球體聯(lián)箱內(nèi)水蒸汽流動(dòng)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(gè)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(jì)時(shí)存在流動(dòng)不均等問題，則會(huì)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?yàn)榱髁糠峙鋯栴}引起的爆管，胡志宏[2]等對(duì)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(duì)此相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了研究，羅云[3]等對(duì)蒸發(fā)聯(lián)箱的流量分配特性進(jìn)行研究，曲新鶴[4]等，對(duì)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(duì)聯(lián)箱入口結(jié)構(gòu)對(duì)流量分配的影響進(jìn)行了優(yōu)化，趙晴川[6]等對(duì)聯(lián)箱流量分配的計(jì)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(duì)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(gè)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(duì)流量進(jìn)行均勻分配優(yōu)勢(shì)逐漸顯著。

1 研究對(duì)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(duì)稱布置30個(gè)出口管，每側(cè)為上、中、下三層，每曾5個(gè)。其編號(hào)方式為：由正向至反向左側(cè)上層依次為1～5號(hào)，左側(cè)中層為6～10號(hào)，左側(cè)下層為11～15號(hào)，由反向至正向，右側(cè)上層為16～20號(hào)，中層為21～25號(hào)，下層為26～30號(hào)，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(gè)出口管之間夾角為22.5°。對(duì)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(shí)，出口平均速度計(jì)算結(jié)果不發(fā)生變化，考慮計(jì)算時(shí)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(jì)算方法和設(shè)計(jì)思路

由于設(shè)備在運(yùn)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(duì)水蒸汽在球體聯(lián)箱內(nèi)的可壓縮流動(dòng)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(jì)算時(shí)長為水蒸氣進(jìn)入球體聯(lián)箱31 s時(shí)刻。

表1 入口參數(shù)設(shè)計(jì)

在為將聯(lián)箱內(nèi)的工質(zhì)均勻的分配給各個(gè)位置的出口，在設(shè)計(jì)聯(lián)箱時(shí)，需將工質(zhì)的流動(dòng)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(fèi)情況，對(duì)聯(lián)箱結(jié)構(gòu)內(nèi)，入口至各出口的流程設(shè)計(jì)不足。新型聯(lián)箱的設(shè)計(jì)，如工質(zhì)從兩側(cè)流出，則結(jié)構(gòu)對(duì)稱時(shí)，流動(dòng)差異將明顯減少，而球體空間內(nèi)流場(chǎng)，如果出口流向角度與入口夾角相同時(shí)，周向上的流動(dòng)路徑不存在差異。此時(shí)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(dòng)，可以被分為兩個(gè)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(gè)渦流。從結(jié)構(gòu)上，入口管道與各出口之間的流動(dòng)路徑不存在明顯的差異，僅因?yàn)楸阌诓贾枚鄠€(gè)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(dòng)，水蒸氣進(jìn)入出口時(shí)，在每個(gè)出口管道與壁面都是垂直角度，流場(chǎng)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(dòng)的水蒸氣，并在上部形成較大的渦流，再向下流動(dòng)，形成一個(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)中，入口射流在流向底部時(shí)，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(jì)算結(jié)果下，流動(dòng)并非完全對(duì)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(duì)稱引起。在第二部分流動(dòng)中在散開發(fā)生后，水蒸氣沿壁面向上運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，并匯聚在入口射流周圍向下流動(dòng)。

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(duì)出口各個(gè)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(shí)，出口的各出口速度分布曲線波動(dòng)增加。整體上工況1、2和3在2、4、9、17、21和26號(hào)位置都發(fā)生速度下降的波動(dòng)，3、7、22、和27號(hào)出口管道速度出現(xiàn)上升波動(dòng)。從位置上，出現(xiàn)速波動(dòng)下降的出口管道，其位置相對(duì)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(duì)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(dòng)時(shí)，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(dòng)趨勢(shì)相似度較高，工況3曲線波動(dòng)程度明顯上升。

圖4 不同工況下的出口速度

為更清楚對(duì)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(gè)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(gè)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(duì)比?？傮w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(shí)，在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，流量時(shí)刻處于變化狀態(tài)下，處于穩(wěn)定流量的情況較少，對(duì)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的聯(lián)箱分配情況進(jìn)行研究，選取6和16號(hào)出口，對(duì)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(dòng)進(jìn)行模擬，當(dāng)出口速度波動(dòng)小于1%時(shí)停止計(jì)算。入口速度上升和下降時(shí)出口速度變化如圖5和圖6。入口速度上升時(shí)波動(dòng)時(shí)間較長，為0.08 s，為下降的4倍，同時(shí)，下降時(shí)速度變化比較平緩，而上升出現(xiàn)波動(dòng)，同時(shí)，6號(hào)和16號(hào)出口速度在大部分時(shí)候存在差異，6號(hào)高于16號(hào)約5 m/s，但在入口速度上升時(shí)差異縮小，計(jì)算結(jié)束時(shí)兩者基本持平，同時(shí)入口速度下降時(shí)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(yùn)行中，聯(lián)箱設(shè)備隨負(fù)荷波動(dòng)，其分配性能時(shí)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(gè)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(yùn)行安全。而負(fù)荷上升時(shí)此類危險(xiǎn)因素較小。

圖5 速度下降時(shí)出口6和16速度變化

圖6 負(fù)荷上升時(shí)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(duì)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(shí)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(dòng)時(shí)管道出口速度差異處于波動(dòng)狀態(tài)，并非固定。

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