聚氨酯固化道床烘干設備歧管出氣 不均勻性研究及改善措施

高忠軍，高春雷，何國華

(1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

聚氨酯固化道床是在質量達標的穩定道床內，均勻灌注由A料和B料混合而成的聚氨酯材料，并施加一定壓力，使其順著道砟縫隙滲入道床底部形成的固化道床[1-2]。聚氨酯固化道床一方面具有有砟軌道彈性良好的優點，另一方面又具有無砟軌道整體性強、穩定和維護方便的優點，在特大跨度橋、道岔區等特殊線路區段有明顯的技術優勢。聚氨酯固化道床技術在國內具備應用條件，具有良好的發展前景。

聚氨酯固化道床烘干設備是在聚氨酯材料澆注前對道床進行烘干的一種裝置，其中出氣管道是聚氨酯固化道床烘干設備的重要組成部分，它的作用是把從風機出來的空氣經燃燒爐加熱后均勻地分配到各歧管，最后流出歧管對道床進行烘干。這種出氣管道的缺點是進氣管中大部分空氣進入穩壓腔時在慣性作用下直接進入距離入口較近的歧管內，僅有少量空氣遇阻反彈后到達較遠的歧管，導致熱空氣在歧管中分配不均勻[3]。部分歧管中熱空氣分配過多會導致過度烘干，容易引起歧管附近鋼軌過熱變形;另一部分歧管中熱空氣分配不足無法滿足施工要求，影響烘干效率。為滿足烘干設備出氣管道出氣均勻性要求，在符合整機布置的情況下，對原出氣管道進行優化設計。

1 基礎理論

1.1 計算流體力學基本控制方程

1)連續性方程(質量方程)

(1)

式中：ρ為流體密度；ui為速度矢量u在i方向上的分量；Sm為質量源項。

2)動量方程

(2)

式中：t為時間;uj為速度矢量u在j方向上的分量;p為靜壓力；Fi為外部體積力在i方向上的分量;τij為黏性力τ在i-j平面上的分量。

3)能量方程

(3)

式中：u為速度矢量；T為溫度；cp為比熱容;k為傳熱系數;ST為黏性耗散項。

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1.2 均勻性評價方法

各歧管流量均勻分配問題實際上是計算各歧管流量偏差問題。歧管流量分配均勻性由各歧管的流量不均勻度EV來衡量[6]，其計算式為

Ev=(φmax-φmin)/φa

(4)

式中：φmax為歧管出口質量流量最大值；φmin為歧管出口質量流量最小值；φa為各歧管平均質量流量。

采用Ev作為均勻性評價指標分析道床烘干設備出氣管道時，Ev越小，質量流量在各出口歧管內分配越均勻[7]。

2 出氣管道有限元分析

2.1 原出氣管道分析

傳統的道床烘干設備出氣管道由進氣管、穩壓腔和出氣歧管組成，如圖1所示。空氣由進氣管進入穩壓腔，由6個出氣歧管流出，以實現對熱空氣的分配。

圖1 原出氣管道三維模型

圖2為原出氣管道內部流場仿真跡線，可以看到出氣管道內部流場分布極不均勻，空氣進入穩壓腔后，由于慣性作用保持原有運動軌跡流向穩壓腔底部，因此大部分空氣進入距離進氣管較近的中間歧管，僅有少量空氣遇阻后改變方向流入較遠處的歧管，這種結構明顯不利于歧管出口流量的均勻分配。

圖2 原出氣管道流場仿真跡線

原出氣管道歧管出口流量分配見表1，由式(4)計算得到Ev為52.1%，歧管流量分配均勻性較差。為提高道床烘干設備工作效率，需對出氣管道進行優化。

表1 原出氣管道不同歧管出口質量流量分配 kg·s-1

2.2 優化方法

出氣管道內流體分布不均勻的根本原因在于進氣管、穩壓腔和歧管之間靜壓差的沿程改變[9]，若采取外部干預的方法，則能讓腔體內流量分布趨于均勻。由于無法使流體在出氣管道內分流時動量和靜壓轉化的趨勢變得一致，因此僅能考慮從改變阻力方面來調節靜壓。本文采取改變局部阻力的方式，在特定位置加裝導流板來改善歧管出氣不均勻性。

