球體聯(lián)箱內(nèi)水蒸汽流動的數(shù)值研究

侯春江

(國能雙鴨山發(fā)電有限公司，雙鴨山 155136)

0 引 言

聯(lián)箱作為流量分配的重要結(jié)構(gòu)，在多個工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重要的作用，作為將流體切分和匯集的結(jié)構(gòu)，如果聯(lián)箱設(shè)計時存在流動不均等問題，則會引發(fā)一系列的嚴(yán)重后果，特別在火電行業(yè)，高溫受熱面的入口聯(lián)箱如果流量分配不均，將導(dǎo)致局部換熱效果差，部分管壁超溫，甚至爆管停機(jī),如王春昌[1]提出水冷壁管道因為流量分配問題引起的爆管，胡志宏[2]等對流化床鍋爐的屏過爆管進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)流量分配不均，對此相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了研究，羅云[3]等對蒸發(fā)聯(lián)箱的流量分配特性進(jìn)行研究，曲新鶴[4]等，對聯(lián)箱影響U型布置并聯(lián)管流量分配情況進(jìn)行研究，張立棟[5]等對聯(lián)箱入口結(jié)構(gòu)對流量分配的影響進(jìn)行了優(yōu)化，趙晴川[6]等對聯(lián)箱流量分配的計算方法進(jìn)行了研究，聯(lián)箱作為流量分配的主要結(jié)構(gòu)，對于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化較多，并未提出一種新型聯(lián)箱結(jié)構(gòu)，均勻?qū)⒐べ|(zhì)分配至各個出口，隨著目前材料工藝的提升，球體聯(lián)箱的制造難度降低，新型球體結(jié)構(gòu)聯(lián)箱對流量進(jìn)行均勻分配優(yōu)勢逐漸顯著。

1 研究對象結(jié)構(gòu)

提出一種新型蒸汽分配聯(lián)箱，其結(jié)構(gòu)主要由入口，球體和出口組成，其中入口為管狀，直徑432 mm，長度1 000 mm，球體半徑R為1 000 mm，在球體的兩側(cè)對稱布置30個出口管，每側(cè)為上、中、下三層，每曾5個。其編號方式為：由正向至反向左側(cè)上層依次為1～5號，左側(cè)中層為6～10號，左側(cè)下層為11～15號，由反向至正向，右側(cè)上層為16～20號，中層為21～25號，下層為26～30號，出口其結(jié)構(gòu)同樣為圓管，直徑76 mm，長度180 mm。單側(cè)出口管的中層與入口方向垂直，上、中層之間和中、下層之間的夾角都為20°，每層5個出口管之間夾角為22.5°。對球體聯(lián)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在球體和出口區(qū)域進(jìn)行加密，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，便于研究球體內(nèi)的流向偏轉(zhuǎn)，不斷加大網(wǎng)格數(shù)以提高精度，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目增加至475021時，出口平均速度計算結(jié)果不發(fā)生變化，考慮計算時間，選擇網(wǎng)格數(shù)目為475021。

圖1 新型球體聯(lián)箱結(jié)構(gòu)

2 計算方法和設(shè)計思路

由于設(shè)備在運行中，不斷變化的負(fù)荷影響入口速度，在不考慮蒸汽溫度變化的情況下，采用LES大渦模擬，對水蒸汽在球體聯(lián)箱內(nèi)的可壓縮流動進(jìn)行研究，邊界條件設(shè)置，入口為速度入口，出口為壓力出口，二階精度，simple算法。計算時長為水蒸氣進(jìn)入球體聯(lián)箱31 s時刻。

表1 入口參數(shù)設(shè)計

在為將聯(lián)箱內(nèi)的工質(zhì)均勻的分配給各個位置的出口，在設(shè)計聯(lián)箱時，需將工質(zhì)的流動路徑區(qū)別縮減至一定范圍，區(qū)別于傳統(tǒng)的柱體聯(lián)箱，考慮各出口的布置和管材耗費情況，對聯(lián)箱結(jié)構(gòu)內(nèi)，入口至各出口的流程設(shè)計不足。新型聯(lián)箱的設(shè)計，如工質(zhì)從兩側(cè)流出，則結(jié)構(gòu)對稱時，流動差異將明顯減少，而球體空間內(nèi)流場，如果出口流向角度與入口夾角相同時，周向上的流動路徑不存在差異。此時考慮出口結(jié)構(gòu)的布置便宜程度，在球體的兩側(cè)設(shè)置出口。

3 模擬結(jié)果分析

新型球體聯(lián)箱內(nèi)的流動，可以被分為兩個部分：(1)入口射流進(jìn)入球體內(nèi)，未接觸底部壁面；(2)入流與底部壁面接觸，向周向散開，形成數(shù)個渦流。從結(jié)構(gòu)上，入口管道與各出口之間的流動路徑不存在明顯的差異，僅因為便于布置多個出口管，在不同層出口角度存在較小的不同。但出口管道都指向球體聯(lián)箱的中心位置。聯(lián)箱內(nèi)流體沿壁面流動，水蒸氣進(jìn)入出口時，在每個出口管道與壁面都是垂直角度，流場結(jié)構(gòu)阻力基本相同。

從流線分布圖2上可以分辨，入口射流的周圍是大量的渦流和向上流動的水蒸氣，并在上部形成較大的渦流，再向下流動，形成一個循環(huán)，在結(jié)構(gòu)上由于入口和出口之間不在一條直線上，不存在個別出口速度較高的情況，水蒸氣從入口至出口經(jīng)過至少一次折流過程。

