核化工廠大型排風(fēng)道三通連接構(gòu)件優(yōu)化研究

魏 剛,閆 征,汪朝暉,趙俊龍,袁 超,李鳳臣

(1.中國(guó)核電工程有限公司,北京100084;2.中山大學(xué),廣東 珠海519000)

核化工廠區(qū)布置有大型地下排風(fēng)道,局部構(gòu)件包括大小漸變管路、直角轉(zhuǎn)彎和“T”形局部風(fēng)道。本文涉及的科研項(xiàng)目參考其他大型工程領(lǐng)域的通風(fēng)問(wèn)題,如白思卓[1]和王雪梅[2]等研究的城市綜合管網(wǎng)通風(fēng)系統(tǒng),麻棟[3]等研究的礦山巷道通風(fēng),袁博[4]等研究的地鐵通風(fēng),戚新秋[5]等研究的人工環(huán)境通風(fēng),對(duì)研究項(xiàng)目的風(fēng)道流動(dòng)情況進(jìn)行三維數(shù)據(jù)模擬。目前的模擬結(jié)果顯示,該項(xiàng)目排風(fēng)道中的漸變管路與直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu),在高Re數(shù)工況下其阻力系數(shù)基本為常數(shù),且數(shù)值較小,對(duì)室外風(fēng)道阻力影響和流量匹配的影響有限,按以往工程經(jīng)驗(yàn)可不作為優(yōu)化的重點(diǎn)。但是,在室外管線眾多且有場(chǎng)地限制的情況下,用于各廠房排風(fēng)支風(fēng)道與主風(fēng)道連接的直角“T”形結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)阻力在室外排風(fēng)道總阻力中占有很大比例。減少其阻力損失,優(yōu)化其氣流流場(chǎng)特性,對(duì)于排風(fēng)管道系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行,減少能源消耗都有重要意義。本文將就這種“T”形三通結(jié)構(gòu),運(yùn)用數(shù)值模擬方法,探討優(yōu)化改進(jìn)的措施,并重點(diǎn)分析通道內(nèi)添加導(dǎo)流擋板和優(yōu)化轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)方式的優(yōu)化效果。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型

在某工程室外排風(fēng)道系統(tǒng)中,大部分三通均為“T”形結(jié)構(gòu),如圖1所示。T形結(jié)構(gòu)中的橫邊對(duì)應(yīng)室外通風(fēng)系統(tǒng)的干路風(fēng)道,豎邊則對(duì)應(yīng)連接至廠房的排風(fēng)支風(fēng)道。本文出于減少下游干路污染物向上游廠房回流和節(jié)能的需求,對(duì)T形風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化,提出如圖2和圖3兩種改進(jìn)設(shè)計(jì),分別為增加內(nèi)置擋板和轉(zhuǎn)角斜切優(yōu)化方案。在內(nèi)置擋板的優(yōu)化方案中,擋板斜面角度為45°,擋板水平段對(duì)支路形成0.5 m的有效遮蔽,通過(guò)調(diào)整擋板水平面的距離系數(shù)kh=h/H以得到不同的優(yōu)化結(jié)果。在斜切轉(zhuǎn)角的優(yōu)化方案中,按照?qǐng)D3(a)所示幾何關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì),并可按照?qǐng)D3(b)增加導(dǎo)流板的方式強(qiáng)化對(duì)轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的處理。

圖1 “T”形三通模型圖Fig.1 The T joint model

圖2 “T“形三通結(jié)構(gòu)擋板優(yōu)化方案模型Fig.2 The T joint model with optimized baffles

圖3 “T“形三通結(jié)構(gòu)斜切轉(zhuǎn)角優(yōu)化方案模型Fig.3 The T joint model with optimized corner

圖3 “T“形三通結(jié)構(gòu)斜切轉(zhuǎn)角優(yōu)化方案模型(續(xù))Fig.3 The T joint model with optimized corner

1.2 網(wǎng)格劃分

本文數(shù)值模擬均使用六面體網(wǎng)格進(jìn)行空間離散。其中,典型廠房為T形三通結(jié)構(gòu),作為原型結(jié)構(gòu),所用網(wǎng)格的單元總數(shù)為198萬(wàn),節(jié)點(diǎn)數(shù)為193萬(wàn),綜合質(zhì)量為0.7,如圖4所示。近壁面網(wǎng)格按照指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)行加密處理,近壁面第一層網(wǎng)格高度Δs=1.0 mm,增長(zhǎng)率為1.25。與原型三通的網(wǎng)格劃分類似,采用相同的網(wǎng)格拓?fù)浞绞?繪制擋板優(yōu)化方案與斜切轉(zhuǎn)角優(yōu)化方案的網(wǎng)格,單元總數(shù)分別為218萬(wàn)和226萬(wàn),節(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為213萬(wàn)和232萬(wàn),見(jiàn)圖5和圖6。

