工业通风除尘管路直管壁面磨损的数值研究_中国暖通空调网 - 技术交流
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模拟·论文

工业通风除尘管路直管壁面磨损的数值研究
2018-02-28 | 中国暖通空调网 |【
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张俪安1,钱付平1, 鲁进利1,朱淮东2, 张 彪2
1. 安徽工业大学建筑工程学院;2. 中铁上海设计院集团有限公司城建设计院

[摘 要]基于CFD-DPM 对通风除尘管路的磨损进行数值模拟,计算了无烟煤颗粒对直管壁面的磨损率,分析了不同的气流入口速度、颗粒粒径以及粉尘浓度对直管壁面的磨损情况。结果表明,当粉尘粒径和粉尘浓度一定时,直管壁面的最大磨损率随着入口风速的增加呈现先减小后增大,然后再减小的规律,而平均磨损率与入口风速呈负指数关系,满足关系式为E=KV-1.53-1.47,平均磨损率随入口风速的增加而减小,最终趋于0;当入口气流速度一定时,粉尘颗粒对直管壁面的平均磨损率与粉尘粒径呈指数关系,满足关系式为E=Kdp3.253.51;平均磨损率随着粉尘粒径的增加而增大;当入口风速和粉尘粒径一定时,粉尘颗粒对直管平均磨损率与粉尘浓度呈正比例关系,满足关系式为E=KCp,平均磨损率随着粉尘浓度的增加而增大。

[关键词]通风管路;直管;数值模拟;CFD-DPM;磨损率

通风除尘管路的磨损是一种常见的现象,常出现在管道的各处地方,与此同时由磨损所带的危害与经济损失也是不容忽视的,因此管道磨损性质的研究对于减小磨损的发生以及对管道的优化改良具有重要的意义。

虽然通风除尘管道的磨损研究已经越来越广泛,但是传统的管道磨损研究大多偏向于管道的弯管部位以及三通处的研究,而忽略了通风除尘管路中直管段的磨损情况,且在通风除尘管路中,直管段部分占有很大的比重,因此对于直管段的磨损研究同样至关重要。

传统研究磨损的方法主要是实验研究,陈群等[1] 通过实验建立了磨损率与输送速度之间的函数关系,探究了管道磨损与输送速度之间的关系。高万夫等[2] 通过实验探究了管道中气固两相流中颗粒的直径、浓度和材料种类等因素对管道弯头磨损量以及磨损率的影响。但是实验存在周期长,工作量大的特点。且数据的测量、处理复杂,误差较大。随着计算机技术的不断发展,应用数值模拟的方法研究管道磨损也越来越广泛。胡霄乐等[3]采用离散相模型DPM 追踪颗粒行为并研究了细弯管内稀疏气固两相流条件下颗粒的分布情况。何兴建等[4] 利用Fluent 中的DPM 对不同固体颗粒浓度和入口速度情况下的T 型弯头冲蚀磨损进行数值模拟研究。T 型弯头的磨损率并非随固体颗粒浓度或入口速度呈线性上升。Dubey [5] 利用CFD-DEM 耦合的方法对管道弯头的磨损进行计算,并把结果与超声波测距仪测得的结果进行对比,验证了CFD-DEM 对管道弯头磨损预测的可行性。杜俊等[6] 基于CFD-DEM 数值模拟的方法对比了颗粒对弯管上下两部分的碰撞情况,弯管下部的磨损情况要大于弯管上部的磨损情况。

国内外对磨损的研究大多集中在各种工况参数对弯管磨损的影响,而忽略了各工况参数对直管段磨损的影响。因此本工作以通风除尘管路中的直管段为研究对象,基于CFD-DPM 对通风除尘管路中的直管段进行数值模拟,计算不同工况下直管的磨损率,综合考察了入口风速、粉尘特性等对弯管磨损的影响,研究结果可为通风除尘管路的优化设计提供理论指导。

1 计算模型

1.1 固两相流流动模型

对直管磨损进行数值模拟需先要计算气相场,计算时采用湍流(流体的雷诺数Re 1.59×105)、稳态及不可压缩模型。控制方程( 连续性及动量方程)[7] 如下:

采用二阶迎风SIMPLE 算法对离散化动量方程进行压力速度耦合求解,并将连续性方程和动量方程在直角坐标系X,Y,Z 方向上的收敛残差设定在10-6 以内。一旦获得稳定的气相场,就将颗粒从进口以面射流源(Surface) 形式注入计算区域。同时认为颗粒做无旋运动,忽略颗粒与颗粒之间的碰撞[8],本工作考虑的粉尘粒径较大,因此重力不可忽略,颗粒的平衡方程表达式[9] 如下:

