空間組合彎頭氣固兩相流動磨損特性的數(shù)值模擬

王 宇， 劉榮堂， 劉 明， 嚴(yán)俊杰

(西安交通大學(xué) 動力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710049)

目前，燃煤火力發(fā)電是我國最主要的電力來源。燃煤電廠的煙氣和煤粉管道中存在大量的換熱管道和彎頭結(jié)構(gòu)[1]，氣體攜帶飛灰或煤粉等固體顆粒流經(jīng)管道時，固體顆粒不停沖刷管壁，對管壁尤其是彎頭處壁面產(chǎn)生了嚴(yán)重的沖蝕磨損[2]，威脅到電廠運(yùn)行的安全性和可靠性。在燃煤機(jī)組煙風(fēng)煤粉管道的布置過程中，往往需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)彎，此時需將2個彎頭連接，形成特殊的空間組合彎頭結(jié)構(gòu)?？臻g組合彎頭結(jié)構(gòu)由于其彎頭間連接長度有限，導(dǎo)致彎頭間發(fā)生耦合作用，使空間組合彎頭內(nèi)氣固兩相流動及磨損特性不同于單個彎頭部件。

許多學(xué)者針對氣固或液固兩相流管道的磨損進(jìn)行了數(shù)值模擬[3-6]，并驗(yàn)證了磨損預(yù)測精度[7-8]。Chen等[9]針對稀相氣固兩相流流經(jīng)90°彎頭和T形管時的磨損特性進(jìn)行了研究，并比較了T形管與彎頭的相對磨損程度。謝振華等[10-11]對90°方形截面彎頭內(nèi)導(dǎo)流板的個數(shù)及安裝位置進(jìn)行了優(yōu)化，得出導(dǎo)流板的最佳安裝方案。Duarte等[12]提出一種在彎頭外側(cè)加裝渦流腔的新型彎頭，可減輕壁面磨損。El-Behery等[13]采用數(shù)值模擬方法對180°彎頭的磨損進(jìn)行了預(yù)測，并研究了顆粒尺寸對撞擊彎頭位置的影響。Zhou等[14]研究了顆粒形狀、渦流強(qiáng)度和彎頭方向?qū)鼙谀p率的影響。

針對管道壁面磨損的研究中，研究對象多選取90°方截面或圓截面彎頭、T形管或U形管。但是，針對空間組合彎頭內(nèi)氣固兩相流動磨損特性的研究鮮有報(bào)道。筆者采用數(shù)值模擬方法對空間組合彎頭結(jié)構(gòu)內(nèi)氣固兩相流動及磨損特性進(jìn)行了研究，并分析了氣流速度、顆粒濃度及顆粒直徑對管壁磨損率的影響。

1 物理模型

圖1為空間組合彎頭結(jié)構(gòu)的幾何模型。其中，截面直徑D=60 mm，緩轉(zhuǎn)彎頭的彎徑比R/D=1.5，R為轉(zhuǎn)彎半徑。為消除空間組合彎頭上下游效應(yīng)的影響，設(shè)置L1=L2=20D=1 200 mm，L1和L2分別為出、入口直管段長度，L為兩彎頭間連接長度。

2 計(jì)算模型及方法

2.1 計(jì)算模型

采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)p預(yù)測模型[15-16]計(jì)算管壁磨損率E。

(1)

式中：A為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；HB為材料的布氏硬度；Fs為顆粒形狀系數(shù)，對于球形顆粒，取值為0.2；Vp為顆粒碰撞的速度；n為速度指數(shù)，取值為1.73；f(θ)為撞擊角函數(shù)。

圖1 空間組合彎頭的幾何模型

(2)

式中：θ0、a、b、w、x、y、z均為取決于靶材的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

對于碳鋼，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值見表1。

表1 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)

通過編制用戶自定義函數(shù)(UDF)，預(yù)測管壁磨損率。

2.2 氣固兩相流模型

采用基于歐拉-拉格朗日方法的離散相(DPM)模型求解管道內(nèi)氣固兩相流場。在DPM模型中，將氣相作為連續(xù)相處理，將顆粒相作為離散相處理。在DPM模型中，定義主相為空氣，選取入口速度V=15 m/s[17]；第二相為球形顆粒，球形固體顆粒從入口截面噴射進(jìn)入計(jì)算域，選取顆粒密度ρp=2 650 kg/m3，并定義顆粒濃度φ為固體顆粒質(zhì)量流率與空氣質(zhì)量流率之比；出口設(shè)定為表壓pout=0 Pa的壓力邊界，內(nèi)壁面設(shè)定為絕對粗糙度K=0.04 mm的無滑移固壁邊界。管道內(nèi)流動為湍流流動，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計(jì)算管道內(nèi)湍流流場。

