基于CFD的辅机管道阻力模拟分析及结构优化
熊武1，贺立华1，徐帅睿1
（ 国能丰城发电有限公司，江西 丰城，331100）
摘要：为优化某 320MW 火电机组辅机管网中的流场分布、 提升机组运行效率 ，对管网中三处弯曲管道进行数值模拟 ，对比分析了不同数量和形状的导流板对不同形状弯管内流场分布和压降损失的影响规律。 结果表明：导流板能显著改善弯管出口流场分布 ，减少涡流与二次流动。 增加导流板数量能降低局部阻力损失和出口截面速度偏差 ，导流板数量超过一定阈值后 ，改善效果趋于平缓。 研究结果为实际工业生产中弯管处流场的优化和导流板数量的选取提供了依据。
关键词：数值模拟；导流板；结构优化；压力损失；速度场
0 引言
火电机组辅机管道系统是火力发电厂能量传递与介质输送的核心载体 ，涵盖给水、 蒸汽、烟气等关键介质的传输网络 ，其核心功能在于保障工质（如水、 蒸汽、 烟气） 的安全高效流动， 支撑锅炉-汽轮机-发电机能量链的稳定运行。辅机管道的设计直接影响机组热效率、设备寿命及运行可靠性。然而，实际运行中，辅机管路常因管道结构突变产生流场内速度分布不均、 湍流加剧等问题，导致局部阻力升高、设备磨损加速，甚至引发风机喘振失稳[1-4]。
针对上述问题，流场优化成为降低管道压损、提升运行效率的关键方式。研究表明 ，管道内安装导流板可重构气流分布，具有减小局部阻力、降低能量损耗、 抑制涡流与偏流、优化传热效率等显著优势，是优化管道流场的重要方法[5-7]。 陆华伟[8]等在 SCR 脱硝烟道入口段添加导流板，显著降低了扩张流道出口的速度偏差，抑制大尺度涡流的影响。 王方勇[9]通过分析SCR 脱硝装置结构，发现增加导流板数量可使催化剂表面速度均匀性偏差从34.85%降至9.47%。 叶剑[10]等在空冷单元安装弓形导流板，发现风机出口流速标准差降低54%，噪声下降3.4dB。张敏[11]等设计了圆弧型和弧-直组合型导流板结构并应用与90 ° 转角微流道，发现导流板结构能有效改善微流道转角区的流场对称性并降低二次流强度，但同时也会引起局部阻力系数略微增加。 王镇[12]等结合CFD 仿真对烟道结构进行了优化，实现总降阻554Pa，年节约电量365.8万kWh。王周君[13]等通过数值模拟探究了直角弯管中导流板数量与结构对流场的影响，提出了最优设计方案。范承亮[14]等研究了流体流速变化及道体形状对流场特性、 阻力损失的影响 ，完成了风道系统技改措施的可行性分析论证。张立栋[15]等基于RANS方法对水平轴风力机内部流场进行数值模拟 ，探究了导流板倾角、 长度与间距对风力机输出功率的影响。 Chen[16]等在风力机上游区域安装导流板装置，探究了导流板结构与数量对风机功率的影响规律，获得了能使风力机效率提升 19.4%的流场改装方案。岑海林[17]等利用 CFD 数值模拟探究了导流板板宽、倾角和间距对滤筒除尘器入口段流场均匀性的影响，解决了滤筒除尘器入口滤纸易受损的问题。国内外关于采用导流板进行流场优化的研究已较为充分，但目前的研究主要针对特定的单一形状管道，缺乏对于不同形状管道流场改善效果的对比分析。 本研究选取某320MW火电机组辅机管网中三处不同形状的弯曲管道，采用Fluent 软件对内部流场进行数值模拟，探究导流板形状与数量对管道阻力与速度偏差的影响规律，最终得到三处弯管内增设导流板的最佳数量与形状。
1 计算模型
1.1 几何模型
某电厂 320MW 火电机组辅机管道 A、 管道B、 管道C的几何模型如图1所示。 管道A为垂直管道，管道截面尺寸为1300*2000mm，弯道处管道内外侧均为圆弧型。管道B为垂直管道，管道截面尺寸为3800*2800mm，弯道处内、外侧分别为圆弧型和矩形。管道C为水平管道，管道
