颗粒浓度对离心风机磨损的影响规律数值研究

发布于:2021-06-11 02:07:48

2010年第 38卷第 1期           流  体  机  械          

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文章编号 :  1005—0329 ( 2010) 01—0015—04

颗粒浓度对离心风机磨损的影响规律数值研究

梅  丹 ,向晓东 ,幸福堂 ,陈旺生
(武汉科技大学矿产资源高效利用与造块湖北重点实验室 ,湖北武汉  430081)
摘  要 :  当含尘气体经过除尘设备净化后 ,粉尘粒径已经很小 ,在两相流中更多的表现出流动性 ,颗粒浓度成为影响叶 轮磨损的重要因素 。由此 ,可基于雷诺应力湍流模型和 Tabakoff and Grant的磨损模型 ,对离心风机叶轮中气固两相流进 行数值计算 ,得到不同粒径的颗粒在不同的入口浓度条件下对风机压力面的磨损位置 、形态和磨损率 。研究结果表明 , 磨损位置与粒径大小有关 ,颗粒数量浓度对磨损率的影响远高于质量浓度对磨损率的影响 。 关键词 :  离心风机 ;质量浓度 ;数量浓度 ;磨损率 ;数值计算 中图分类号 :  TD441; X936    文献标识码 :  A     doi: 10. 3969 / j. issn. 1005 - 0329. 2010. 01. 005

Num er ica l S im ula tion about Effect Rules of Particles Concen tra tion on Erosion of the Cen tr ifuga l Fan
M E I Dan, X IANG Xiao2dong, X ING Fu2tang, CHEN W ang2sheng (Hubei Key Laboratory for Efficient U tilization and Agglomeration of M etallurgic M ineral Resources,
W uhan University of Science and Technology, W uhan 430081, China)
Abstract:   If the dust laden gas is cleaned by a dust separator, the rest particles become very small. Then, the fine particulate behavior looks like fluid. Therefore, particle concentration becomes one of the most important affecting factors on the impeller ab2 rasion. It is more reasonable to simulate gas2solid two2phase flow field in the impeller of a centrifugal fan by Reynolds StressMod2 el and Tabakoff2grant Erosion Model. The erosion location and rate of working surfaces of blades w ith different particle diameters and inlet concentration can be p redicted. These results show that the erosion location has relationship with different particle diam2 eters, and effects of particles number concentration are more important than particles mass concentration on erosion rates. Key words:  centrifugal fan; mass concentration; amount concentration ; erosion rates ; numerical simulation

1  前言
在建材 、冶金 、化工等部门中运行的风机经常 有固体颗粒渗入 ,有些甚至长期在高浓度固粒的 环境中工作 ,例如输送含灰渣烟气的引风机 ,输送 含矿石粉尘气体的矿井通风机等 。大量固体粒子 以极高的速度运动并与风机叶轮表面碰撞 、摩擦 , 致使风机磨损 ,尤其是叶片磨损最为严重 ,常出现 叶片断裂 、飞车等重大事故 。由于固体颗粒在进 入叶轮机械后的运动轨迹有别于气体 ,它因颗粒 的大小 、质量及流道形状 、气相流场的不同而有不 同的粒子轨迹和运动特性 ,所以研究者往往专注 于揭示颗粒轨迹和磨损的关系 [ 1、2 ] 。

  在钢铁冶炼系统中 ,除尘器对大粒径粉尘往 往有很好的净化效果 ,所以当含尘气体经过除尘 设备净化后 ,小粒径粉尘所占比例较大 ,且含尘浓 度不超过 100~200mg /m3 [ 3 ] 。小粒径粉尘更多的 表现出流动特性 ,随气体运动的趋势明显 ,但对叶 片造成的磨损并不减少 [ 4、5 ] ,所以颗粒浓度是导致 叶轮磨损的重要因素之一 。
本文针对经除尘设备净化后的含尘气流通过 离心风机的情况 ,采用数值模拟的方法研究叶轮 中颗粒浓度和叶片磨损的关系 。这对分析颗粒运 动和改进流场形态 ,以达到减小磨损率 、提高运行 可靠性具有指导意义 。

收稿日期 :  2009—09—17 修稿日期 :  2009—12—11 基金项目 :  2009年湖北省教育厅自然科学青年基金 (Q20091106)

