨損及積灰情況，特提出和建立了一種新型的管型——麻面管，并通過選擇適用的磨損計算和顆粒沉積模型，針對煙氣橫掠順列麻面管束進行氣固兩相流動的數值模擬，分析了煙氣物性參數和管束結構參數對顆粒沉積特性的影響，并比較了相同條件下麻面管和光管的積灰情況。結果表明:等同工況下，麻面管表面顆粒沉積率和磨損量均比光管的低；較大煙速情況下，隨著顆粒平均粒徑的增大，磨損增加幅度較大；確定了當s1/D=3.0，s2/D=1.8時，顆粒沉積率最低，為20.72%；對于一般的較小粒徑顆粒，e=0.75 mm的麻面管管束在減輕積灰上效果較其他幾種情況更好，另外，麻面管表面坑深度越大，飛灰顆粒對麻面管的磨損就越輕。

麻面管； 氣固兩相流； 顆粒沉積； 磨損； 數值模擬

0 引言

換熱管作為一種換熱元件，被廣泛應用于鍋爐水冷壁、省煤器、凝汽器等換熱設備中。由于工業鍋爐中煙氣含塵量大，且煙氣流動具有很大的隨機性，使得飛灰對換熱管的沖擊碰撞點也具有相對的隨機性，很容易造成煙道內換熱設備的積灰和磨損,換熱器積灰問題會導致其傳熱效率的下降和壓降損失的增加,同時也增加了煙氣流動和設備運行的不穩定性,易引起安全隱患[1]。換熱管的積灰和磨損將嚴重影響到電廠設備運行的安全性和經濟性[2-3]。省煤器作為鍋爐煙道內重要的換熱元件，研究省煤器管束在含塵煙氣中的積灰特性,提出有效的預防積灰措施, 對于各種設備的經濟和安全運行有著重要的意義。

雖然國內外存在大量關于換熱管的磨損模擬研究，但僅有少部分學者從實驗層面上研究了煙氣換熱器的積灰特性，很難解釋積灰機理和預測積灰情況。岑可法等[4]通過大量的實驗研究，闡釋了煙氣中攜帶的飛灰顆粒對鍋爐換熱管的沖蝕磨損機理及顆粒沉積影響因素；董自翔等[5]采用格子Boltzmann與格子氣自動機的耦合模型模擬分析了單排翅片管束外表面的顆粒沉積規律，得到了粒徑為5 μm和10 μm的顆粒在管道表面的沉積形態；Han等人[6]數值研究了管排換熱器表面的積灰特性, 并分析了顆粒粒徑、流速、管排形狀及布置方式等對積灰特性的影響；文獻[7-9]分別針對鰭片管、橢圓管、螺旋管等管型做了顆粒碰撞和磨損的數值研究，得出這些管型與光管相比，能有效均流煙氣流場、減輕磨損。

目前，現有的關于換熱管積灰及磨損的大量研究成果，主要集中在對光管、膜式管束、H翅片管束等管型上。但是考慮到翅片等安裝上的難度，所以，本文特提出和建立了一種新型的管型——麻面管，并通過選擇適用的計算模型，針對煙氣橫掠順列麻面管束進行氣固兩相流動的數值模擬研究，為這種新式管型——麻面管管束的應用和推廣提供參考價值。

1 物理模型和邊界條件

1.1 幾何模型

現有的研究已經表明，錯列布置的管束磨損要比順列布置管束嚴重[10-11]，因此，本文研究麻面管束磨損情況時采用5排順列布置管束。

為簡化模型，本文建模選取一段長度L=46 mm，直徑D=48 mm的管子，通過設置物理模型的對稱性和周期性邊界，進行數值模擬計算。圖1為麻面管的結構示意圖，管子表面排列的為深度d=1 mm、坑口直徑為4.47 mm的凹坑，凹坑采用錯列緊密排列方式布置，凹坑設計來源于高爾夫球設計理念，坑口采用倒角分段平滑過渡。計算區域和邊界的設置如圖2所示，管軸向設置為周期性邊界，其中s1、s2分別表示管束的橫向、縱向管距，且s1/D=2.5,s2/D=1.8。

