三通集箱内静压分布的数值模拟

曾宪钰 陈功 庞永敏 / 上海市质量监督检验技术研究院

三通集箱内静压分布的数值模拟

曾宪钰 陈功 庞永敏 / 上海市质量监督检验技术研究院

为了解决大容量电站锅炉过热器、再热器的超温爆管事故，采用数值模拟的方法来分析过热器进口三通集箱的静压分布，并针对三通集箱结构提出具体的改进方案。研究结果表明：在进口集箱三通附近存在涡流区，集箱正对引入管的区域静压最高，远离三通的区域，静压分布与轴向引入、引出方式规律基本一致。倒圆角三通集箱模型与直角三通集箱模型相比，集箱内静压明显升高并且分布更为均匀。

三通集箱； 静压分布； 流量分配

0 引言

随着电站锅炉向大容量高参数发展，过热器、再热器系统更加复杂，其受热面超温爆管的问题更需引起重视。目前大容量电站锅炉过热器和再热器的蒸汽引入、引出管多采用T形三通结构由集箱径向引入、引出。因为在集箱上采用多点径向引入、引出方式相比单点轴向引入、引出方式而言，可以降低集箱中工质流速，使静压变化值减小，从而减小流量偏差。但这种引入、引出方式也存在问题：在分配集箱T形进口三通附近的蒸汽流中存在涡流区，使得该区域的管屏中蒸汽流量偏小。如果这部分管屏的烟气侧热负荷也较高，就很容易发生超温爆管[1]，严重影响锅炉机组的运行安全性。

针对蒸汽径向引入、引出“三通效应”的问题，国内外学者做了大量研究。Pollard A等[2]利用数值模拟的方法对分流三通湍流情况进行三维计算，证实了三通附近涡流区的存在，并且在进口三通附近还存在二次涡流。匡江红等[3]利用数值模拟的方法，研究三通集箱系统的静压分布规律，得出在分配集箱进口三通的两侧存在2个涡流区，正对三通中心线的支管处静压最高，远离三通的区域静压分布与轴向引入、引出方式规律基本一致。卫飞飞等[4]基于SIMPLEC方法编制了相应的计算程序，并与试验结果相比较，得出进口三通两侧存在2个涡流区，使得管屏流量减小；涡流区的影响范围与匡江红等人的研究结果一致。刘进等[5]针对大容量电站锅炉中过热器和再热器集箱的径向引入、引出三通结构进行了数值模拟，结果表明：三通效应在正母线方向、侧母线方向体现出不同的特征，主要原因是在三通区域存在3个明显的回流区，其共同作用决定了三通效应的影响模式。陆方等[6]对集箱三通区域的蒸汽在复杂流动工况下产生的涡流进行了冷态模化试验，发现了影响集箱三通区域静压分布的因素，并得到了一些经验公式用于计算三通区域的压力分布。罗永浩等[7]就T形进口三通对分配集箱流量分配的影响进行了试验及计算分析，得出三通涡流区对集箱静压分布及支管入口阻力系数的影响。从以上国内外学者做的研究来看，主要针对三通集箱涡流区的影响范围和集箱内的静压分布做了大量研究，但对如何使三通集箱内静压分布更均匀的具体改进方案研究较少。因此，本文将利用数值模拟的方法来研究进口三通集箱内的静压分布，并提出具体的改进方案来减小由“三通效应”引起的流量偏差，从而改善采用三通引入和引出的过热器和过热器受热面超温爆管问题。

1 数值模拟方法

1.1 研究对象和网格划分

本文采用软件Pro/Engineer对进口三通集箱进行三维建模。如图1所示，两三通集箱均为φ200 mm等径三通集箱，图1（1）为直角三通集箱，图1（2）在三通引入管与集箱正交处做了曲率连续[8,9]倒圆角，称为倒圆角三通集箱。各支管直径为38.5 mm，分别在集箱正母线和右下40°线处布置。以往研究成果表明涡流区的影响范围为-2D～2D，为更好地研究涡流区对三通集箱内静压分布的影响规律，本文支管数共计15根，覆盖范围为-4D～4D，每根间距为112 mm。三通集箱压力测点在1-15号支管区域内，沿正母线、右下40°线、侧母线以112 mm等间距布置。

图1 三通集箱模型

本文采用Fluent的前处理软件Gambit划分网格。由于网格质量对计算结果的准确性及收敛性有较大的影响，因此选择适应性较好的非结构化四面体网格，整体网格数量约为180万。