圖4 某廠房“T”形三通結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.4 The mesh of the T joint structure

圖5 某廠房“T”形三通擋板優(yōu)化方案網(wǎng)格劃分Fig.5 The mesh of the optimized model with baffles

圖6 某廠房“T”形三通斜切轉(zhuǎn)角優(yōu)化方案網(wǎng)格劃分Fig.6 The mesh of the optimized model with cut corner

2 邊界條件及工況設(shè)置

邊界名稱及相應(yīng)位置參照?qǐng)D1至圖3,設(shè)置in1和in2為流量入口,設(shè)置out為開(kāi)放式出口,其余壁面設(shè)置為非滑移非滲透粗糙壁面。其中開(kāi)放式出口的背壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1 atm,25℃),壁面根據(jù)混凝土材料屬性設(shè)置其絕對(duì)粗糙度為1 mm。計(jì)算時(shí)使用不可壓縮模型,流體介質(zhì)為空氣(1 atm,25℃),密度為1.185 kg/m3,動(dòng)力黏度為18.31×10-6Pa·s。

該廠房支路(in2)的排風(fēng)設(shè)計(jì)工況為70 000 m3/h,上游主干路(in1)設(shè)計(jì)流量恒定為360 900 m3/h。本文模擬時(shí),根據(jù)該廠房三通結(jié)構(gòu)的實(shí)際位置,在設(shè)定in1風(fēng)道為設(shè)計(jì)流量的情況下,將in2風(fēng)道流量大范圍變化,與in1流量形成變化的流量比,以使模擬結(jié)果既包含該廠房三通的設(shè)計(jì)工況,又可按相似原理覆蓋其他廠房三通的工作范圍。具體流量設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 某典型廠房三通流量入口參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting of the T joint inlet for a typical plant

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 廠房阻力特性及分析

從數(shù)值模擬結(jié)果中,提取入口1(in1)、入口2(in2)和三通出口(out)截面的平均總壓,按照公式(1)～公式(3)

分別計(jì)算來(lái)自不同入口的流體能量損失,得到該廠房三通結(jié)構(gòu)局部損失隨入口流量的變化規(guī)律。為了使結(jié)果更具一般性,使用兩入口雷諾數(shù)之比Re2/Re1作自變量并繪制為圖7。

圖7 廠房“T“形三通結(jié)構(gòu)的阻力特性Fig.7 Loss characteristics of the T joint

圖8 展示了in2流量增大時(shí)該廠房三通流場(chǎng)的典型變化過(guò)程。首先,隨著in2流量增大,沖擊干路外側(cè)壁面形成復(fù)雜的旋渦系統(tǒng),如圖8(b)所示。旋渦系統(tǒng)導(dǎo)致干路氣流阻力系數(shù)的急劇升高,如圖7(a)所示。

圖8 該廠房三通模擬結(jié)果圖像Fig.8 Simulation results of the T joint

其次,主要存在兩個(gè)形態(tài)和范圍明確的大尺度旋渦,即in2支路轉(zhuǎn)角處的外側(cè)角渦和內(nèi)側(cè)分離渦,見(jiàn)圖8(a)。

總之, 對(duì)于T形三通結(jié)構(gòu),減弱或消除這些旋渦,是降低風(fēng)道阻力、提高風(fēng)道自潔能力和保證排風(fēng)安全性的重點(diǎn)。

3.2 導(dǎo)流擋板優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

本文主要考慮參數(shù)h,即擋板水平段與支路側(cè)干路管壁的距離,對(duì)優(yōu)化方案結(jié)果的影響。優(yōu)化方案模型的具體參數(shù)見(jiàn)表2。本節(jié)將參數(shù)h轉(zhuǎn)換為比例系數(shù)kh=h/H進(jìn)行控制,并將模擬結(jié)果按照相似原理進(jìn)行歸一化。模擬結(jié)果如圖9所示。