圖1 麻面管結構示意圖

圖2 物理模型和邊界條件

1.2 邊界條件的設置

計算域采用ICEM進行結構化網格劃分，在網格劃分過程中采用了切塊方式，并將管道區域從計算域中獨立切分出來，再進行O型剖分，且在麻面管管束表面附近區域采用Linear方式進行由密及疏的加密處理，以簡化計算量、提高準確度。網格劃分過程中，通過對不同網格尺寸及數目下對計算結果的比較，驗證了網格數量對計算結果無關性，最終確定網格數量約為68萬。

氣相邊界條件:設定速度入口邊界條件，大小為6～10 m/s，入口煙氣流量為0.5 kg/m3,粘度系數u=3.328×10-5Pa·s煙氣溫度為常量690 K，壁面全部設定為無滑移邊界墻壁，出口為自由出流邊界條件。

顆粒相邊界條件：設定顆粒入口速度與氣相速度相同，并以面源的方式噴入，顆粒入口質量流量為0.003 kg/s，密度為2 000 kg /m3，直徑為0～120 μm，符合Rosin-Rammler分布。顆粒與管束碰撞表面設為壁面反彈邊界條件，顆粒與壁面間的相互作用通過恢復系數來描述。

2 數值模型及計算方法

2.1 連續相控制方程

本文研究管束磨損的過程中，煙氣可視為不可壓縮流體，忽略溫度變化的影響。在控制方程的選擇上，整個過程都要滿足質量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律。目前Ansys Fluent15.0提供的湍流模型主要有標準k-ε模型，RNGk-ε模型，Realizablek-ε模型。由于各種模型都有各自的適用范圍[12]，考慮到煙氣沖刷管束的流動中不會產生強旋流，本文研究中選擇應用最為廣泛的標準k-ε模型和標準壁面函數模型。連續相湍流運動的基本方程如下：

連續性方程

(1)

式中：u為煙氣的平均流速，m/s；i=1、2、3，代表速度沿x、y、z軸的分量。

動量守恒方程

(2)

式中：P為煙氣平均壓力，Pa；ρ為煙氣密度，kg/m3；μ為煙氣動力粘度，Pa·s；t為時間，s；j=l、2、3，為沿x、y、z軸的分量。

能量守恒方程

(3)

式中：λ為煙氣的導熱系數，W/(m2·K)；T為煙氣溫度，K；Cp為煙氣比熱容，J/(kg·K)。

湍動能方程k

(4)

湍動能耗散率方程ε

(5)

式中：Gk為湍能體積生成率；

表1 系數取值參考

2.2 顆粒運動方程

本文中把顆粒相作為稀疏相，但顆粒密度遠遠大于煙氣密度，沒有較大的溫度梯度和壓力梯度存在，同時又忽略顆粒間的碰撞和旋轉，所以認為顆粒主要受重力、曳力和慣性力的作用。因此，單個顆粒的運動方程可以寫為：

(6)

式中：m為單個顆粒的質量；FD為單位質量的顆粒所受曳力；Fx為x方向的其他作用力。

(7)

式中：μ是動力粘度，Pa·s;ρp是顆粒密度，kg/m3;dp是顆粒直徑，m;Re是相對雷諾數。

曳力系數是由Schiller-Naumann曳力法則來決定[13]，見公式(8)：

(8)

2.3 顆粒沉積及磨損計算模型

研究飛灰顆粒對麻面管束的磨損情況，本文選擇Edwards等提出的磨損計算模型，并采用隨機軌道模型[14]來考慮煙氣湍流脈動對顆粒運動軌跡的影響，磨損方程為

(9)

式中：Rr為磨損速率，kg/(m2·s)；mp為顆粒流的質量流率，kg/s；C(dp)為顆粒粒徑函數；α為顆粒與管壁的碰撞角度；b(up)為顆粒相對速度的函數；Af為顆粒撞擊壁面的面積，m2；n為碰撞面積Af的顆粒數目。C、f和b依據壁面邊界條件定義，與材料物性無關。

顆粒沉積率計算表達式為：

(10)

式中：Ndeposition為沉積的飛灰顆粒數；N為入射的顆粒總數。

3 計算結果與分析

首先，針對麻面管束模型進行了數值模擬，定性分析了氣固兩相流外掠麻面管束的流動特性及麻面管表面的磨損情況。然后定量分析了煙氣物性參數及管束結構參數對積灰特性的影響。模擬所得結果與一些模擬及實驗研究[6-8]做了相關對比，驗證了結果的可靠性。