1.2 湍流模型

由于标准k-ε湍流模型具有较好的稳定性和较高的计算精度，所以本次模拟采用的模型为标准k-ε模型，其湍流动能k和湍流动能耗散率ε分别为

式中：ρ—— 空气密度；

u、v、w—— 分别为x、y、z方向的速度；

μ—— 空气动力黏度；

k—— 湍流动能；

ε—— 湍流动能耗散率；

Gk—— 由平均速度梯度产生的湍流动能；

σk—— 对于k的湍流普朗特数；

σε—— 对于ε的湍流普朗特数；

C1、C2—— 常数

1.3 边界条件

壁面边界条件：集箱壁面采用无速度滑移和无质量渗透边界条件，即假定相对于固体壁面的气流切向分速度和法向分速度均为零。

入口边界条件：采用速度入口(velocity-inlet)边界条件，直接设定工质的进口速度、密度和动力黏度。

出口边界条件：采用质量出口边界条件，即自由出流(outflow)边界条件。

2 数值模拟结果及分析

为达到通用性的目的，对数值模拟数据进行无量纲化与准则数化处理，将压差用欧拉数Eu表示，特征尺寸为等径三通的内径D，各测点长度方向位置用无量纲长度L'=L/D表示。定义：

式中：u—— 三通进口空气速度，m/s；

v—— 空气在试验工况下的运动黏度系数，m2/s

定义：

式中：pi—— 测点的压强，Pa；

p0—— 三通进口处的静压，Pa；

ρ—— 空气在试验工况下的密度，kg/m3

数值模拟的工质为30 ℃的空气，密度ρ= 1.165 kg/m3、运动黏度系数v=1.6×10-5m2/s。三通进口Re=1.142×106，此时流动已进入第二自模区[6]。本文模拟均在三通两侧分流比（三通左侧流量与三通右侧流量之比）为 1∶1、支管流量比α（支管分流总流量与三通进口流量之比）为0.136 6的工况下进行。

2.1 直角三通集箱

为验证数值模拟方法的准确性，建立直角三通集箱模型，并通过此模型来探索涡流区的大小及三通集箱内静压分布。图2为直角三通集箱模型轴向中间截面静压分布云图。由图中可以看出，正对三通径向引入管处静压最高，主要是由气流滞止作用引起的。在径向引入管和集箱连接处的转弯区域静压较低，这是由于气流在转弯后形成了一个静压较低的涡流区。在远离三通区域集箱静压逐渐升高，与轴向引入的集箱内静压分布规律一致。

图2 直角三通集箱模型轴向中间截面静压分布

图3为直角三通集箱模型轴向中间截面速度矢量图。从图中可以看出，正对三通径向引入管处有明显的气流滞止，在径向引入管和集箱连接处的转弯区域也可以看到明显的涡流区，该涡流区是由边界层的分离现象造成的。由于涡流区占据了部分截面流通面积，使得由径向引入管引入的气流在转弯分流时流通面积减小，导致流速增高，静压下降。由于涡流区下方流速较高，从而导致该处支管静压较低。

图3 直角三通集箱模型轴向中间截面速度矢量图

图4为直角三通集箱模型正母线、侧母线和背母线的静压分布曲线。从图中可以看出，在正对三通引入管的区域，即L/D= -0.5～0.5的区域，正母线处欧拉数Eu最大，说明该区域是受气流滞止而形成的。在L/D= -0.5～-1、0.5～1区域，Eu快速减小，并在L/D为±1左右时达到最小值。在L/D= -1～-2.5和L/D= 1～2.5区域，Eu逐渐增大，随后逐渐升高。由此可见，涡流区影响范围为L/D= -2.5～2.5。三条母线的静压最低点不在同一横截面上，正母线的静压最低点位于L/D=±1.5处附近，而侧母线及背母线的静压最低点位于L/D=±1处附近，这是由于支管的抽吸作用导致的，并且与文献[6]的试验结果相符，说明本文模拟方法是正确的。

图4 直角三通集箱模型Eu分布

2.2 倒圆角三通集箱

通过对直角三通集箱模型的数值模拟分析，验证了数值模拟方法的准确性。因此，借助数值模拟方法提出针对三通集箱结构的改进方案，目的是减小涡流的影响，提高三通集箱的静压并使其分布更为均匀。倒圆角三通集箱模型与直角三通集箱模型在结构上的区别是在径向引入管与集箱正交处做了曲率连续倒圆角，本文倒圆角三通集箱模型的倒圆角半径R为100 mm。

图5、图6分别为倒圆角三通集箱模型轴向中间截面静压分布云图、速度矢量图。从图中可以看出，三通集箱内静压明显升高，在三通径向引入管和集箱连接处的转弯区域涡流已不明显。