為準(zhǔn)確計(jì)算顆粒對指定固體壁面的沖蝕磨損，首先采用DPM模型求解顆粒的運(yùn)動軌跡，包括求解顆粒撞擊固體壁面邊界后發(fā)生反彈所形成軌跡及其速度變化。采用反彈經(jīng)驗(yàn)公式[18]來預(yù)測顆粒與壁面的碰撞過程。

(3)

式中：en為法向恢復(fù)系數(shù)；et為切向恢復(fù)系數(shù)；vn1、vn2分別為顆粒撞擊管壁前、后的法向分速度；vt1、vt2分別為顆粒撞擊管壁前、后的切向分速度。

2.3 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM CFD軟件進(jìn)行全局結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對管道截面劃分o-block，并對壁面區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，模型的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

2.4 數(shù)值模型的驗(yàn)證

采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[19]來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。校驗(yàn)參數(shù)均來源于實(shí)驗(yàn)，如表2所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究對象取直徑為41 mm、轉(zhuǎn)彎半徑為133.25 mm的90°彎頭。

表2 校驗(yàn)參數(shù)

模型的驗(yàn)證結(jié)果見圖3。由圖3可知，磨損率和最大磨損位置的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[19]均吻合良好，說明模型和計(jì)算方法正確可信。

圖3 磨損率模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比

3 結(jié)果與分析

針對連接長度L/D=3[17]的典型空間組合彎頭，研究不同氣流速度、顆粒濃度和顆粒直徑下空間組合彎頭壁面磨損率分布和最大磨損率的變化規(guī)律，并將其與單個彎頭進(jìn)行對比。

3.1 空間組合彎頭壁面磨損率分布

圖4給出了在V=15 m/s、顆粒直徑dp=100 μm、φ=1.89下空間組合彎頭內(nèi)各典型截面的速度云圖。從圖4可以看出，在空間組合彎頭內(nèi)第1個彎頭速度分布基本對稱，彎頭內(nèi)側(cè)速度較大且發(fā)生分離；第2彎頭的速度分布出現(xiàn)明顯的不對稱性，其內(nèi)側(cè)流速較大，出口高速流動區(qū)域轉(zhuǎn)移至彎頭外側(cè)。

圖4 空間組合彎頭內(nèi)各典型截面的速度云圖

空間組合彎頭內(nèi)顆粒分布規(guī)律見圖5。顆粒進(jìn)入第1個彎頭時會撞擊到彎頭外側(cè)壁面，顆粒分布基本對稱。在彎頭內(nèi)側(cè)形成無顆粒區(qū)域，顆粒流出第1個彎頭后無顆粒區(qū)域范圍縮小。在顆粒進(jìn)入第2個彎頭后也會形成1個無顆粒區(qū)域，但由于第2個彎頭的空間轉(zhuǎn)彎，導(dǎo)致其內(nèi)部顆粒分布不對稱，更多的顆粒集中在遠(yuǎn)離管道入口的一側(cè)。

圖6給出了單個彎頭和空間組合彎頭管壁磨損率云圖。單個彎頭與空間組合彎頭內(nèi)第1個彎頭的磨損率分布非常相似。顆粒由于慣性直接撞擊到彎頭外側(cè)壁面，造成嚴(yán)重磨損，磨損率對稱分布，磨損率自中心向四周逐漸減小。第2個彎頭磨損率分布不對稱，靠近管道入口的一側(cè)磨損較輕。

(a) 第1個彎頭

(b) 第2個彎頭

圖7給出了空間組合彎頭外側(cè)壁面磨損率隨轉(zhuǎn)彎角的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)彎角逐漸增大，第1個彎頭的磨損率在55°轉(zhuǎn)彎角左右達(dá)到最大，隨后磨損率迅速降低。第2個彎頭的磨損率隨轉(zhuǎn)彎角的增大也呈先提高后降低的趨勢，但最大磨損率出現(xiàn)在50°轉(zhuǎn)彎角左右。整體上看，第2個彎頭的磨損率低于第1個彎頭。這是因?yàn)轭w粒撞擊到第1個彎頭后損失了部分動能。