圖3是V形導流板在穩壓腔內的安裝位置。本節以V形導流板為研究對象，分別從導流板的夾角、長度及安裝高度入手，分析不同導流板布置方案對出氣管道歧管流場分布的影響。

圖3 導流板安裝位置

2.2.1 導流板夾角的影響

圖4是長度為270 mm的導流板在安裝高度為110 mm，導流板不同夾角時氣流速度云圖，圖5是相應歧管出氣不均勻度隨導流板夾角的變化曲線。可以看到，隨著導流板夾角的變化，歧管出氣不均勻度也呈現出先減小后增大的趨勢。這是因為導流板夾角的變化可以改變腔體內氣流的運動方向，隨著夾角的逐步增大，部分空氣到達導流板遇阻后沿著導流板長度方向流向兩側遠處的歧管內；當夾角大到一定程度時，導流板把大量空氣帶入兩側歧管，以至于中間歧管分配的流量相比兩側偏小，從而影響各歧管流量的分配。

圖4 導流板不同夾角時氣流速度云圖

圖5 歧管出氣不均勻度隨導流板夾角變化曲線

2.2.2 導流板長度的影響

由于導流板寬度與穩壓腔寬度一致，故僅分析導流板長度對出氣管道歧管出氣不均勻度的影響。圖6為夾角55°、安裝高度110 mm時，導流板不同長度時氣流速度云圖，圖7是歧管出氣不均勻度隨導流板長度的變化曲線。可以看出隨著導流板長度的變化，歧管出氣不均勻度先減小后增大。這是因為隨著導流板長度增加，中間歧管被遮擋范圍增加導致其進氣量減少，相應地兩側歧管進氣量增加；當板長增加到一定程度時，中間歧管進氣量相對兩側歧管進一步減少，導致出氣均勻性惡化。因此若導流板太短，則無法起到導流作用，若太長不僅會增加流動阻力，還會使中間歧管流量過度減少，無法達到平衡流量的目的。

圖6 導流板不同長度時氣流速度云圖

圖7 歧管出氣不均勻度隨導流板長度變化曲線

2.2.3 導流板安裝高度的影響

圖8 導流板不同安裝高度時氣流速度云圖

圖9 歧管出氣不均勻度隨導流板安裝高度變化曲線

把V形導流板頂部到穩壓腔頂面的距離定義為導流板安裝高度。圖8為夾角55°、長度270 mm的導流板分別安裝在距穩壓腔頂面80～280 mm時氣流速度云圖，圖9為歧管出氣不均勻度隨導流板安裝高度的變化曲線。可知，當導流板靠近穩壓腔頂面時均勻性較差，隨著高度的增加不均勻性逐漸改善，當高度超過240 mm時均勻性又開始惡化。這是因為導流板在最頂部時，由進氣管進來的絕大多數空氣被導流板帶到兩側歧管，中間歧管進氣量較少;隨著高度增加，中間歧管進氣阻力減小，更多的空氣可以進入中間歧管，各歧管進氣量逐步平衡；當高度達到一定值時，導流板導流作用減弱，大量空氣涌入中間歧管，均勻性又開始變差。

3 正交優化法選取最優參數組合

由上節分析可知，選擇適當的導流板夾角、長度和安裝高度均可以實現對腔體內部氣體的分流，從而達到平衡流量的目的。但是以上僅僅考慮單因素對歧管流量分配不均勻性的影響，尚不能充分反應各種因素協同作用對流量分配不均勻性的影響[10]。因此基于歧管流量分配均勻的目標，以影響歧管流量分配性能的導流板夾角、長度和安裝高度3個因素設計正交試驗，對出氣管道進行優化。根據原出氣管道流場仿真跡線(見圖2)，選取導流板的參數范圍，最終確定導流板夾角作為因素A,導流板長度作為因素B,導流板安裝高度作為因素C，得到表2所示的因素水平。

表2 因素水平

采用表3中的方案進行正交設計，得出最終優化方案為A2B3C4，即導流板夾角130°、長度240 mm、安裝高度240 mm。與原出氣管道相比，歧管出氣不均勻度從最初的52.1%降低到優化后的10.1%，歧管流量分配不均勻性得到很好的改善。

表3 正交試驗方案

圖10、圖11為出氣管道優化前后氣流速度云圖，對比發現，對優化后的出氣管道，當空氣由進氣管進入穩壓腔并到達導流板，遇阻后呈現向兩側分流的趨勢，導流板改變了部分空氣的運動方向，使其流向兩側遠處的歧管，致使歧管出氣更加均勻。

圖10 原出氣管道氣流速度云圖圖11 優化后出氣管道氣流速度云圖

4 結論

1)安裝在出氣管道腔體內的導流板的夾角、長度及安裝高度的變化都會改變流場分布，布置合適的導流板可以改善歧管流量分配不均勻性。

2)優化后的出氣管道能有效引導氣流分布，使各個歧管質量流量分配更均勻，最終使歧管出氣不均勻度由原來的52.1%降低至10.1%。