图5 倒圆角三通集箱模型轴向中间截面静压分布云图

图6 倒圆角三通集箱模型轴向中间截面速度矢量图

图7为倒圆角三通集箱模型与直角三通集箱模型正母线的静压分布曲线，由图中可以看出，涡流区影响范围同样是L/D=-2.5～2.5，但倒圆角三通集箱模型中静压明显高于直角三通集箱模型，并且分布更为均匀。因此，当支管出口压力相同时，倒圆角三通集箱模型中各支管的流量分配更为均匀。

图7 倒圆角三通集箱模型与直角三通集箱模型Eu分布

3 改进方案

通过对比直角三通集箱模型与倒圆角三通集箱模型的数值模拟结果，可以看出三通集箱结构对三通区域静压分布影响较大。因此，针对倒圆角三通集箱结构，提出优化的改进方案，为今后的三通集箱设计提供可靠的技术依据。通过建立7种不同结构的三通集箱模型，讨论倒圆角半径R对三通集箱内静压分布的影响规律。

图8为倒圆角半径不同的情况下，三通集箱正母线的静压分布曲线。由图中可以看出，当倒圆角半径为50 mm时，三通集箱内静压明显降低，尤其在L/D=-1.5～-1和L/D=1～1.5区域尤为明显，这与直角三通集箱模型静压分布规律一致。随着倒圆角半径的不断增大，三通集箱内静压升高，但在倒圆角半径为150 mm时，继续增大倒圆角半径，对三通集箱内静压分布的影响已不明显。

图8 倒圆角半径不同情况下三通集箱正母线Eu分布

4 结语

1）在进口集箱三通附近存在涡流区，正对三通中心线处静压最高，远离三通的区域，静压分布与轴向引入、引出方式规律基本一致。涡流区影响范围为L/D= -2.5～2.5。

2）倒圆角三通集箱模型与直角三通集箱模型相比，在径向引入管和集箱连接处的转弯区域涡流已不明显，集箱内静压明显升高并且分布更为均匀。

3）倒圆角三通集箱模型中，涡流区仍然存在，并且在-2＜L/D＜-1.5区域中，支管流量相对较小。因此，在集箱布置支管时应考虑此区域对支管流量的影响。

4）对于φ200 mm等径三通集箱模型，当倒圆角半径R为150 mm时，确定的曲率连续倒圆角较为合理。

[1]罗永浩. 管组集箱采用三通结构引入引出对锅炉再热器热偏差的影响[J]. 锅炉技术，1996，（7）：12-15.

[2]Pollard A，Spalding D B. The Prediction of the Three-Dimensional Turbulent Flow Field in a Flow-Splitting Tee-Junction[J]. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1978，13（3）：293-306.

[3]匡江红，刘平元，陈朝松，等. 电站锅炉过热器、再热器集箱静压分布的数值研究[J]. 动力工程，2004，24（2）：166-169.

[4]卫飞飞，缪正清，黄荣国，等. 带三通锅炉集箱的数值模拟和实验研究[J]. 锅炉技术，2010，41（6）：19-22.

[5]刘进，刘平元. 电站锅炉三通集箱系统流量分配的数值模拟[J].动力工程学报，2009，29（6）：528-533.

[6]陆方，王孟浩，李道林，等. 大容量电站锅炉过热器、再热器带三通集箱流量分布试验研究[J]. 动力工程，1996，16（3）：13-19.

[7]罗永浩，杨世铭，王孟浩. T型进口三通对分配集箱流量分配的影响[J]. 动力工程学报，1998，18（3）：29-33.

[8]武振锋，朱黎. 空间曲面连续性的分类及其数学解释[J]. 机械设计，2011，28（2）：5-7.

[9]徐家川，雷雨成. 汽车车身曲面光顺中过渡圆角曲面的构建[J].山东理工大学学报，2007，21（3）：7-11.

Numerical simulation research on static pressure distribution in T-joint header

Zeng Xiaoyü，Chen Gong，Pang Yongmin
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research）

In order to solve tube burst accident due to overtemperature occurring in large utility boiler superheater and reheater, numerical simulation was conducted to analyze the static pressure distribution of the T-joint header and particular schemes aimed at improving the header structure were proposed. The results show that there are vortexes in the zone near the inlet T-joint distribution header. The highest static pressure appears in the branch that is right opposite to the centerline of the inlet tube. The static pressure distribution in the zones far from the inlet T-joint is similar to that of the header with steam flowing in and out axially. Compared with rectangular models, the static pressure of filleted T-joint headers was significantly increased and the distribution was more uniform.

T-joint header; static pressure distribution; flow distribution