活动烟罩集箱流量分配数值模拟

2022-05-10王彦刚王洪利梁精龙张振迎

华北理工大学学报(自然科学版) 2022年3期

王彦刚，王洪利，梁精龙，张振迎

(1. 华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063210；2. 华北理工大学建筑工程学院，河北唐山 063210)

引言

?剻??剻?在转炉余热锅炉中，并联管组是活动烟罩重要的配水系统，用于各受热管管内工质流量的分配。活动烟罩内部的环境十分恶劣，受热管路经常出现穿孔、鼓包和破裂等现象，水分配不均是造成这些现象的主要原因之一。并联管组还广泛应用于其它设备，如锅炉集箱系统[1]、换热器[2]、冷凝器、太阳能集热器[3]等，水分配不均会严重影响其换热效率，更严重的甚至会损坏设备，因此研究并联管组流量分配具有重要意义。朱玉琴等[4,5]综述了国内外关于单相流在并连管组内流量分布的研究情况，并归纳了流量分布的理论基础和计算方法。国内学者[6,7]采用数值模拟的方法对集箱几何特性和流量分布的关系进行了深入研究，并各自提出了优化流量均匀分布的方案。刘巍等[8]对比了多种流量分配不均匀性的评价指标，研究发现相对标准方差的方法是衡量不均性较为合理的指标。WANG等[9]通过实验的方法分析了多种改进集箱的方式对平行换热器中流体流量的分布影响，发现与传统的集箱形式相比，每一种改进方式都很大程度改善了其流量分布的不均匀性。

以上研究大部分都较为详细地利用数值模拟和实验的方法深入研究了换热器集箱配水均匀的问题，但尚未见转炉活动烟罩集箱关于受热管流量分布的研究，加之由于几何之间差异较大，上述的研究在活动烟罩设计工作中很难提供可靠的参数来进行指导，因此对于活动烟罩流量分布特性的研究显得尤为重要。该研究同样采用数值模拟的方法对影响受热管流量分布的因素进行详细的讨论，由于实际生产中转炉活动烟罩几何的复杂性，在构建几何模型时，将尽量还原活动烟罩的几何细节，以保证模拟流体区域和实际流体区域的一致性。研究结果将为活动烟罩设计工作中几何参数的确定提供指导。

1并联分布管组模型

1.1 几何形状的研究

该项研究的活动烟罩几何模型如图1所示。该几何模型是由一个配水集箱、一个汇水集箱和多根受热管组成。冷却水从配水联箱进口流入，经过配水联箱的分流把工质分配给各个受热管，然后汇集联箱汇集所有受热管的工质并从汇集联箱出口流出。

图1 主视图和三维模型

1.2 控制方程

连续性方程

(1)

动量方程

(2)

能量守恒方程

(3)

k稳态传输方程

(4)

ε的稳态传输方程

(5)

其中，T——温度，K；u——速度，m/s；ρ——密度，kg/m3；k——湍流动能；ε——湍流能量耗散率；μt——动力粘度，kg/(m·s)；i、j——张量符号。

湍流常数σk=1.0，σε=1.3；经验常数取C1=1.44，C2=1.92。

1.3 边界条件

进口采用速度入口，出口采用自由出流，壁面设置为无滑移条件，选用标准的k-epsilon(k-ε)模型，壁面热流密度设为450 kW/m2，残差收敛标准为10-4。

1.4 网格划分

由于该活动烟罩的几何模型是对称结构，所以在划分网格和fluent数值模拟的过程中，利用其一半的几何结构即可，这样可以大大减小网格的数量，提高运算的速度，对于两侧受热管的编号如图2所示。

利用ANSYS mesh来划分如图2所示网格，在网格划分时采用了2种不同网格划分方法来划分该几何体，集箱部分采用四面体网格，受热管部分是采用扫略的方法划分结构化网格。此外边界层上做了细化，以获得更精确的模拟结果。

图2 网格划分

1.5 网格无关性验证

为了验证网格的无关性采用4种不同网格数量对活动烟罩3D模型进行网格划分，分别为mesh1#、mesh2#、mesh3#、mesh4#，其代表的网格数量依次为3 087 929、3 546 318、5 037 207和6 735 608，由于流量分布是该研究的主要内容，因此将不同网格数量下的流量绘制成如图3所示分布情况。由图3可以看出，mesh1#与其他几个不同数量的网格相比有较大的变化，随着网格数量的增多mesh2#、mesh3#、mesh4#的流量分布趋势趋于一致，因此在后续的模拟计算中采用具有相同计算精度的mesh2#来进行数值模拟。由于活动烟罩几何尺寸较大，产生的网格数量也较多，因此网格划分及数值计算均在具有专业性能的服务器上进行。