截面尺寸为3600*3000mm，弯道处内外侧均为矩形。气流经过90°弯管时流场发生剧烈变化，容易出现紊流、回流等现象，导致局部阻力升高、 流体与壁面分离等现象。本研究在弯管区域添加不同数量与形状的导流板，其厚度与截面面积相比可以忽略不计 ，因此将导流板模型设置为无厚度曲面。将几何模型导入Fluent Meshing中并采用六面体网格进行划分，并在弯管段与导流板附近区域进行局部网格加密，如图 1(d)所示。对管道A、 B、 C网格均进行网格无关性验证，最小正交质量均大于0.5，满足计算时间与精度需求。
图 1 管道 A、B、C 的气体管道几何模型
1.2 数学模型
本文选取的三处管道中工质均为空气。在数值模拟计算过程中，假设流体不可压缩，流动过程定温、 定常。 质量与动量控制方程如下：
式中：u——气体速度；p——压力；ρg——密度； μ——动力粘度； μt——湍流粘度； F——外部体积力。
采用Realizable k-ε湍流模型封闭N-S方程。该模型在旋流模拟、存在流向压力梯度的边界层分析以及流动分离预测等复杂工况中，计算结果能够更准确地反映实际流动状态[18-19] ， 具体方程如下：
式中：k——湍流动能；ε——湍流耗散率；
Gk——平均速度梯度产生的湍流动能；Gb— —浮力产生的湍流动能；YM——可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率影响； C1、 C2、 C3——经验常数，本研究采用中C1 = 1.44 、 C2 = 1.9 、 C3 =0.09[20]。
气体入口均采用质量流量入口，速度方向垂直于进口截面，具体参数如表1所示。 出口均为压力出口 ， 壁面均采用无滑移壁面。
表 1 入口边界条件
2 计算结果分析
2.1 管道A
为分析辅机管道弯管段气流输送情况，模拟了优化前管道 A 内流场，其压力与速度分布如图2 所示。本文中压力均表示总压。 图中可以看出，弯管处气流输送主要存在以下两点问题 ：第 一 ， 弯管内侧拐角处存在明显高速区，说明管道结构突然改变时，气流在离心力作用下向外侧偏移 ，导致内外侧压力突变 ，形成局部涡流；第二 ，弯管出口段流体与壁面发生明显分离 ，气体出现横向二次流动 ，同时出口内侧大面积低压区域容易导致局部回流。涡流与二次流区域内，流体受粘性作用发生剧烈的摩擦与动量转移 ，导致局部阻力增加、 管道流量波动 ，对风机的稳定运行造成不利影响。
图 2 优化前管道 A 流场压力与速度分布云图
为消除涡流与二次流、 减小压力损失 ，在弯管处放置1至6个弧形导流板，形状上表现为多个同心的四分之一圆弧，按相同间距均匀布置。在相同进出口条件下进行模拟，得到不同导流板数量下出入口总压差、导流板出口截面速度偏差如表2所示。可以看出，安装导流板后，弯管阻力损失和截面速度偏差均明显下降 ，且下降幅度逐渐减小。 当导流板数量增加到4之后，再增加导流板对压降损失的影响不大。这是由于此时弯管处流场已基本均匀 ，涡流与二次流基本消除，而导流板本身存在结构阻力，过多的导流板可能导致流动阻力不降反增。
图3、图4为不同导流板数量下管道A流场压力与速度分布图，导流板数量从1至6分别在图中标注(a)至(f)。 可以看出随着导流板数量的增加，出口处流场均匀性明显提高，涡流与二次流区域逐渐缩小。导流板数量达到4后，速度与压力分布均匀性较高，涡流与回流区基本消失。综合考虑导流板的改善效果与安装成本，可认为最佳优化方案为安装4个导流板。
表2 管道A出入口总压差、导流板出口截面速度偏差及其降低百分比
注 ：本文中百分比降低值均以无导流板情况为基准计算
图3 不同导流板数量下管道 A 流场压力分布云图
图4 不同导流板数量下管道A流场速度分布云图与矢量图
2.2 管道B
