灰粒冲击换热器管壁碰撞与磨损的数值研究

                         1.宋金钢 1.陈克 1.李坚 1.李文春 2.樊建人
(1．北京市特种设备检测中心，100029；2．浙江大学机械与能源工程学院，310027)
    摘耍：采用直接数值模拟方法对灰粒与受热面管壁的碰撞和磨损问题进行了数值计算。结果表明灰粒尺寸是影响碰撞频率和磨损率的一个主要因素。随着粒径的增大，灰粒与壁面的碰撞频率及磨损率都呈指数增长。当灰粒的冲击角度为2O。左右时，灰粒对壁面的磨损量最大。
    关键词：直接数值模拟；碰撞频率；磨损率
    中圈分类号：TK227．1 文献标识码：A 文章编号：1004—3950(2006)06—0017—04
    0 引 言
    固体燃料在锅炉内的流动和燃烧，煤粉的制备、分离与管道运输，风机和除尘器工作时流动的固体颗粒对叶片表面冲击产生的磨损，烟气中的煤灰粒子对换热器的冲刷等，都会产生严重的冲击腐蚀，影响设备的安全运行和使用寿命。文献[1]报道，在分析对流受热面管束失效的问题中，发现有1／3是由于颗粒的冲蚀磨损所造成，特别是流化床锅炉内埋管，几乎都是冲蚀磨损引起的。
    目前，锅炉受热管的安全检测主要依赖技术人员的经验和个人的判断，这使得受热面管壁缺陷的定性、定位问题存在着很大的不确定性。因此，了解锅炉燃烧过程中灰粒对换热器壁面的碰撞、磨损机理，对减轻磨损、提高设备的抗磨性具有十分重要的现实意义，同时也为安检人员对设备安全的定性、定位分析提供有益的参考。
    本文采用高精度有限差分方法研究空间流体，颗粒跟踪在拉格朗日框架下进行，采用直接数值模拟方法对灰粒与受热面管壁的碰撞和磨损问题进行数值计算，并重点讨论灰粒与受热面壁面发生碰撞时的冲击角度、灰粒尺寸对碰撞频率和磨损率的影响。
    1 数值方法
    在实际工程应用中。灰粒与壁面发生的碰撞大多是非弹性碰撞。Tabakof 在试验固体颗粒对叶片磨损问题时，对颗粒和金属壁面的碰撞做了大量的研究，提出了计算颗粒碰撞前后速度公式：
                
                
    2 结果与讨论
    本文的计算中，假定灰粒为均匀球体，忽略灰粒一灰粒间碰撞，考虑灰粒一壁面问的碰撞，碰撞过程中忽略灰粒的旋转和静电力。计算工况如表1所示。
                 
    2．1 灰粒的运动特性
    图1所示为不同尺寸的灰粒在受热面管壁近壁区的运动轨迹。从图中可以看出，尺寸较大的灰粒由于具有较大的惯性，与管壁来流侧发生碰撞；而尺寸较小的灰粒由于惯性较小，受气流的作用较大，受到管壁后侧的回流区尾涡作用，有部分灰粒沉积。这样，管壁两侧由于受到不同尺寸的灰粒的碰撞而产生了磨损，磨损的程度视灰粒的尺寸大小而定。灰粒对管壁的磨损造成了管壁的减薄，因此安检人员在检测受热面管壁时，应根据炉内的灰粒尺寸大小重点排查管壁的迎风侧和背风侧。
               
              
               
               
               
               
               
                
    3 结 论
    本文采用直接数值模拟方法对不同尺寸的灰粒在受热面管壁的运动进行了研究，重点讨论了灰粒经过管壁的运动特性，分析了灰粒的尺寸对壁面的碰撞频率和磨损率的影响，以及在不同尺寸下的局部碰撞概率和局部磨损率，并且讨论了颗粒的冲击角度对磨损率的影响，希望为安检人员检测受热面管壁磨损的定性、定位问题提供有益的理论参考。