引風機內顆粒沉積的數值模擬

田松峰，李 瀅，周 玉

（電站設備狀態檢測與控制教育部重點實驗室（華北電力大學），河北省保定市，071003）

0 引言

火力發電廠中，引風機將燃料燃燒后形成的煙氣從鍋爐中連續不斷地吸出，并經由煙道排入大氣[1]。引風機雖然設置在除塵器之后，但是由于除塵器并不能將煙氣中的全部固體微粒去除，剩余的固體微粒隨煙氣一起進入引風機，特別是當除塵器不能正常工作時，大量的飛灰顆粒將隨煙氣進入引風機，造成引風機劇烈磨損[2]。

計算流體力學（computation fluid dynanics，CFD）可以將流體力學實驗研究與理論分析聯系起來，用數值模擬的方法研究流體運動的物理特性。本文采用CFD方法研究離心式通風機內部的氣固兩相流動，對風機降低磨損和提高安全性有一定的現實意義。

1 引風機模型

1.1 引風機結構

Y4-73型離心式引風機的葉輪由12片葉片構成，與后傾機翼斜切的葉片焊接于錐弧形的前盤與平板形的后盤中間。收斂、流線形的進風口制成整體結構，用螺栓固定在風機入口側。用來調節風機流量的裝置，軸向安裝在進風口前面。引風機的結構如圖1所示，圖中長度單位為mm。

1.2 建立模型

應用Fluent軟件的前處理模塊Gambit，建立引風機的空氣動力學模型。葉片采用簡化的翼型葉片，以保證得到質量較好的網格。建立起引風機的幾何模型后，分別對蝸殼曲線、葉輪出口圓、各個葉片、葉輪進口圓建立面，之后采用布爾分割法將風機分成蝸殼區域和葉輪區域[3]。

1.3 網格劃分

由于葉輪和蝸殼的結構和流動復雜性不同，則網格的尺寸也不同，在劃分網格時，可分別劃分葉輪和蝸殼的網格。對于葉輪區域，由于受到強烈旋轉作用，其流場情況復雜，同時葉片結構也較復雜，存在小尺寸結構。因此，該區域的網格尺寸要盡可能小。但是，受計算機性能限制和可能出現負網格的影響，網格尺寸也不能太小。綜合考慮，葉輪區域選擇間距為0.8 mm的三角形結構化網格。對于蝸殼區域，其結構相對于葉輪簡單一些，但流動比較復雜且受到葉輪旋轉的影響，所以采用間距為1 mm的三角形結構化網格。引風機網格劃分如圖2所示。

2 氣固兩相流數值模擬

2.1 基本方程

重整化群k-ε模型將重整化群的數學方法應用于瞬時Navier-Stokes方程，該模型中的常數與標準k-ε模型不同，且方程中出現了新的函數或項[4]。重整化群k-ε模型可應用于不同類型的流動模擬，包括旋轉均勻剪切流、包含射流和混合流的自由流動、管道內流動、邊界層流動以及帶有分離的流動。本文采用重整化群k-ε模型，對Y4-73型離心式引風機進行流場的數值模擬。

2.2 邊界條件設置

在Gambit中設置求解器為Fluent 5/6，采用Simple算法對引風機內流場進行非定常流動的數值模擬。根據不可壓縮流的特點，定義速度進口和流量出口。壁面函數選取無滑移標準壁面函數。

引風機進口處的速度邊界條件為勻速，其值為3.7 m/s。葉片選擇移動壁面，葉輪出口為interface，蝸殼出口選擇流量邊界條件，葉輪內的流體選擇Moving Reference Frame，其他邊界設為默認的壁面邊界[5-6]。

2.3 結果分析

Y4-73型離心式引風機的非定常流速度矢量如圖3所示。當氣流流經旋轉葉片時，產生垂直葉片表面的相對速度，由于葉輪葉片不斷做功，氣體速度沿流動方向不斷升高，氣流以較高的流速流入蝸殼，沿蝸殼通道逐漸減小[7]。

待非定常流動收斂后，加入顆粒，采用離散相模型和拉格朗日顆粒軌道模型進行數值模擬，并進行如下假設：（1）流體在流動過程中不可壓縮；（2）固體顆粒是具有相同直徑、密度均勻的球體；（3）當固體粒子所占體積比例小于0.5%時，認為粒子的存在對氣流參數的影響很小；（4）忽略粒子間的相互作用；（5）粒子在氣流中受到的作用力主要是氣體的黏滯阻力，其他力忽略不計；（6）氣固兩相具有相同的溫度場；（7）不考慮固相與壁面的摩擦力[8]。引風機中顆粒的邊界條件如表1所示，表1中顆粒類型為慣性顆粒。

