风道入口段的数值模拟及优化设计

陈炼非，胡 南

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 发电分公司，吉林 长春 130021)



风道入口段的数值模拟及优化设计

陈炼非，胡 南

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 发电分公司，吉林 长春 130021)

根据某工程双吸离心风机风道布置的特殊要求，采用单吸风口、双出口的风道结构。为了保证风机2个进风口空气流量分配的均匀性，利用计算流体力学软件对风道内流动进行了数值模拟。通过模拟结果发现，风道入口的湍流区对出口流量分配影响明显，需要对入口处的空气流动采取导流措施。计算结果显示，优化入口风道结构后，双出口流量分配达到了很好的均匀性。

吸风口；风道；计算流体力学；双吸离心风机

由于受锅炉钢架的影响，某300 MW机组建设工程的双吸离心一次风机及一次冷风道的可利用布置空间非常有限。经过对比分析，确定双吸离心一次风机采取纵向布置方式，风机的两个入口风道在锅炉房吸入部分合并成一个风道，共用一个吸风口。但是，如何设计风机入口冷一次风道结构，使得进入两吸风口的风量均匀分配，是该设计方案的关键。

在工程上风道设计有典型的方式和规范[1]，其前提是对风道内的流体流动进行理论分析和计算。目前流体力学的分析方法包括两大类：经验公式法和理论分析法。经验公式主要是针对特定结构的空间流动(如烟风道)，根据长期工程经验总结的计算方法，该方法对于特定问题计算较为准确，但是可移植性较弱。理论分析法包括解析法和数值法，对于烟风道内的气体流动，雷诺数Re远大于2 300的临界值，属于湍流流动，因此采用数值法进行计算能够获得更准确的计算结果[2]。

数值法也称计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)，是一种由计算机模拟流体流动、传热及相关传递现象的系统分析方法和工具，其基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量场用一系列离散点上变化值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起反映这些离散点上场变量值的集合及场变量之间关系的代数方程组，求解代数方程组获得场变量的近似解[3]。FLUENT是目前应用非常广泛的CFD商业软件，具有丰富的物理模型，能够处理传热、传质、动量传递以及燃烧、多相流和化学反应问题，可用于风道流场的计算分析[4-5]。

为了保证该工程的双吸离心一次风机两吸风口风量均匀性，应用FLUENT软件，对冷一次风道内气体流动进行数值模拟，分析并给出相应的设计方案建议。

1 冷一次风道设计

拟采用的风道入口结构设计如图1所示。为了保证流量分配均匀，考虑了如下措施：

1)对流动转弯处采用了圆弧过渡的处理，目的是通过弯道导流，尽量减少两个弯道处的压降，并使得两个弯道压降尽量接近，进而使流量分配尽量接近；

2)考虑在暖风器后、弯道分叉前的风道中间设置一道长度为L的中隔板；

3)风道入口采用45°倾角的入口。

图1 冷一次风道结构

2 建立模型

实际风道内的内撑、开孔、钢板拼接的缝隙以及暖风器和消音器等附属设备对风道内的气体流动均有影响。为了便于理论分析和计算，对风道进行了简化：一方面忽略暖风器和消音器等附加设备，暖风器可以在一定程度上缓解流动不均的问题，但是在理论分析时不考虑暖风器，可以更直接地反映出风道结构对流动的影响；另一方面，忽略风道内的连接、支撑附件以及钢板缝隙，内壁按理想平滑表面处理。

通过 ICEM CFD 软件建立三维计算模型，如图2所示。模型尺寸按图1所示选取，入口风道截面尺寸为2 800 mm×2 000 mm，分叉后两流道截面尺寸皆为2 800 mm×1 000 mm。由于实体结构并不复杂，采用结构化网格的划分方式。

入口边界条件为Pressure-Inlet，压力为环境压力，与实际工况相符。出口边界条件为Pressure-Outlet，压力设置为风机吸气负压，两出口负压一致。计算中软件会根据系统压降计算流量。

图2 实体建模

为了分析弯道半径以及中隔板等不同因素对流动均匀性的影响，设计了3种不同工况，讨论分隔板以及流道弯曲半径对流动均匀性的影响，如表1所示。

表1 结构尺寸 mm

3 结果及分析

表2给出了3种不同情况的流量分配，从计算结果可以看出，对于3种不同工况，外侧出口的流量明显偏大。改变中隔板长度和弯道弯曲半径，并没有明显改善出口流量份额分配的不均匀性。

