加热炉风管的数值模拟

王一陶(上海万方博通石油化工工程有限公司,上海200081）

加热炉风管的数值模拟

王一陶
(上海万方博通石油化工工程有限公司,上海200081）

摘要：为保证空气被均匀分配到两台独立的预热器，本文对风道气流分布进行了探讨，以三维稳态湍流模型为基础，通过数值模拟，给出了风道导流板的设置方案，得出了空气在风道内的速度分布。

关键词：导流板；气流分布；数值模拟；加热炉

1前言

国内某大型炼厂加热炉，预热器由两台独立并行的模块组成，其冷空气入口直接与通风机相连。因场地限制，通风机和预热器位置已固定，但必须保证空气被平均分配到两台预热器，否则会引起换热不均，降低转化炉热效率。

2风道的物理模型

文中的风管是指连接通风机出口与预热器入口的管道。研究对象空气为牛顿流体，并假定其不可压缩。̓̓

边界条件：入口：给定入口截面压力；̓̓

出口：对风道压降进行理论计算，并对比以前项目实测风道压降后确定。̓̓

收敛条件：残差绝对值小于10-3。̓̓

计算方法：三维稳态湍流流动，k-ε双方程模型。̓̓

3数值模拟及结果分析

先对初步方案进行分析，优化后得到合理的模型，在此基础上设置导流板，得到比较理想的实用模型。

初次模拟得知，局部区域形成漩涡，有反向气流，增大了压力损失，要避免这种情况，需对初步方案进行优化。对壁板进行弧形圆滑处理，并调整风道壁板角度。

优化后，消除了漩涡及反向气流。且其速度的分布区间明显较初步方案集中，气流分布更加均匀。为使两台预热器得到性质基本一致的两股气流，在风道入口至出口截面中心线间设置导流板，如图1：

图1设置导流板后的风道外形图及速度矢量图（X向）（左）

图2设置导流板后出口截面沿Y轴方向的X向流速（右）

从图1可以看出，此方案消除了漩涡，并且出口速度分布比较均匀。图2中可以看到出口截面从下往上X向速度大体呈增大的趋势，由于空气不可压缩，在区域D1、D2上流量Q1≠Q2，并且其差值较大。后者X向速度的绝对值呈先增大，后减小，再增大的趋势，其拐点在导流板根部附近；截面下半部分速度均值稍小于上半部分，在将导流板由出口中心线上移0.5m后，下半部分流通面积增大，导致上、下部分流量Q1≈Q2。

将图2中速度分布中心线的速度拐点左右两侧分别看做一条直线：f(y)=ay+b；式中a、b为常数，y为距出口截面底部的距离（横坐标），f(y)为截面的X向速度（纵轴），f(y)也是出口截面及与其垂直截面的交线的平均值。

表1X轴向空气速度表

左侧直线：选取直线上两点y=-17，f(y)=-2；y=-12，f(y)=-4：

右侧直线：选取直线上两点y=-9，f(y)=-2；y=-4，f(y)=-4：

左侧直线为截面下部，长约8.5m；右侧直线为截面上部，长约7.5m。

偏差3.6%，大体认为加入导流板后，流经区域D1、D2的空气流量基本相等，即：Q1≈Q2。

通过模拟风管压力，出口区域D1、D2压力基本相等，即：P1≈P2。因此设置导流板后，出口截面气流满足设计要求。

4气流均匀性评价



采用均方根值来评价气流分布的均匀性[1]：

当σ＜0.1时，风道内气流分布均匀性为优，且数值越小，均匀程度越好；当σ＜0.15时，风道内气流分布均匀性为良；当σ＜0.25时，风道内气流分布均匀性为合格；当σ＞0.25时，风道内气流分布均匀性不合格，且数值越大，均匀程度越差。

因此，分别在初步方案（方案1）、优化但未加导流板方案（方案2）、优化后加导流板方案（方案3）的三个模型的出口截面上任取10个点，求出这10个点的速度值，进而求出σ值，见表1。

方案1、方案2的气流分布均匀性都不合格，当设置导流板后，均匀性明显好转，完全满足设计要求。

5结论

建立了空气在风道中流动的数学模型，运用CFD技术对风道进行了数值模拟及计算求解。通过对不同方案的定性、定量分析，使风道的结构得到了优化。通过本文可以看出，布置恰当的导流板能让气流在风道内合理分布，以使换热器得到期望的空气流，保证设备的正常运行。

参考文献：

[1]王淑勤，高香林，胡满银.湍球塔内气流分布均匀性的冷态试验研究[J].华北电力学院学报,1996.

作者简介：王一陶(1981-)，男，硕士，工程师,主要从事:工业炉设计和研究工作。