离心式引风机气流吹灰的数值模拟

田松峰,李 滢,周 玉

（华北电力大学,河北 保定 071003）

离心式引风机在工作过程中,气体中裹挟的粉尘在外力的作用下,在一定条件下粘结在叶片表面。当粘结量累积到一定程度时,结块在振动、冲击下发生脱落,从而使风机出现瞬间质量不平衡。由于不平衡的存在,风机将发生振动,可直接导致风机停机清灰,造成生产停滞和效益损失。应采取必要措施减少粘灰,延长清灰间隔时间,使风机在恶劣的环境下工作时,能保证较高的效率和安全系数。鉴于以上诸多因素,研究离心式引风机内部的气固两相流动具有重要的现实意义[1-2]。

图1 Y 4-73型离心式引风机实体结构图

1 风机的几何建模

利用计算流体动力学（CFD）进行数值模拟是了解流体机械内部流动状况的重要手段,运用数值模拟技术实现叶轮磨损的预测也是风机磨损研究的发展趋势。

1.1 风机实体模型参数

采用较为常见的Y4-73型离心式引风机进行模型建模,Y4-73型离心式引风机的叶轮由12片后倾机翼斜切的叶片焊接在锥弧形的前盘与平板形的后盘中间。其收敛、流线形的进风口制成整体结构,用螺栓固定在风机入口侧。引风机的具体数据如图1所示。

1.2 风机建模及网格划分

对离心风机建模,一种是分别对离心风机的各个部件进风口、叶轮及蜗壳进行建模,另一种是对包括进风口、叶轮及蜗壳在内的整个风机建立全实体模型。由于本文只需构建风机的二维简化模型,因此采用第一种方法对风机各个部件进行简化建模。

应用Fluent软件的前处理模块Gambit画出风机的空气动力学模型。叶片采用简化的翼型叶片,并分别对蜗壳曲线、叶轮出口圆、各个叶片、叶轮进口圆建立面,之后采用布尔分割法将风机分为蜗壳区域和叶轮区域2个区域。同时采用非结构化网格对风机的蜗壳和叶轮分别划分风格,由于结构和流动复杂性不同,则两部分的网格尺寸也不同。对于叶轮区域,由于受到强烈旋转作用,其流场情况非常复杂,同时叶片结构也复杂,存在小尺寸结构。因此该区域中,网格尺寸要尽可能小。但受到计算机性能限制和可能出现负网格的影响,网格尺寸也不能过小[3]（见图2）。

图2 风机网格

2 两相流数值模拟

2.1 基本方程和物理模型

RNG k-ε模型包括旋转均匀剪切流、射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动及带有分离的流动,能够有效应用于不同类型的紊流流动。因此在离心式引风机内的气相模拟中采用RNG k-ε模型[4]。

在拉格朗日坐标系中,颗粒轨道模型可以在充分考虑颗粒与流体间相互作用的前提下,模拟出复杂经历的颗粒相轨迹,同时也节省了计算存储量。故选用此模型计算离心式引风机内固态颗粒运动轨迹[5]。

颗粒相连续方程：

式中 nk——颗粒数密度;

mk——颗粒平均质量,kg;

vkn——颗粒流速垂直于流管断面的分量, m/s;

τrk——弛豫时间,s;

Fk,Mi——Magnus力,N;

μe——有效粘性系数,kg/（m◦s）;

σY——常数;

Ys——s组分质量分数,%。

2.2 模拟过程和结果分析

采用SIMPLE算法对风机内流场进行非定常流动的数值模拟。根据不可压缩流的特点定义速度进口和流量出口,壁面函数选取无滑移标准壁面函数[6]。

风机进口处的速度进口边界条件默认为均匀速度进口。速度由流量及进口面积换算为3.7m/s。叶片选择移动壁面,叶轮出口为interface,蜗壳出口选择流量边界条件,叶轮内的流体选择Moving Reference Frame,其它边界为默认的壁面边界。计算得到气相的速度分布状况如图3所示,并由此分析造成颗粒沉积的原因[7]。

根据图3中的风机速度分布,气流进入旋转叶片时速度较小,产生垂直于叶片表面的相对速度。在风机叶轮靠近叶轮外缘处的速度很大,使气流高速进入蜗壳,且逐渐减速流出蜗壳[8]。