表1 顆粒邊界條件及參數設置Tab.1 Boundary conditions and parameters of grain

表1中初始坐標和速度的設定值表示顆粒隨氣相運動。進行顆粒數值模擬時，首先根據模擬時間選擇合適的啟停時間，再進行初始化和迭代計算。數值模擬得到的顆粒分布狀態如圖4所示。

圖4中，顆粒主要在葉片的非工作面上沉積，固體顆粒從風機入口進入葉輪通道，首先有一小部分顆粒與葉片前緣相撞后發生反彈，而其余部分與吸力面碰撞后進入葉輪通道，被氣流裹挾甩出葉輪。顆粒在黏性力和離心力的共同作用下，前進一段距離后再次與葉片發生碰撞，而這次碰撞發生在葉片壓力面的后緣區域[9-10]。在這2個區域中與葉片發生碰撞的顆粒，若具有一定粘性且在流動邊界層內，就會在葉片表面沉積。而一旦有灰粒沉積就會引起葉片磨損，進而導致風機震動噪聲過大，嚴重影響風機工作效率和性能[8]。

3 氣力吹灰

清除風機葉輪上的積灰，常用的方法有水力吹灰和氣力吹灰。水力吹灰過程中存在沿程損失和局部阻力損失，為了滿足對噴水速度的要求，必須提高噴水壓力，因此需增大提升水壓所需的能量，同時增加了噴水量，使得風機殼上的排水孔無法滿足及時排水的要求，從而出現風機葉輪浸泡于水中的現象，使噴水清灰失去意義。本文采用氣力吹灰方式來消除引風機葉輪上的積灰。

在引風機內加入速度較高的氣流，通過數值模擬驗證其對顆粒吹掃的能力，計算結果如圖5所示。初期顆粒隨氣流發生90°偏轉進入葉輪通道。受風機內旋轉流場的影響，固體顆粒與葉片非工作面發生碰撞，且主要沉積于葉片前緣和后緣部位。

以清除葉片入口處積灰為例，計算清灰氣流應具有的速度。葉輪入口的圓周速度為

式中：D1為葉片進口直徑，m；n為風機轉速，r/min。對于Y4-73型離散引風機，D1=1 m，n=1 450 r/min，由式（1）得u=75.8 m/s。

引風機入口速度分布如圖6所示。圖中：w為相對速度；v為絕對速度。由圖6中的入口速度三角形可知，要使射流作用于積灰處，w和u之間的夾角α應大于葉片入口安裝角，取葉片入口安裝角為45°。當v和u之間的夾角大于90°時，w指向葉片的工作面，射流介質不能對葉片非工作面上的積灰產生直接的作用力，除灰效果不理想；當其夾角等于90°時，除灰效果最好。因此，最佳射流方向為徑向射流[11]，此時，α= 45o，有

由式（2）得v=75.8 m/s，當射流速度大于75.8 m/s時，清灰氣流才能作用于積灰處。考慮到負壓和阻力的影響，取噴嘴氣流速度為90 m/s，為了同時保證吹掃效果和防止振動，在對稱位置加裝噴嘴。加裝噴嘴后，顆粒分布如圖7所示。

由圖7可看出：由于高速吹掃氣流的加入，提高了顆粒速度并減少了由于葉輪旋轉對顆粒運動軌跡的影響；在葉片前緣部分，使顆粒的速度方向偏向葉輪通道，減少與前緣的碰撞；在后緣部位，由于顆粒在進入蝸殼之前仍有較高的速度，從而減少與葉尾部分的碰撞。因此，加入吹掃氣流可減少顆粒與葉片的摩擦，降低沉積概率[10-12]。

4 結論

（1）引風機葉輪內的氣體流動為處于紊流狀態的三元流動，其流動情況相當復雜，而顆粒沉積是由風機葉片非工作面在氣體分離、漩渦流動、附面層流動、葉片表面粗糙度、粉塵摩擦等因素的共同作用產生的。

（2）采用氣流吹掃，氣流可以直接作用到葉片上，使灰粒隨氣流流出。吹灰氣流可從空氣壓縮系統直接引進，易于實現。

（3）通過調整噴嘴，可以得到更好的吹掃效果。

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