3.1 流動與磨損特性分析

在分析含灰煙氣橫掠麻面管管束過程中顆粒的運動軌跡時，進口煙氣速度選取8 m/s,飛灰顆粒平均粒徑為25 μm，并且模擬了相同條件下煙氣橫掠光管管束的情況，以便進行對比分析。

圖3～4分別為煙氣繞流光管管束和麻面管管束的顆粒運動軌跡線，從圖中可以看到，粒徑較小的顆粒受到煙氣渦流作用明顯，在管束間呈波紋式交替運動，這種運動形式在麻面管束中體現更為明顯。另外，煙氣橫掠麻面管管束中，小粒徑顆粒的運動軌跡線前后變化不大，而光管管束中，小粒徑顆粒的軌跡線由密變疏，部分軌跡線消失，這說明有一部分顆粒在該處沉積，通過兩種管束的對比，很好地說明了麻面管管束在減輕積灰方面具有優勢。

圖3 煙氣繞流光管管束的各粒徑顆粒運動軌跡

圖4 煙氣繞流麻面管管束的各粒徑顆粒運動軌跡

圖5表示的是相同條件下兩種管束的磨損情況。圖中可以看出，光管磨損情況比麻面管的嚴重，而且光管最大磨損發生的位置也比麻面管的靠前。這是因為麻面管表面的坑結構，對于煙氣流動有很好的導流作用，緩解了部分顆粒對管束壁面的沖擊，從而有效減輕磨損。

圖5 磨損分布云圖

3.2 煙氣物性參數對沉積率的影響

分析煙氣物性參數對顆粒沉積的影響時，主要從煙氣速度和顆粒粒徑兩個方面考慮，模擬分析了不同進口煙速、不同粒徑下，麻面管外表面顆粒的沉積情況。

由圖6可看出，對于三種不同進口煙速繞流麻面管管束，由v=6 m/s增加到v=8 m/s時，煙氣繞流麻面管過程中，管束前后的低速區域明顯減小，形成的渦結構也相對較小，這有利于降低飛灰顆粒在管束間沉積的可能性，減輕積灰；而當v=10 m/s時，圖中可以看到前排管束間的低速區域增大的較多，這對于減輕積灰不利。

圖6 不同進口煙速的流場速度云圖

圖7 粒徑大小對沉積率的影響

3.3 粒徑對磨損特性影響

論文針對不同平均粒徑的顆粒對于磨損的影響情況進行了模擬分析，圖8表示的是不同煙速下顆粒平均粒徑的大小對于磨損的影響曲線。由圖8可知，同一煙速下，隨著顆粒平均粒徑的增大，磨損也隨之增大。當粒徑為15 μm時，顆粒主要受到煙氣的粘性作用，慣性小，隨著煙氣一起繞管外壁流動，與壁面的碰撞幾率很小，磨損較小；當粒徑為100 μm時，顆粒運動主要受到自身的慣性作用，受到煙氣流體的影響較小，在慣性作用下，大粒徑顆粒很容易穿過近壁區的邊界層與壁面發生相撞，導致碰撞次數增加，磨損加劇。

另外，對于較大煙速情況下，隨著顆粒平均粒徑的增大，磨損增加幅度較大。煙速為6 m/s下，粒徑為15 μm的顆粒造成的磨損量為1.66×10-8kg/(m2·s)，粒徑為100 μm時，磨損量為8.17×10-8kg/(m2·s)，磨損增加6.51×10-8kg/(m2·s)；煙速為10 m/s下，粒徑為15 μm，磨損量為7.75×10-8kg/(m2·s)，粒徑為100 μm時，磨損量為47.9×10-8kg/(m2·s)，磨損增加40.15×10-8kg/(m2·s)，后者增大的磨損量約是前者的6倍。

3.4 橫縱管距對沉積特性影響

為了分析麻面管管束間距、麻面管表面坑結構參數對顆粒沉積率的影響情況，針對不同橫/縱管距、不同凹坑深度下，分別進行了煙氣橫掠管束的模擬研究，該模擬過程中，煙速為8 m/s,飛灰顆粒平均粒徑為25 μm。