圖2 球體聯(lián)箱內(nèi)的流線(80 m/s)

在不同速度下，球體聯(lián)箱內(nèi)的左、右側(cè)方向中間截面速度分布如圖3，隨著入口速度的增長，球體聯(lián)箱內(nèi)的流動復(fù)雜程度明顯增加，渦流數(shù)量和尺度同樣有所增加，在第一部分流動中，入口射流在流向底部時，發(fā)生散開的現(xiàn)象并非是直接沖擊底部向四周散開，而是在接近底部的位置即發(fā)生散開現(xiàn)象，隨著入口速度的增長，在LES計算結(jié)果下，流動并非完全對稱，且從中間截面圖上，入口射流兩側(cè)的差異隨著速度增加，兩側(cè)速度分布差異逐漸增加，該現(xiàn)象主要由兩側(cè)渦流位置不對稱引起。在第二部分流動中在散開發(fā)生后，水蒸氣沿壁面向上運動，首先進(jìn)入左右側(cè)的下層出口，再是中層出口，最后為上層出口，從出口區(qū)域的速度分布上，中間截面內(nèi)并未出現(xiàn)明顯的速度較高或者速度較低現(xiàn)象，在流過出口管道布置的區(qū)域后，水蒸氣接著向上流動，并匯聚在入口射流周圍向下流動。

圖3 左右側(cè)反向中間截面速度分布

從圖4不同工況下的出口速度分布，對出口各個出口管道的速度進(jìn)行分析，可以明顯看出在入口速度增長時，出口的各出口速度分布曲線波動增加。整體上工況1、2和3在2、4、9、17、21和26號位置都發(fā)生速度下降的波動，3、7、22、和27號出口管道速度出現(xiàn)上升波動。從位置上，出現(xiàn)速波動下降的出口管道，其位置相對位于同層邊緣。而出現(xiàn)速度上升的出口管道，在位置上處于同層的中間位置，由于入口管道截面為對稱的圓形，排除入口結(jié)構(gòu)影響，發(fā)生該現(xiàn)象的主要原因主要是在相同水平高度上，一部分從正面或者反面壁面附近向未布置出口管區(qū)域的水蒸氣，進(jìn)入同層的出口管道，存在速度矢量角度的差異問題，向左右兩側(cè)布置出口管道的區(qū)域流動時，該區(qū)域的水蒸氣速度矢量同每層的邊緣區(qū)域的出口管角度較大，而與每層中間部分的出口管角度較小，其進(jìn)入中間部分管道較為順暢。但整體上各工況下，速度分布整體仍較為集中。而工況2和3的整體波動趨勢相似度較高，工況3曲線波動程度明顯上升。

圖4 不同工況下的出口速度

為更清楚對新型球體聯(lián)想的流量分配性能進(jìn)行研究，提出一種考慮個別管流量過低或過高成都的公式，為聯(lián)箱分配性能，其具體為：

(1)

以一個直徑為聯(lián)箱200 mm，出口和入口管徑與球體聯(lián)箱相同，出口管數(shù)目相同的柱體的聯(lián)箱進(jìn)行對比。總體上新型出口聯(lián)想的分配性較好，各出口管之間速度差異小，各工況下都大于柱體聯(lián)箱。隨著入口速度上升，分配性基本不變。

表2 聯(lián)箱分配性

與此同時，在機(jī)組負(fù)荷變化時，流量時刻處于變化狀態(tài)下，處于穩(wěn)定流量的情況較少，對負(fù)荷波動時的聯(lián)箱分配情況進(jìn)行研究，選取6和16號出口，對入口速度上升60～80 m/s和入口速度下降100～80 m/s過程中，速度波動進(jìn)行模擬，當(dāng)出口速度波動小于1%時停止計算。入口速度上升和下降時出口速度變化如圖5和圖6。入口速度上升時波動時間較長，為0.08 s，為下降的4倍，同時，下降時速度變化比較平緩，而上升出現(xiàn)波動，同時，6號和16號出口速度在大部分時候存在差異，6號高于16號約5 m/s，但在入口速度上升時差異縮小，計算結(jié)束時兩者基本持平，同時入口速度下降時兩者差異性增大，差值增加至10 m/s。該現(xiàn)象說明了，在機(jī)組運行中，聯(lián)箱設(shè)備隨負(fù)荷波動，其分配性能時刻處于變化狀態(tài)，隨著負(fù)荷下降，聯(lián)箱入口速度下降個別管道的出口速度差異將擴(kuò)大，導(dǎo)致?lián)Q熱性能發(fā)生較大的改變，威脅設(shè)備運行安全。而負(fù)荷上升時此類危險因素較小。

圖5 速度下降時出口6和16速度變化

圖6 負(fù)荷上升時出口6和16速度變化

4 結(jié)束語

(1)新型球體聯(lián)箱為內(nèi)結(jié)構(gòu)對稱性高，水蒸氣從入口流入之后向四周擴(kuò)散并流入出口，流程差異小。相同層的出口管道，靠近邊緣速度較低，靠近中心位置出口速度較高。

(2)新型球體聯(lián)箱的不同入口速度適應(yīng)性好，各工況分配性下都大于柱體聯(lián)箱，最大提高1.46倍。

(3)入口速度上升時聯(lián)箱出口速度反應(yīng)長，為入口速度下降的4倍。負(fù)荷波動時管道出口速度差異處于波動狀態(tài)，并非固定。

(4)入口速度下降時，易引起個別管道流量分配差異增大，影響換熱，威脅運行安全。