在管道B弯管内安装1至5个弧形导流板进行流场优化，形状上表现为多个同心的四分之一圆弧，按相同间距均匀布置。表 3列出了不同导流板数量下的管道B弯管进出口压差与出口截面速度偏差。可以发现 ，压差损失与速度偏差均随导流板数量增加而降低，且降幅逐渐减小，数量达到4后数据变化不大。图5、图6分别为不同导流板数量下弯管流场的压力与速度分布云图，(a)至(f)表示导流板数量从0到5。 可以发现，添加导流板后出口处流场更加均匀，速度偏差减少 ，弯管内侧涡流区域明显减小，达到流场优化的作用。 导流板数量达后，流场已基本稳定，再增加导流板对流场优化的效果不大。 因此 ，可认为最佳优化方案为安装 4个导流板。
表 3 管道 B 出入口总压差、导流板出口截面速度偏差及其降低百分比
图 5 不同导流板数量下管道 B 流场压力分布云图
图 6 不同导流板数量下管道 B 流场速度分布云图与矢量图
2.3 管道C
由于管道C弯道内外侧均为直角拐角，结构较为狭窄，无法采用多个半径不同的同心弧形导流板。首先采用图7(a)所示导流板，在圆弧形板两端延伸长度为二分之一半径的辅助直板，下文中均简称为弧形板。 所有导流板保持相同的形状与大小，并按相同间距均匀布置。图8、 图9为不同导流板数量下流场内压力与速度分布， (a)至(f)表示导流板数量从0到5。可以发现，添加导流板后出口段流场均匀性提高，出口侧的横向二次流减弱，阻力损失下降。然而 ，导流板数量较多时，弯道入口段外侧出现了局部高速区域，说明这种导流板形状导致入口处流体率先与内侧导流板接触，流体受到挤压后向外侧堆积，因此出现了外侧流量大、内侧流量小的情况，这样的局部涡流也会一定程度上导致阻力损失的提高。
图 7 弧形与弧-直形导流板示意图（数量为 4）
图 8 安装不同数量弧形导流板时管道C流场压力分布图
图9 安装不同数量弧形导流板时管道C流场速度分布图与矢量图
为解决上述问题 ，在导流板数量为3、 4、 5时，将所有导流板直板段延伸至图 7(b)所示的相同截面，下文中均简称弧-直形导流板。10、图11为安装不同数量弧-直形导流板时流场内压力与速度分布图，(a)至(c)表示导流板数量从3到5。表 4列出了不同导流板形状与数量下弯管进出口压差与出口截面速度偏差。可以看出，延长导流板后流场均匀性进一步提高，同时入口侧局部高速区域减小、 气体横向二次流减弱，出入口总压差大幅降低。由于导流板本身的结构阻力，安装5个导流板的阻力损失相比4个时反而有所提高。 因此，可认为最佳优化方案为安装4个弧-直形导流板。
图 10 安装不同数量弧-直形导流板时管道 C 流场压力分布图
图 11 安装不同数量弧-直形导流板时管道 C 流场速度分布云图与矢量图
表4 管道C出入口总压差、导流板出口截面速度偏差及其降低百分比
通过上述三种不同形状管道改善效果的对比，可以发现弯管内外侧形状对导流板改善效果有较大影响，圆弧型弯管的流场优化效果明显较矩形管道更好。同时，与垂直弯管相比，水平弯管存在入口侧流速不均的问题，需要将传统的弧形导流板延伸为弧-直形导流板，进一步降低弯管处的流动阻力。
3 结论
针对某电厂 320MW 燃煤机组辅机管网中的 A、B、C三处管道，利用CFD软件对弯管内的流动过程进行模拟，具体结论如下：
在弯管处添加导流板可显著改善流场 ，减少内侧涡流与出口二次流 ，降低速度偏差，提升流场均匀性。
导流板形状需适配管道结构： 垂直弯管 A、 B 适配弧形导流板 ， 水平直角弯管 C需采用弧-直形导流板以降低入口流速偏差。与矩形管道相比，圆弧形管道的流场优化效果更加明显。
导流板数量存在优化阈值：增加导流板数量可降低阻力损失和速度偏差，但超过4个后效果趋缓，甚至由于导流板本身的结构阻力导致损失升高。 最优方案为 ：A、B管安装4个弧形导流板，压降可分别降低64.917%、22.516%；C管安装4个弧-直形导流板，压降可降低76. 101%。
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作者简介:
熊武(1976-) ，男，江西九江，本科，高级工程师，发电设备运行与检修管理工作。
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