式中:u 为空气的速度;up 为颗粒的速度;μ 为流体动力粘度;ρa 为空气的密度;ρp 为颗粒的速度;Re为相对雷诺数;CD 为曳力系数;Fother 为颗粒所受的其他作用力,如虚拟质量力、Basset 力、Saffman 升力、Magnus 升力等,由于这些力作用效果较小,本工作忽略不计。

1.2 冲蚀磨损模型

冲蚀磨损分为冲刷磨损和撞击磨损两类[10]。冲刷磨损是颗粒以较小或与壁面相对平行的冲击角对壁面进行撞击的一种现象,而撞击磨损是颗粒以较大或接近垂直的冲击角对壁面进行撞击的现象。一般情况下冲刷磨损比撞击磨损的磨损率小,这是因为冲蚀磨损是颗粒对壁面通过切削作用形成的磨损,碰撞强度小;但撞击磨损是颗粒通过撞击使壁面产生形变,大量颗粒反复撞击使变形层脱落形成磨损,碰撞强度大。在管壁材料和颗粒材料确定的情况下,磨损率取决于撞击角度、撞击频率、颗粒速度、颗粒粒径等。Zhang [11] 在大量实验研究基础上得出了冲蚀模型,弯管的磨损率计算如下:

式中:mp 是颗粒的质量流量;C(dp) 是与颗粒粒径相关的函数;f(a) 是与碰撞角度相关的函数;a 为颗粒与壁面碰撞的角度,是颗粒运动轨道与壁面间的夹角;b(Vp) 是与颗粒碰撞速度相关的函数。

1.3 直管的边界条件设置

1 为直管的数值模拟计算图,图中D 为直管的公称直径,L 为直管的长度,具体的边界条件如下,计算域入口设为速度入口,出口设为自由出口,直管段长L 2000mm,数值计算所选用的流体为常温下的空气,密度ρa 1.229kg/m3,运动粘度ν 15.7×10-6 m2/s,所选用的固相颗粒为无烟煤粉尘颗粒,密度ρp 1550kg/m3,为了研究的方便,将粉尘粒径统一为单一粒径,且dp 50μm,颗粒粉尘的浓度CP 30g/m3,本文所用的管壁材料为铝质管材。与此同时本文数值模拟所划分的网格为六面体网格。

计算区域及边界条件示意
1 计算区域及边界条件示意

2 结果与分析

2.1 入口风速对直管壁面磨损的影响

不同入口风速下直管壁面磨损率分布云图(dp=50um)
2 不同入口风速下直管壁面磨损率分布云图(dp=50um)

2 5, 10, 15, 20, 25, 30(m/s) 6 种不同入口风速下直管壁面的磨损率分布云图,由图可见,直管壁面的磨损率与入口风速有关,图中的阴影部分的曲面即为磨损的区域,磨损呈辐射状对称分布在曲面的内壁,且磨损面积随着入口风速的增加是逐渐减小的。

 入口风速对直管壁面最大磨损率的影响
3 入口风速对直管壁面最大磨损率的影响

3 给出了入口风速对直管壁面的最大磨损率关系图。在相同的颗粒携带率和粒径条件下,随着入口风速的增加,粉尘颗粒对直管壁面的最大磨损率呈现先减小后增大,然后再减小的趋势,这是因为当入口风速较小时,颗粒对壁面的磨损率大小主要由撞击到壁面的颗粒数目所决定,较小的入口风速使大量的颗粒沉积在直管管壁,撞击壁面的颗粒数较多,因此最大磨损率以及磨损面积较大。当入口速度增加时,沉积在直管壁面的颗粒被气流带走,且少量的沉积颗粒同样可起到缓冲作用,因此最大磨损率以及磨损面积逐渐减小;随着入口风速的逐渐增大,此时颗粒对壁面的磨损率的大小主要由撞击壁面的分速度决定的,随着入口风速的增加,垂直壁面的分速度增强,撞击程度增强,因此颗粒对壁面的磨损率是逐渐增大的。但随着入口风速的持续增大,颗粒的携带率继续增强,此时磨损率的大小主要由撞击点的数目决定的,撞击点减少,因此最大磨损率的大小又随着入口速度的增加而逐渐减小。

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