表2 “導(dǎo)流擋板”優(yōu)化方案模型參數(shù)Table 4 Model parameters of optimization with baffles

圖10 展示了“導(dǎo)流擋板”優(yōu)化方案使用不同kh參數(shù)時(shí),in2流量增大對(duì)流場(chǎng)的典型影響。基本結(jié)論如下:(1)導(dǎo)流擋板有效阻止了氣流由干路向支路逆流。(2)導(dǎo)流板未能消除或減小支路內(nèi)的旋渦流動(dòng)。圖8中指示的角渦和分離渦,在添加導(dǎo)流板后仍然存在,甚至由于導(dǎo)流板阻礙了分離渦向干路的延伸,導(dǎo)致旋渦強(qiáng)度加強(qiáng),支路能量損失變大。(3)當(dāng)hk較小時(shí),導(dǎo)流擋板對(duì)支路氣流有一定的整流作用,可消除支路出口旋渦并均勻流量,且支路流量越大效果越明顯。但是支路能量損失大幅提高。

圖9 不同k h參數(shù)三通結(jié)構(gòu)的阻力特性Fig.9 Loss characteristics of the T joint optimized with different k h baffles

圖10 不同k h參數(shù)的流場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.10 Simulation results with different k h parameters

3.3 支路轉(zhuǎn)角優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

本文采用斜切轉(zhuǎn)角與增加導(dǎo)流板的方式,優(yōu)化直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)。優(yōu)化方案的幾何模型和參數(shù)見(jiàn)圖3,方案采用直線結(jié)構(gòu),以方便廠區(qū)室外風(fēng)道的土木施工。模型流量均按照表1進(jìn)行設(shè)置并進(jìn)行模擬。結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知,兩種優(yōu)化方案均具有良好的減阻效果,斜切轉(zhuǎn)角方案使in1支路阻力系數(shù)降為原型的50%、in2支路阻力系數(shù)降為原型的40%;切角導(dǎo)流方案使in1支路阻力系數(shù)降為原型的75%、in2支路阻力系數(shù)降為原型的60%。其中,斜切轉(zhuǎn)角方案優(yōu)化效果最佳。切角導(dǎo)流方案效果較差的原因,可能與導(dǎo)流板厚度較厚、非流線型設(shè)計(jì)等原因,產(chǎn)生了排擠效應(yīng)等局部損失,降低了減阻效果。

從圖12中可以看出,斜切轉(zhuǎn)角方案基本將支路外側(cè)的角渦消除,同時(shí)縮小了支路內(nèi)側(cè)分離渦的尺寸,大大減小回流強(qiáng)度,降低了流動(dòng)阻力。切角導(dǎo)流方案除了消除角渦,由于導(dǎo)流板強(qiáng)制流量均布,消解了支路內(nèi)側(cè)的大型分離渦,有效抑制了氣流由干路向支路逆流。但是同時(shí)可以看出,導(dǎo)流板較厚、入口為鈍體結(jié)構(gòu),減小了支路的實(shí)際過(guò)流面積,排擠效應(yīng)較明顯;且由于導(dǎo)流板形狀非流線形,導(dǎo)致局部產(chǎn)生尺寸較小的渦流,會(huì)增大氣體的能量損失。

圖11 斜切轉(zhuǎn)角方案和切角導(dǎo)流方案三通結(jié)構(gòu)的阻力特性Fig.11 Resistance characteristics of the“cut corner”and“cut&deflector”schemes

圖12 斜切轉(zhuǎn)角方案和切角導(dǎo)流方案流場(chǎng)的模擬結(jié)果Fig.12 Flow field results of the“cut corner”and“cut&deflector”schemes

4 結(jié)論

數(shù)值模擬顯示,以典型某廠房三通為代表的“T’形三通結(jié)構(gòu),其風(fēng)道內(nèi)存在大尺度旋渦形成的流動(dòng)死區(qū)和回流區(qū),故存在污染物沉積風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)對(duì)比模擬分析可以得出:

(1)增加支路出口擋板雖然可以有效防止干路氣流逆流回支路,但是難以消除流動(dòng)死區(qū),以及平衡各支路的阻力系數(shù)。所以不建議實(shí)施該優(yōu)化方案。

(2)對(duì)三通支路的直角轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)進(jìn)行切角處理,即可有效消解死區(qū)與減小回流,并降低風(fēng)道流動(dòng)阻力,同時(shí)施工難度小,因此,建議工程上采取該優(yōu)化方案。