核化工廠大型排風道三通連接構件優化研究

魏 剛,閆 征,汪朝暉,趙俊龍,袁 超,李鳳臣

(1.中國核電工程有限公司,北京100084;2.中山大學,廣東 珠海519000)

核化工廠區布置有大型地下排風道,局部構件包括大小漸變管路、直角轉彎和“T”形局部風道。本文涉及的科研項目參考其他大型工程領域的通風問題,如白思卓[1]和王雪梅[2]等研究的城市綜合管網通風系統,麻棟[3]等研究的礦山巷道通風,袁博[4]等研究的地鐵通風,戚新秋[5]等研究的人工環境通風,對研究項目的風道流動情況進行三維數據模擬。目前的模擬結果顯示,該項目排風道中的漸變管路與直角轉彎結構,在高Re數工況下其阻力系數基本為常數,且數值較小,對室外風道阻力影響和流量匹配的影響有限,按以往工程經驗可不作為優化的重點。但是,在室外管線眾多且有場地限制的情況下,用于各廠房排風支風道與主風道連接的直角“T”形結構,該結構阻力在室外排風道總阻力中占有很大比例。減少其阻力損失,優化其氣流流場特性,對于排風管道系統的穩定安全運行,減少能源消耗都有重要意義。本文將就這種“T”形三通結構,運用數值模擬方法,探討優化改進的措施,并重點分析通道內添加導流擋板和優化轉角結構方式的優化效果。

1 物理模型及網格劃分

1.1 物理模型

在某工程室外排風道系統中,大部分三通均為“T”形結構,如圖1所示。T形結構中的橫邊對應室外通風系統的干路風道,豎邊則對應連接至廠房的排風支風道。本文出于減少下游干路污染物向上游廠房回流和節能的需求,對T形風道進行優化,提出如圖2和圖3兩種改進設計,分別為增加內置擋板和轉角斜切優化方案。在內置擋板的優化方案中,擋板斜面角度為45°,擋板水平段對支路形成0.5 m的有效遮蔽,通過調整擋板水平面的距離系數kh=h/H以得到不同的優化結果。在斜切轉角的優化方案中,按照圖3(a)所示幾何關系進行設計,并可按照圖3(b)增加導流板的方式強化對轉角結構的處理。

圖1 “T”形三通模型圖Fig.1 The T joint model

圖2 “T“形三通結構擋板優化方案模型Fig.2 The T joint model with optimized baffles

圖3 “T“形三通結構斜切轉角優化方案模型Fig.3 The T joint model with optimized corner

圖3 “T“形三通結構斜切轉角優化方案模型(續)Fig.3 The T joint model with optimized corner

1.2 網格劃分

本文數值模擬均使用六面體網格進行空間離散。其中,典型廠房為T形三通結構,作為原型結構,所用網格的單元總數為198萬,節點數為193萬,綜合質量為0.7,如圖4所示。近壁面網格按照指數增長規律進行加密處理,近壁面第一層網格高度Δs=1.0 mm,增長率為1.25。與原型三通的網格劃分類似,采用相同的網格拓撲方式,繪制擋板優化方案與斜切轉角優化方案的網格,單元總數分別為218萬和226萬,節點總數分別為213萬和232萬,見圖5和圖6。

圖4 某廠房“T”形三通結構網格劃分Fig.4 The mesh of the T joint structure

圖5 某廠房“T”形三通擋板優化方案網格劃分Fig.5 The mesh of the optimized model with baffles

圖6 某廠房“T”形三通斜切轉角優化方案網格劃分Fig.6 The mesh of the optimized model with cut corner

2 邊界條件及工況設置

邊界名稱及相應位置參照圖1至圖3,設置in1和in2為流量入口,設置out為開放式出口,其余壁面設置為非滑移非滲透粗糙壁面。其中開放式出口的背壓為標準大氣壓(1 atm,25℃),壁面根據混凝土材料屬性設置其絕對粗糙度為1 mm。計算時使用不可壓縮模型,流體介質為空氣(1 atm,25℃),密度為1.185 kg/m3,動力黏度為18.31×10-6Pa·s。

該廠房支路(in2)的排風設計工況為70 000 m3/h,上游主干路(in1)設計流量恒定為360 900 m3/h。本文模擬時,根據該廠房三通結構的實際位置,在設定in1風道為設計流量的情況下,將in2風道流量大范圍變化,與in1流量形成變化的流量比,以使模擬結果既包含該廠房三通的設計工況,又可按相似原理覆蓋其他廠房三通的工作范圍。具體流量設置見表1。

表1 某典型廠房三通流量入口參數設置Table 1 Parameter setting of the T joint inlet for a typical plant