图3 风道速度场

外侧出口流量份额内侧出口流量份额CASE158．3%41．7%CASE256．3%43．7%CASE356．4%43．6%

3种不同工况的风道内部速度场分布如图3所示。从图中可以看出，从入口开始，风速延流道截面的分布表现出明显的不均匀性。其主要原因是45°楔形吸风口的下沿钢板的法线方向与速度的法线方向并不一致，使得入口结构对流动产生了强大的搅动，产生湍流；同时，由于风道截面尺寸很大，流动雷诺数Re远大于层流区的数值，因此湍流区持续距离长，需要很长的直段风道才能达到稳定流动状态。在实际工程中，极容易造成流动偏差较大甚至系统振动。

4 设计优化

从上面的计算结果可以看出，合适的入口结构是保证风道内截面流动均匀性的第一步，应尽量保证风道入口处流动平稳顺畅，即钢板的法线方向与气流速度的法线方向一致。建议在设计风道入口时增加必要的导流结构，减少湍流的发生。

图4 吸风口结构

平均风速m/s外侧出口流量内侧出口流量8．550．02%49．98%14．850．01%49．99%24．350．02%49．98%

鉴于入口结构的影响，对CASE 2入口结构进行了优化，在入口处安装一个45°的扇形结构，如图4所示。内半径暂定为500 mm，外半径为2 500 mm。计算结果如图5和表3。从表3可以看出，对于不同的空气流量，两出口流量分配都非常均匀。从图5可以发现，入口处的湍流状况已经得到明显改善，截面速度分布均匀很多。但是由于选取的扇形弯曲半径较小，在入口处还存在一定的不均匀性，建议在实际设计中，根据实际空间扇形入口尽可能选用大的弯曲半径。

图5 优化入口结构后的风道内部速度场

5 结 论

双吸离心风机冷一次风道采用单吸风口、双出口的风道结构。为了保证双吸式风机风道流动均匀性，通过商业计算软件FLUENT对不同结构的风道流场进行了数值模拟计算。得出如下结论：

1)风道中隔板以及转弯处的结构对流动均匀性均有影响，其中风道入口处结构对流动均匀性影响最大。由于风道截面尺寸较大，一旦由于入口结构引起风道内的剧烈湍流和流速分布不均的现象，对分叉处的流量分配将造成严重的负面影响。

2)为了保证风道内截面流动的均匀，应尽量保证风道入口处流动平稳顺畅，即保证钢板的法线方向与气流速度的法线方向一致，建议在风道入口的结构设计时应注意导流，尽量减少湍流的发生。

3)调整后的风道入口结构可以获得相对均匀的截面流动，进而使两出口流量分配更加均匀。

[1]国家电力公司华东电力设计院.DL/T.5121-2000.火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程[S].

[2]陶文铨.数值传热学[M].第2版.西安:西安交通大学出版社,2001.

[3]吕 洁，张 琼，周 勃，等.自然通风作用下计算机房夏季热环境数值模拟[J].沈阳工业大学学报，2016，38(1)：115-120.

[4]耿 页.低阻型烟风道数值模拟及内部流场的优化设计研究[D].天津：天津大学，2014.

[5]冷菊丽.风洞实验模型制造方案研究及新工艺探讨[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2016，12(4)：323-327.

(责任编辑 张 凯 校对 魏静敏)

Simulation and Optimized Design of Air Duct Inlet

CHEN Lian-fei,HU Nan

(Northeast Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,China Power Engineering Consulting Group Co.,Ltd.,Changchun 130021,Jilin Province)

In a project,the air duct structure with one inlet and two outlets was chose to match the special requirement of duct layout for double suction centrifugal fan.In order to keep air flow of two inlets uniformity,CFD software was employed to analyze the air flow inside the duct.Simulation results showed that the turbulent area near duct inlet had significant impact on the flow distribution of two outlets.Structure of inlet needed to be modified.Air flow distribution had achieved good uniformity after the duct inlet being optimized.

suction inlet; duct; CFD; double suction centrifugal fan

2017-03-09

陈炼非(1968-)，男，吉林长春人，高级工程师。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.006

TK223

A

1673-1603(2017)02-0124-04