聚氨酯固化道床烘干设备歧管出气 不均匀性研究及改善措施

高忠军，高春雷，何国华

(1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

聚氨酯固化道床是在质量达标的稳定道床内，均匀灌注由A料和B料混合而成的聚氨酯材料，并施加一定压力，使其顺着道砟缝隙渗入道床底部形成的固化道床[1-2]。聚氨酯固化道床一方面具有有砟轨道弹性良好的优点，另一方面又具有无砟轨道整体性强、稳定和维护方便的优点，在特大跨度桥、道岔区等特殊线路区段有明显的技术优势。聚氨酯固化道床技术在国内具备应用条件，具有良好的发展前景。

聚氨酯固化道床烘干设备是在聚氨酯材料浇注前对道床进行烘干的一种装置，其中出气管道是聚氨酯固化道床烘干设备的重要组成部分，它的作用是把从风机出来的空气经燃烧炉加热后均匀地分配到各歧管，最后流出歧管对道床进行烘干。这种出气管道的缺点是进气管中大部分空气进入稳压腔时在惯性作用下直接进入距离入口较近的歧管内，仅有少量空气遇阻反弹后到达较远的歧管，导致热空气在歧管中分配不均匀[3]。部分歧管中热空气分配过多会导致过度烘干，容易引起歧管附近钢轨过热变形;另一部分歧管中热空气分配不足无法满足施工要求，影响烘干效率。为满足烘干设备出气管道出气均匀性要求，在符合整机布置的情况下，对原出气管道进行优化设计。

1 基础理论

1.1 计算流体力学基本控制方程

1)连续性方程(质量方程)

(1)

式中：ρ为流体密度；ui为速度矢量u在i方向上的分量；Sm为质量源项。

2)动量方程

(2)

式中：t为时间;uj为速度矢量u在j方向上的分量;p为静压力；Fi为外部体积力在i方向上的分量;τij为黏性力τ在i-j平面上的分量。

3)能量方程

(3)

式中：u为速度矢量；T为温度；cp为比热容;k为传热系数;ST为黏性耗散项。

当然多媒体并不是完美无缺的，它的使用也存在一定的弊端和缺陷，如页面频繁切换容易造成学生视疲劳、知识点被分隔让学生难以对课程内容有系统认识等。因此并不能完全丢弃传统的板书，应用多媒体时结合适当的板书进行归纳和解析，便于学生从总体上把握知识结构，这会比完全依赖多媒体教学有着更好的教学效果[5]。

1.2 均匀性评价方法

各歧管流量均匀分配问题实际上是计算各歧管流量偏差问题。歧管流量分配均匀性由各歧管的流量不均匀度EV来衡量[6]，其计算式为

Ev=(φmax-φmin)/φa

(4)

式中：φmax为歧管出口质量流量最大值；φmin为歧管出口质量流量最小值；φa为各歧管平均质量流量。

采用Ev作为均匀性评价指标分析道床烘干设备出气管道时，Ev越小，质量流量在各出口歧管内分配越均匀[7]。

2 出气管道有限元分析

2.1 原出气管道分析

传统的道床烘干设备出气管道由进气管、稳压腔和出气歧管组成，如图1所示。空气由进气管进入稳压腔，由6个出气歧管流出，以实现对热空气的分配。

图1 原出气管道三维模型

图2为原出气管道内部流场仿真迹线，可以看到出气管道内部流场分布极不均匀，空气进入稳压腔后，由于惯性作用保持原有运动轨迹流向稳压腔底部，因此大部分空气进入距离进气管较近的中间歧管，仅有少量空气遇阻后改变方向流入较远处的歧管，这种结构明显不利于歧管出口流量的均匀分配。

图2 原出气管道流场仿真迹线

原出气管道歧管出口流量分配见表1，由式(4)计算得到Ev为52.1%，歧管流量分配均匀性较差。为提高道床烘干设备工作效率，需对出气管道进行优化。

表1 原出气管道不同歧管出口质量流量分配 kg·s-1

2.2 优化方法

出气管道内流体分布不均匀的根本原因在于进气管、稳压腔和歧管之间静压差的沿程改变[9]，若采取外部干预的方法，则能让腔体内流量分布趋于均匀。由于无法使流体在出气管道内分流时动量和静压转化的趋势变得一致，因此仅能考虑从改变阻力方面来调节静压。本文采取改变局部阻力的方式，在特定位置加装导流板来改善歧管出气不均匀性。

