矩型风管弯头数值模拟及设计优化

陈 猛，江珍珍，郭 勇

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

矩型风管弯头数值模拟及设计优化

陈 猛，江珍珍，郭 勇

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

目前低阶煤提质项目中应用了很多大型风管，其设计的主要依据为设计规程。为提高矩形弯头管道的综合性能，利用计算流体力学软件Fluent对其进行数值模拟。在分析讨论3种结构弯头管道的流场分布、压力分布、进出口压力损失、出口速度均匀度的基础上，指出优化弯头的总体优势及其在工程实践中的应用潜力。

矩形弯头；数值模拟；压力损失；出口速度均匀度

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.006

LCC(Low-rank Coal Conversion)低阶煤提质工程项目中有很多矩形风管，在某3 000t/d的褐煤提质项目中，从热解热风炉到热解炉的矩形风管达到2 860mm×1 800mm。其设计不合理造成的高压气流和分布不均匀，将直接影响管道本身寿命及相连各设备的运行质量，如造成管道上矩形弯头处压力过大、加剧对弯头的冲蚀、导致下游设备进气不均匀、降低产品质量等，弯头结构的设计与优化至关重要。

从热解热风炉到达热解炉的热解热风中含有少量的煤粉和油，为防止煤粉和油的聚集，矩形管道中未设置导流板和内部支撑杆件，同时，国内针对大型燃煤电厂烟道流场和阻力的模拟研究也多采用忽略内部支撑结构的模型。笔者借助计算流体力学软件Fluent14.0，对工程实际应用中的矩形弯头进行数值计算。综合分析后，提出了优于常规矩形弯头管道的设计理念，以减少对弯头的冲蚀，降低压力损失，增加出口速度均匀度。

1 模型、网格及计算方法

1.1 几何模型

根据此工程项目中的大型矩形管道布置需要，依照《烟风煤粉管道设计技术规程》(DL/T 5121—2000)设计3种不同曲率半径弯头的矩形管道，见图1，矩形截面都为2 860mm×1 800mm，急转弯头的r1/b=r2/b=1，缓转弯头的R/b=1.5，优化弯头是由2个R/b=1的45°弯头与一段直管组合而成。

图1 矩形弯头管道

1.2 数学模型

根据流体理论，矩形风道内的流场为三维湍流，其内部流动复杂，多存在二次流，需要借助合适的湍流模型。本文采用应用较多的标准κ-ε方程模型。相关的计算参数采用该模型的默认值，在满足流体运动连续性方程及N-S方程的情况下，其湍动能及耗散率输运方程为：

式中：k为单位质量湍动能，m2·s2；ε为单位质量湍动耗散率，m2·s3；ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；xi(i=1，2，3)代表3个方向；E为平均应变率s-1；μ为湍流黏性系数，Pa·s；υ为分子运动黏性系数，m2·s；Gk为平均速度梯度引起的湍动能，N·(m2·s)；Gb为浮力影响产生的湍动能，N·(m2·s)；YM为可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，kg/( m·s3)；C1=1.44，C2=1.9，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.2。

1.3 网格划分及计算方法

三维建模采用Gambit软件，将整个计算区域划分成非结构化的四面体及六面体混合网格，并在局部重点区域加密处理，网格总数为300万。

流动介质为580℃的热解热风，密度ρ=0.853kg/m3，动力黏度μ=2.286×105kg/(m·s)，入口流速v分别设定5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s。由于进口流体马赫数远大于0.3，流体为不可压缩气体。管道当量直径d=2.209m，6种速度下流体雷诺数均大于8 000，依据《工艺系统工程设计技术规定》，流动为湍流。网格壁面处理方法采用标准壁面函数法，在靠近管壁处设置边界层，忽略竖直方向的重力作用，采用速度进口及压力出口边界条件，设置速度入口的湍流强度为5%，水利直径为0.552m，采用SIMPLE算法，对流项差分格式采用二阶迎风格式，以差分方程残差低于1×10-3为收敛条件，计算结果全部收敛。

2 数值模拟及计算分析

2.1 速度分布情况分析

当入口速度为20m/s时，3种弯头Y=0截面速度分布见图2。

图2 Y=0截面速度分布

急转弯头的内外径较小且弯曲半径相同，当气体流过弯头部位时，会在弯头外侧部位形成二次流，且速度较低，变成涡流死区，影响气体流动的均匀性，容易积灰，同时也会增大压力损失；缓转弯头Y=0，截面上内侧部位流速较高，外侧部位流速较低，低速区与高速区所占面积相对较大，流速分布不均匀；优化弯头内部的流场内未产生二次流，改善了管道内外侧低速区和高速区过分集中的情况，整体上气体流动较均匀，改善了烟气在流道内的流动情况。