3 計算結果及分析

3.1 廠房阻力特性及分析

從數值模擬結果中,提取入口1(in1)、入口2(in2)和三通出口(out)截面的平均總壓,按照公式(1)～公式(3)

分別計算來自不同入口的流體能量損失,得到該廠房三通結構局部損失隨入口流量的變化規律。為了使結果更具一般性,使用兩入口雷諾數之比Re2/Re1作自變量并繪制為圖7。

圖7 廠房“T“形三通結構的阻力特性Fig.7 Loss characteristics of the T joint

圖8 展示了in2流量增大時該廠房三通流場的典型變化過程。首先,隨著in2流量增大,沖擊干路外側壁面形成復雜的旋渦系統,如圖8(b)所示。旋渦系統導致干路氣流阻力系數的急劇升高,如圖7(a)所示。

圖8 該廠房三通模擬結果圖像Fig.8 Simulation results of the T joint

其次,主要存在兩個形態和范圍明確的大尺度旋渦,即in2支路轉角處的外側角渦和內側分離渦,見圖8(a)。

總之, 對于T形三通結構,減弱或消除這些旋渦,是降低風道阻力、提高風道自潔能力和保證排風安全性的重點。

3.2 導流擋板優化設計分析

本文主要考慮參數h,即擋板水平段與支路側干路管壁的距離,對優化方案結果的影響。優化方案模型的具體參數見表2。本節將參數h轉換為比例系數kh=h/H進行控制,并將模擬結果按照相似原理進行歸一化。模擬結果如圖9所示。

表2 “導流擋板”優化方案模型參數Table 4 Model parameters of optimization with baffles

圖10 展示了“導流擋板”優化方案使用不同kh參數時,in2流量增大對流場的典型影響。基本結論如下:(1)導流擋板有效阻止了氣流由干路向支路逆流。(2)導流板未能消除或減小支路內的旋渦流動。圖8中指示的角渦和分離渦,在添加導流板后仍然存在,甚至由于導流板阻礙了分離渦向干路的延伸,導致旋渦強度加強,支路能量損失變大。(3)當hk較小時,導流擋板對支路氣流有一定的整流作用,可消除支路出口旋渦并均勻流量,且支路流量越大效果越明顯。但是支路能量損失大幅提高。

圖9 不同k h參數三通結構的阻力特性Fig.9 Loss characteristics of the T joint optimized with different k h baffles

圖10 不同k h參數的流場模擬結果Fig.10 Simulation results with different k h parameters

3.3 支路轉角優化設計分析

本文采用斜切轉角與增加導流板的方式,優化直角轉彎結構。優化方案的幾何模型和參數見圖3,方案采用直線結構,以方便廠區室外風道的土木施工。模型流量均按照表1進行設置并進行模擬。結果如圖11所示。

由圖11可知,兩種優化方案均具有良好的減阻效果,斜切轉角方案使in1支路阻力系數降為原型的50%、in2支路阻力系數降為原型的40%;切角導流方案使in1支路阻力系數降為原型的75%、in2支路阻力系數降為原型的60%。其中,斜切轉角方案優化效果最佳。切角導流方案效果較差的原因,可能與導流板厚度較厚、非流線型設計等原因,產生了排擠效應等局部損失,降低了減阻效果。

從圖12中可以看出,斜切轉角方案基本將支路外側的角渦消除,同時縮小了支路內側分離渦的尺寸,大大減小回流強度,降低了流動阻力。切角導流方案除了消除角渦,由于導流板強制流量均布,消解了支路內側的大型分離渦,有效抑制了氣流由干路向支路逆流。但是同時可以看出,導流板較厚、入口為鈍體結構,減小了支路的實際過流面積,排擠效應較明顯;且由于導流板形狀非流線形,導致局部產生尺寸較小的渦流,會增大氣體的能量損失。

圖11 斜切轉角方案和切角導流方案三通結構的阻力特性Fig.11 Resistance characteristics of the“cut corner”and“cut&deflector”schemes

圖12 斜切轉角方案和切角導流方案流場的模擬結果Fig.12 Flow field results of the“cut corner”and“cut&deflector”schemes

4 結論

數值模擬顯示,以典型某廠房三通為代表的“T’形三通結構,其風道內存在大尺度旋渦形成的流動死區和回流區,故存在污染物沉積風險。經過對比模擬分析可以得出:

(1)增加支路出口擋板雖然可以有效防止干路氣流逆流回支路,但是難以消除流動死區,以及平衡各支路的阻力系數。所以不建議實施該優化方案。

(2)對三通支路的直角轉彎結構進行切角處理,即可有效消解死區與減小回流,并降低風道流動阻力,同時施工難度小,因此,建議工程上采取該優化方案。