图3 受热管的流量分布

2模拟结果

2.1 集箱直径的影响

受热管横截面直径为41 mm，集箱的长度为1 283 mm。配水集箱和汇水集箱的间距为4 656 mm，集箱入口质量流量为14.04 kg/s。分别对集箱直径Dh=69～429 mm区间的3维模型进行数值模拟计算,在图4中可以看出集箱直径在3个阶段中随着Dh的减小，受热管的流量分布曲线趋于平缓，同样也就意味着流量的分布更加均匀。图4所示为集箱受热管流量分布情况，从图4可以明显看出，沿集箱长度方向(由上到下)每个管的流量呈逐渐减少的趋势，并且随着集箱直径的减小这种趋势会更加明显，速度的分布云图如图5所示。在图4(a)可以观察到在Dh<135 mm时，第10根管的流量会有所增大，产生这种现象的原因是在集箱进口流量一定的情况下，随着配水集箱直径减小，集箱内的流速是不断增加的，在高速的流动中，集箱末端的受热管会产生明显的惯性效应。随着直径的进一步增大，在图4(b)、图4(c)中并未出现第10根管的流量的增大，这是由于集箱内部流速的降低导致的。在图4中还可以观察到，在相同水平位置的受热管的流量分布呈对称分布，也就说明在相同水平位置的2个受热管的流量几乎是相同的。

图4 集箱受热管流量分布情况

图5为集箱速度云图分布，配水集箱的速度分配与集箱的静压分布有直接的关系，在沿集箱长度方向的静压如图6所示，从图6可以看出，静压随集箱长度方向(进口水流方向)是不断增大的，并且随集箱直径的减小，集箱内部压力梯度不断增大，静压分布的剧烈变化直接导致了受热管流量分布的不均匀。配水集箱内静压的变化是由管壁的摩擦阻力和动压转换2个原因所致，而导致沿长度方向静压不断增大的主要原因是由于动压不断向静压转换所造成的，此时摩擦阻力并不占主体地位。

图5 集箱速度云图分布

图6 集箱静压分布

2.2 进出口方式对流量分布的影响

受热管理论所需要流量取决于活动烟罩吸收炉气的热量，活动烟罩是控制漏风缝隙面积以及收集从转炉炉口喷出的转炉炉气和燃烧产物的装置，因此活动烟罩的外形需要设计为上窄下宽的结构，这样的设计会致使受热管的长度沿集箱的长度方向依次增加，长度的增加会使得受热管理论吸收热量增加，这就意味着集箱下端的受热管将要吸收更多的热量，同时受热管也需更大流量的冷却水。传统采用“上进上出”冷却水进出方式，如图1(a)所示，通过模拟计算可以得出沿着集箱进口水流方向(由上到下)越靠近下端，受热管的流量越小，如图8所示，而现实情况却是越靠近下端，所需冷却水的流量越大。通过增大集箱直径方式只能使受热管之间的流量分布更加均匀，而不能满足每根受热管依据各自受热能力的理论配水需求。利用并联管组水分配沿着集箱进口水流方向，受热管流量呈逐渐减小的分布特点，把“上进上出”改为如图7所示的“下进下出”即可得到如图9所示的流量分布。

图7 “下进下出”循环方式

图8 受热管和集箱的流线图

图9 “下进下出”循环方式对流量分布的影响

已知该活动烟罩的各项热力性能如表1所示。

表1 活动烟罩的热力参数

根据公式(6)求得冷却水循环量。

(6)

其中，H——活动烟罩总冷却水量，m3/h；Q——总传热量，kJ/h；Ψ——热有效系数；ρ——密度，kg/m3；Δt——冷却水进出口温差，℃；C——冷却水比热容，kJ/(kg·℃)。

在式(6)中，当其他参数一定的情况下，得出H与Q为正比例关系，又因为Q与受热面积的正比例关系，所以可以得出受热管理论所需冷却水量表达式(7)，并根据式(7)计算得到如图9所示的受热管理论流量分布曲线。

(7)

其中，hi——受热管冷却水量，m3/h；H——活动烟罩总冷却水量，m3/h；li——受热管长度，mm；L——受热管总长，mm。

在图9中可以看出 “下进下出”方式中Dh在不同取值条件下沿着集箱出口水流方向(由上到下)受热管流量的分布趋势都是逐渐递增的。Dh=135 mm时这种逐渐递增的趋势更为明显，受热管流量之间差距显著，流量变化的梯度较大，与理想状态下的分布有很大差距，显然不是合理的选择。Dh=429 mm时，流量的分布均匀性为最好，但并不是最佳的流量分布趋势，Dh=209 mm时，流量的曲线与理想状态下的流量分布曲线显然是吻合程度最高的。所以采用“下进下出”的冷却水循环方式，Dh=209 mm显然是最佳的选择。