2.2 压力分布情况分析

Y=0截面压力分布见图3。

图3 Y=0截面压力分布

当入口速度为20m/s时，从图3中可以看出，弯头外侧气体压力较高，但是急转弯头、缓转弯头外侧的最大动压分别达到了160Pa、90Pa，且高压区所占面积较大。这是因为当流体进入弯头时，流体流向发生改变，沿断面有较大的离心力，在离心力的作用下，对弯头外侧形成挤压作用，对弯头内侧壁形成牵引作用，压力沿着离心力方向逐渐增大。而根据伯努力方程，同一流线各点单位质量流体的总比能为一常数，因此，在弯头外侧流体动能减少的同时，其比压能相应增加，增大的压力对管壁造成强度破坏。而优化弯头的Y=0截面上高压区所占面积相对较小，且最高压力只有30Pa，极大地降低了对弯头外壁的冲击作用，延长了弯头的使用寿命。

2.3 不同速度下进出口压力损失对比分析

其他条件不变，改变流体的进口速度分别为5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s时，进出口的压力损失见图4。可以看出，随着进口速度的增大，各种弯头管道进出口压力损失分别增大，并且在同等速度下优化弯头的进出口压力损失明显低于急转及缓转弯头的。当进口速度达到30m/s时，优化弯头的进出口压力损失分别是急转及缓转弯头的49%、37.7%。这主要是因为流体在流过急转弯头、缓转弯头时，管壁的摩擦作用所占的比重较大，气体的流动不能得到充分的发展，压力损失也就越大。另外还可以看出，随着进口速度的增大，优化弯头管道进出口压力损失基本呈线性增长，相对缓慢，这主要是因为优化弯头的流道摩擦阻力已经较小，特别是在高速的气体流动中，优化弯头可以起到明显降低阻力的效果。

图4 不同进口速度下进出口压力损失

2.4 不同速度下出口速度均匀度对比分析

其他条件不变，改变流体的进口速度分别为5m/s、10m/s、15m/s、20m/s、25m/s、30m/s时，各种弯头管道出口速度均匀度见图5。本项目中弯头出口速度越均匀，进入热解热风炉的气体脉动度越小，对热解炉中煤粉的加热就越均匀，从而提高产品质量。从上图可以看出，不同流速下，优化弯头的出口速度均匀度明显高于急转及缓转弯头出口速度均匀度，当进口速度为15m/s时，优化弯头的出口速度均匀度分别比急转弯头及缓转弯头高出3.37%、2.99%。这是因为优化弯头减少了流动漩涡产生的可能性，消除了出口直管段的气流内壁分离现象，使气体流动得到充分的发展，提高了流体出口速度均匀度；但是当速度超过15m/s时，优化弯头出口速度的均匀性开始降低，到达25m/s时，3种弯头的出口速度均匀度趋于一致。这是因为流速较大时，3种弯头对气体的阻力都较大，气体在弯头后的直管段发展类似，出口速度均匀度相差不多。

图5 不同进口速度下出口速度均匀度

3 结语

通过对比3种弯头管道内速度和压力的分布，优化弯头内部未产生二次流，改善了管道内外侧低速区和高速区过分集中的情况，外侧所受压力最小，降低了对弯头外侧的冲压作用，延长了弯头使用寿命。同时通过对比6种速度下3种弯头管道进出口压力损失及出口速度均匀度，发现同等速度下优化弯头进出口压力损失明显低于急转及缓转弯头进出口压力损失：当进口速度达到30m/s时，优化弯头进出口压力损失分别是急转及缓转弯头的49%、37.7%。优化弯头减少了流动漩涡产生的可能性，消除了出口直管段的气流的内壁分离现象，使气体流动得到充分的发展，提高了流体的出口速度均匀度；当进口速度达到25m/s时，3种结构弯头的出口速度均匀度比较接近，但是优化弯头出口速度均匀度仍高于急转及缓转弯头的。

目前，大型矩形方管的设计应用较少，本文对项目中应用到的3种矩形弯头管道进行模拟分析，说明了改善后的矩形弯头在管道内部流场分布、压力分布、进出口压力损失、出口速度均匀度4个方面的优点，以期未来能真正应用到实际工程中，达到节能降耗的目的。

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修改稿日期： 2017-01-20

Numerical Simulation and Design Optimization of Rectangular Duct Elbow

CHEN Meng，JIANG Zhen-zhen，GUO Yong

(WuhuanEngineeringCo.，Ltd.，WuhanHubei430223China)

Currently，many large-scale flue pipes are applied in the low-rank coal quality improving project，and they are mainly designed by the design specifications.For the improvement of the comprehensive performance of rectangular elbow pipe，this paper establishes a numerical simulation of the rectangle elbow pipe by the computational fluid mechanics software Fluent.On the basis of analyzing and comparing the flow distribution，pressure distribution，pressure loss of the inlet and the outlet，uniformity of the exit velocity of three kinds of elbow pipe，this paper points out the comprehensive advantages and application potentiality of the optimized elbow pipe in the engineering practice.

rectangle elbow；numerical simulation；pressure loss；uniformity of the exit velocity

陈猛(1987年—)，男，河南永城人，2014年毕业于郑州大学化工过程机械专业，助理工程师，现从事化工工程项目的管理设计工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.02.006

TU831

A

1004-8901(2017)02-0021-03