图3是V形导流板在稳压腔内的安装位置。本节以V形导流板为研究对象，分别从导流板的夹角、长度及安装高度入手，分析不同导流板布置方案对出气管道歧管流场分布的影响。

图3 导流板安装位置

2.2.1 导流板夹角的影响

图4是长度为270 mm的导流板在安装高度为110 mm，导流板不同夹角时气流速度云图，图5是相应歧管出气不均匀度随导流板夹角的变化曲线。可以看到，随着导流板夹角的变化，歧管出气不均匀度也呈现出先减小后增大的趋势。这是因为导流板夹角的变化可以改变腔体内气流的运动方向，随着夹角的逐步增大，部分空气到达导流板遇阻后沿着导流板长度方向流向两侧远处的歧管内；当夹角大到一定程度时，导流板把大量空气带入两侧歧管，以至于中间歧管分配的流量相比两侧偏小，从而影响各歧管流量的分配。

图4 导流板不同夹角时气流速度云图

图5 歧管出气不均匀度随导流板夹角变化曲线

2.2.2 导流板长度的影响

由于导流板宽度与稳压腔宽度一致，故仅分析导流板长度对出气管道歧管出气不均匀度的影响。图6为夹角55°、安装高度110 mm时，导流板不同长度时气流速度云图，图7是歧管出气不均匀度随导流板长度的变化曲线。可以看出随着导流板长度的变化，歧管出气不均匀度先减小后增大。这是因为随着导流板长度增加，中间歧管被遮挡范围增加导致其进气量减少，相应地两侧歧管进气量增加；当板长增加到一定程度时，中间歧管进气量相对两侧歧管进一步减少，导致出气均匀性恶化。因此若导流板太短，则无法起到导流作用，若太长不仅会增加流动阻力，还会使中间歧管流量过度减少，无法达到平衡流量的目的。

图6 导流板不同长度时气流速度云图

图7 歧管出气不均匀度随导流板长度变化曲线

2.2.3 导流板安装高度的影响

图8 导流板不同安装高度时气流速度云图

图9 歧管出气不均匀度随导流板安装高度变化曲线

把V形导流板顶部到稳压腔顶面的距离定义为导流板安装高度。图8为夹角55°、长度270 mm的导流板分别安装在距稳压腔顶面80～280 mm时气流速度云图，图9为歧管出气不均匀度随导流板安装高度的变化曲线。可知，当导流板靠近稳压腔顶面时均匀性较差，随着高度的增加不均匀性逐渐改善，当高度超过240 mm时均匀性又开始恶化。这是因为导流板在最顶部时，由进气管进来的绝大多数空气被导流板带到两侧歧管，中间歧管进气量较少;随着高度增加，中间歧管进气阻力减小，更多的空气可以进入中间歧管，各歧管进气量逐步平衡；当高度达到一定值时，导流板导流作用减弱，大量空气涌入中间歧管，均匀性又开始变差。

3 正交优化法选取最优参数组合

由上节分析可知，选择适当的导流板夹角、长度和安装高度均可以实现对腔体内部气体的分流，从而达到平衡流量的目的。但是以上仅仅考虑单因素对歧管流量分配不均匀性的影响，尚不能充分反应各种因素协同作用对流量分配不均匀性的影响[10]。因此基于歧管流量分配均匀的目标，以影响歧管流量分配性能的导流板夹角、长度和安装高度3个因素设计正交试验，对出气管道进行优化。根据原出气管道流场仿真迹线(见图2)，选取导流板的参数范围，最终确定导流板夹角作为因素A,导流板长度作为因素B,导流板安装高度作为因素C，得到表2所示的因素水平。

表2 因素水平

采用表3中的方案进行正交设计，得出最终优化方案为A2B3C4，即导流板夹角130°、长度240 mm、安装高度240 mm。与原出气管道相比，歧管出气不均匀度从最初的52.1%降低到优化后的10.1%，歧管流量分配不均匀性得到很好的改善。

表3 正交试验方案

图10、图11为出气管道优化前后气流速度云图，对比发现，对优化后的出气管道，当空气由进气管进入稳压腔并到达导流板，遇阻后呈现向两侧分流的趋势，导流板改变了部分空气的运动方向，使其流向两侧远处的歧管，致使歧管出气更加均匀。

图10 原出气管道气流速度云图图11 优化后出气管道气流速度云图

4 结论

1)安装在出气管道腔体内的导流板的夹角、长度及安装高度的变化都会改变流场分布，布置合适的导流板可以改善歧管流量分配不均匀性。

2)优化后的出气管道能有效引导气流分布，使各个歧管质量流量分配更均匀，最终使歧管出气不均匀度由原来的52.1%降低至10.1%。