圖8 平均粒徑對磨損的影響

圖9和圖10分別為橫縱向管距對顆粒沉積率的影響關系曲線。可以看出，隨著橫向管距的增大，顆粒沉積率降低的幅度較大，這是因為隨著橫向管距的增大，相鄰管道間煙氣的流通面積也增大，更多的飛灰顆粒從管間流過，使得管束間背風側內的顆粒沉積減少。隨著縱向管距的增大，顆粒沉積率整體呈現先降低再增大趨勢，s2/D=1.5～1.8時，沉積率降低的幅度很小，s2/D=1.8～2.0時，沉積率增大趨勢逐漸明晰，以s2/D=1.8時沉積率最低，從兩個圖比較可以得出，在進行的模擬所有情況中，當s1/D=3.0，s2/D=1.8時，顆粒沉積率最低，為20.72%。

圖9 橫向管距對沉積率的影響

究其原因，增大縱向管距，煙氣內顆粒在流經前排管子后有充足的空間繼續擴展運動，降低了沉積的可能性，然而隨著縱向管距的繼續增大，顆粒沉積率有所上增，原因是前后空間距離的加大，煙氣繞流前排管束后，在管束間形成的渦流運動，不足以擾動管束間的整個空間，使得管束間的軸向或徑向運動的煙氣對麻面管表面的沖刷能力減弱，導致顆粒沉積增多。

圖10 縱向管距對沉積率的影響

3.5 麻面坑深度對沉積特性影響

圖12表示s1/d=2.5，s2/d=1.8時坑深對麻面管管束磨損的關系曲線。從圖中可以看出，對于同一平均粒徑的飛灰顆粒，其對麻面管管束造成的磨損量隨坑深的增加而減小，而且對于d=100 μm的大粒徑顆粒，隨著坑深的增加，磨損量降低的幅度較大，效果更明顯。這是因為隨著坑深的增加，煙氣流經管束的流通面積增大，煙氣流動速度相對減小，另外，坑深增加，管束表面的坑結構對顆粒的導流作用增強，使顆粒產生“避中”效應，不易靠近壁面，從而降低顆粒對管壁的碰撞沖擊幾率，使磨損減輕。

圖11 麻面管表面坑深度對沉積率的影響

圖12 坑深度對磨損的影響

4 結論

(1)煙氣橫掠麻面管管束時，麻面管表面的坑結構對于煙氣具有很好的導流作用，麻面管表面顆粒沉積率和磨損量均比光管的低。

(2)同一煙速下，隨著顆粒平均粒徑的增大，磨損也隨之增大；較大煙速情況下，隨著顆粒平均粒徑的增大，磨損增加幅度較大，如平均粒徑為15 μm、100 μm的顆粒分別在煙速為6 m/s、10 m/s下造成的磨損量差值，后者約是前者的6倍。

(3)增大橫向管距，相鄰管道間煙氣通流面積增大，更多的飛灰顆粒從中間流過，積灰減少；縱向管距增大，顆粒沉積率整體呈現先降低再增大趨勢，在進行所有情況分析中，確定了當s1/D=3.0，s2/D=1.8時，顆粒沉積率最低，為20.72%。

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Numerical Analysis on Particle Deposition Characteristics of Flue Gas Flowing Across Pitted Tubes in Aligned Arrangement

YAN Shunlin, WANG Haoxuan

(School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In order to reduce the erosion and relieve the ash accumulation of heat exchange tube in boiler onomichi of power plant, the pitted tube, a new type of tube, is put forward and established in this paper. By choosing a suitable wear calculation and a particle deposition model, this paper carries on the numerical simulation of gas-solid flow on the basis of flue gas flowing cross pitted tubes in aligned arrangement; and the effects of the smoke’s physical parameters and tubes’s structural parameters on the pitted tubes’s particle deposition characteristics are analyzed, and the rough and smooth tube’s deposition under the same conditions are compared. The results show that the particle deposition rate and the wear of pitted tube’s surface are lower than those of the light tube under equivalent conditions. With the increase of the average particle size, the wear rate increases greatly under the condition of large smoke velocity; whens1/D=3.0,s2/D=1.8, the particle deposition rate is the lowest, and it is 20.72%. For the average small particle size, pitted tube withe=0.75 mm is better than other kinds when it comes to the effect of relieving the ash accumulation. In addition, the greater the pipe surface pits’ depth is, the lighter the wear is.

pitted tube; gas-solid flow; particle deposition; wear; numerical simulation

2017-08-28。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.11.012

TK 223.3

A

1672-0792(2017)11-0066-07

閆順林(1959-)，男，教授，研究方向為熱力系統節能理論及應用。