圖7 空間組合彎頭外側(cè)壁面磨損率隨轉(zhuǎn)彎角的變化規(guī)律

圖8給出了不同連接長度下空間組合彎頭內(nèi)第1個彎頭和第2個彎頭磨損率的分布情況。從圖8可以看出，連接長度對第1個彎頭的磨損率影響較小。這是因?yàn)轭w粒進(jìn)入彎頭后由于慣性直接撞擊在管壁上，進(jìn)而造成磨損，連接長度對其影響較小。對于第2個彎頭，不同的連接長度導(dǎo)致顆粒進(jìn)入第2個彎頭時與壁面的碰撞位置和碰撞角不同，造成第2個彎頭磨損程度及其分布情況變化較大。隨著連接長度的增加，第2個彎頭的磨損嚴(yán)重區(qū)域增加，且由遠(yuǎn)離管道入口一側(cè)漸漸向另一側(cè)擴(kuò)大。

(a) 第1個彎頭

(b) 第2個彎頭

3.2 氣流速度對空間組合彎頭壁面磨損率的影響

在顆粒直徑dp=100 μm、顆粒濃度φ=1.89的條件下空間組合彎頭最大磨損率隨氣流速度的變化規(guī)律見圖9。從圖9可以看出，第1個彎頭和第2個彎頭的最大磨損率隨氣流速度的增大呈指數(shù)提高。這是由于氣流速度增大會導(dǎo)致顆粒以更大的速度和動能撞擊管壁，使磨損程度加重。

圖9 空間組合彎頭最大磨損率隨氣流速度的變化規(guī)律

3.3 顆粒濃度對空間組合彎頭壁面磨損率的影響

在氣流速度V=15 m/s、顆粒直徑dp=100 μm的條件下空間組合彎頭最大磨損率隨顆粒濃度的變化規(guī)律見圖10。從圖10可以看出，第1個彎頭和第2個彎頭的最大磨損率隨顆粒濃度的增大而線性提高。這是因?yàn)殡S著顆粒濃度的增大，顆粒撞擊壁面的頻率提高，進(jìn)而磨損率提高。

圖10 空間組合彎頭最大磨損率隨顆粒濃度的變化規(guī)律

3.4 顆粒尺寸對空間組合彎頭壁面磨損率的影響

斯托克斯數(shù)St是顆粒松弛時間與流動特征時間之比，在氣固兩相流的流動中反映了顆粒的跟隨性。

(4)

式中：μ為動力黏性系數(shù)，Pa·s。

在氣流速度V=15 m/s、顆粒濃度φ=1.89的條件下，空間組合彎頭最大磨損率隨顆粒St的變化規(guī)律見圖11。從圖11可以看出，第1個彎頭的最大磨損率隨St的增大先提高，后變化逐漸平緩；第2個彎頭的最大磨損率隨著St的增大先提高后降低。圖12給出了不同顆粒直徑下第1個彎頭最大磨損率隨轉(zhuǎn)彎角的變化規(guī)律。結(jié)果表明，顆粒直徑越小，最大磨損率對應(yīng)的轉(zhuǎn)彎角越大。這是由于顆粒直徑較小時，顆粒跟隨性較好，小顆粒跟隨氣流進(jìn)入彎頭，撞擊壁面位置后移。對比顆粒直徑為150 μm和250 μm的情況可以發(fā)現(xiàn)，兩者最大磨損率出現(xiàn)位置幾乎相同，且數(shù)值相近。

圖11 空間組合彎頭最大磨損率隨St的變化規(guī)律

圖12 第1個彎頭壁面最大磨損率隨轉(zhuǎn)彎角的變化規(guī)律

4 結(jié) 論

(1) 第1個彎頭的磨損率隨轉(zhuǎn)彎角的增大逐漸提高，在轉(zhuǎn)彎角為55°左右達(dá)到最大，隨后磨損率迅速降低。磨損最嚴(yán)重區(qū)域位于彎頭外側(cè)，磨損率分布由最嚴(yán)重位置向周圍逐漸減小。第2個彎頭的磨損率整體小于第1個彎頭，這是由于顆粒與第1個彎頭發(fā)生碰撞后損失了部分動量和動能。第2個彎頭的磨損率和磨損位置不同于第1個彎頭，在采取防磨措施時應(yīng)予以考慮。

(2) 彎頭間連接長度對第1個彎頭的磨損率影響較小，但隨著連接長度的增大，第2個彎頭的磨損區(qū)域擴(kuò)大。隨著氣流速度的增大，最大磨損率呈指數(shù)提高；隨著顆粒濃度的增大，最大磨損率呈線性提高；隨著顆粒St的增大，第1個彎頭的最大磨損率先提高后變化逐漸平緩，第2個彎頭的最大磨損率先提高后降低。