待非定常流动收敛后,采用离散相模型对加入的颗粒进行数值模拟,并作如下假设[9]：流体在流动过程中不可压缩;假定固体颗粒是具有相同直径、均匀密度的球体;当固体粒子占体积的比例小于5‰时,认为粒子的存在对气流参数的影响很小;忽略粒子间的相互作用;粒子在气流中受到的力主要是气体的粘滞阻力,相比之下其余力可以忽略不计;气固两相具有相同的温度场;不考虑固相与壁面的摩擦力。

表1中初始坐标和速度的设定表示颗粒随气相运动。根据之前的模拟时间选择合适的start time和stop time,之后进行初始化和迭代计算。

图4显示了颗粒在叶轮通道内的分布情况,颗粒主要在叶片的非工作面上沉积,固体颗粒从风机入口进入叶轮通道,首先是一小部分颗粒与叶片前缘相撞。这部分颗粒和叶片前缘相撞后反弹,而后一部分与吸力面发生碰撞,然后进入叶轮通道,被气流裹着甩出叶轮。颗粒在粘性力和离心力的作用下前进一段距离后,再次和叶片表面发生碰撞,这次碰撞发生在叶片压力面的后缘区域。在这两个区域和叶片发生碰撞的颗粒,具有一定的粘性,可粘附在流动边界层内造成沉积[10]。

表1 颗粒边界条件及参数设置

图4 颗粒分布状态

3 气流吹灰

3.1 理论分析

若要清除叶轮上的积灰,射流的流体应满足2个条件：一是直接作用于积灰处,二是具有一定的动量,以便对积灰产生一定的作用力。叶轮上积灰的清扫常用喷水吹灰和喷气吹灰2种方法。喷水过程中存在沿程损失和局部阻力损失,为了满足喷水速度,必须提高喷水压力,需增大提升水压所需的能量,同时喷水量增加使得风机壳上排水孔无法满足及时排水的要求,经常出现风机叶轮浸泡于水中的现象,使喷水清灰失去意义[11]。

对于喷气吹灰,由工程热力学基本原理可知,当喷气速度最大时：

式中 p01——喷嘴出口处气体压力,Pa;

k——气体常数。

由式（3）得p01=0.2 MPa。又因

式中 R——气体常数,对气体R=287 J/（kg◦K）;

T——气体的绝对温度,K。

对于常温下的气体,由式（5）可得喷嘴出口处气体的极限速度为542m/s。

3.2 数值模拟及结果分析

考虑到实际情况和投资需要,采用较易得到的气流速度,加入引风机内进行气流吹扫。由于灰粒主要沉积于叶片前缘和后缘部位,为保证较好的吹扫效果并防止振动,在对称位置加装喷嘴。同时选取不同的气流喷射速度,通过数值模拟验证其对颗粒吹扫的能力。

综合分析图4、图5,在未加吹扫气流前,颗粒随气流发生90°偏转进入叶轮通道,由于受风机内旋转流场的影响,与叶片前缘发生碰撞、沉积。随着吹扫气流的加入,在高速气流吹扫下,颗粒受气流垂直于叶片表面的相对速度的影响减弱,从而减少颗粒与叶片前缘部分的碰磨。且由于颗粒的速度较大,大部分颗粒可直接随气流流出叶轮通道而进入蜗壳空间,减少了在叶片出口处的沉积。

对比图5～图7可知,吹扫气流的速度越大, Fluent通过迭代得到吹扫效果的次数越少,达到较好吹扫效果的时间越短。颗粒速度随气流速度的增大而增大,颗粒的速度越大,叶轮旋转对其影响越小,从而降低颗粒与叶轮撞击的几率,减少固体颗粒在叶片上的沉积。同时高速气流也能在一定程度上改善风机内的流场,对吹扫效果有积极的作用。

图5 颗粒沉积状况

4 结论

a.叶片上颗粒的沉积、碰撞、磨损是由风机内流场的复杂性决定的,特别是边界层分离和回流的作用,蜗壳的不对称性也有一定作用。改善风机内部流场特性能在一定程度上减少颗粒的沉积。

b.采用气流吹扫方法,高速气流直接作用于沉积的颗粒,快速、有效。在条件允许的情况下提高气流吹扫速度,吹扫效果更好。

c.由于模型和参数的简化,本文还有很多不完善的地方有待加强。如可以建立更精确的模型,采用更精确的算法。在后续的工作中,可以改变喷嘴的数量、位置,并与吹扫速度的改变相结合,得到最优的吹扫方案。

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