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2 基于气固两相流的风机叶轮磨损率的数值计 算

2. 1 气固两相流数学模型

在叶轮机械的气固两相流中 ,对气相紊流场 , 以往的数值计算大多采用 k - ε双方程模型 ,但是

它对计算强旋流存在较大问题 ,所以本文采用适

合于有旋流动的雷诺应力模型 。雷诺应力模型

(RSM )的优点是可以准确地考虑各向异性效应 ,

如旋转效应等 ,因而对描述离心风机叶轮流场的 紊流流动优于 k - ε双方程模型 [ 6 ] 。

对于颗粒相 ,在拉格朗日坐标系中颗粒轨道

模型可以完整的考虑颗粒与流体间的相互作用 ,

能够模拟有复杂经历的颗粒相 ,而且节省计算存

储量 ,所以采用此模型计算不同粒径的颗粒对叶

片的磨损率 [ 7 ] 。

2. 2 磨损模型和磨损率的计算

粒子的碰撞速度与角度 、粒子本身的属性 、材

料表面的属性都影响到带粒流磨损量 。带粒流对

材料的磨损量 ,通常采用磨损率来表达 。磨损率

可定义为在单位时间内 ,颗粒作用于单位面积材

料表面所切削掉的材料质量 。

粒子对材料的磨损率必须针对特定靶材 、特

定粒子 ,在不同速度 、不同碰撞角度下所作实验而

得到的数据 ,归纳出经验与半经验的磨损率公式

才有实际价值 。

这方面有代表性的工作是 Grant和 Tabakoff

所做的工作 。国内沈天耀等用煤质和石英砂作磨

粒 ,对铝合金 、钛合金 、不锈钢三种材料进行试验 ,

对如下半经验公式进行拟合 ,确定系数 :

  E = k1 f (β1 ) v21 co s2β1 [ 1 - ( 1 - 0. 0016v1

×sinβ1 ) 2 ] + f ( v1N )

(1)

f (β1 ) = [ 1 + k12 sin (β90)β1 ]2

(2)

0

f ( v1N ) = k3 ( v1 sinβ1 ) 4

(3)

式中  E———表面磨损率 , kg / (m2 / s)

β 1

———粒子路径与靶材表面之间的相对角

度, °

v1 ———粒子速度 , m / s

β 0

———最大磨损



,



















对应的冲击角 ,对塑性磨损约 20°左



k1 、k12 、k3 ———材料性质决定的磨损常数

采用国际标准颗粒二氧化硅 , 靶材 (叶轮材

料 )为不锈钢 , 由试验确定 k1 = 5. 225 ×10 - 6 , k12 = 0. 266799, k3 = 0. 549 ×10 - 12 。 [8 ] 上述半经验公式连同叶轮中的粒子运动轨迹

的分析 ,可以用来预测粒子引起的磨损 。其对叶

轮磨损部位的预测与陈汝刚的实验相一致 [ 9 ] ,此

计算方法的可行性已得到证实 [ 5 ] 。

2. 3 叶轮及叶片的几何建模 、网格划分

在 ICEM 里建立的计算域三维几何模型如图

1所示 ,叶轮进口直径 D1 = 400mm ,叶轮进口轮壳

直径 d = 252mm ,叶轮外径 D2 = 1120mm ,叶片进

口安装角

β 1

=

30

°,出口安装角

β 2

= 46.

16 °,叶 片

数 n = 10。

图 1 叶轮的几何模型
为了使计算数据占用内存少 ,计算时间短且 结果准确 ,本文采用结构性网格 ,而且叶片局部网 格加密 ,如图 2所示 。

图 2 流体计算域网格
2. 4 计算条件的设置 (1)边界条件 ,包括进口流速 、转速 、气体流
量 、颗粒流量 、外界大气压力和出口压力 ; (2)物性参数 ,包括固相颗粒 : 二氧化硅 ,密
度 2700kg /m3 , 选 取 颗 粒 的 5 种 不 同 粒 径 D = 10μm , 20μm , 30μm , 40μm , 50μm , 5种不同的质量 浓 度 C = 30mg /Nm3 , 60mg /Nm3 , 90mg /Nm3 , 120mg /Nm3 , 150mg /Nm3 ;气相为标态下空气 ;
(3)考虑相间相互作用阻力系数 : 通过对颗

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粒雷诺数 R ek的计算 , R ek > 1000, 故采用 Netwon 公式 CD = 0. 44;
(4)无滑移壁面条件 。
3  计算结果与分析
3. 1 质量浓度与磨损率 压力面是叶轮中磨损最严重的位置 。图 3和
图 4表示不同粒径的二氧化硅颗粒在不同入口质 量浓度下对叶轮压力面的磨损位置和磨损率 。如 图所示 ,粒径相同时 ,对叶片的磨损位置相似 。粒 径为 20μm 时 ,虽然入口浓度不同 ,磨损最大位置 均在压力面靠*叶轮后盘处 。随颗粒增大 ,粒径 为 50μm 时 ,最大磨损位置仍在叶片下部 ,但磨损 面积增大并变得分散 ,乃至于整个叶片前端都有 磨损 。

磨损程度差异很大 。在工程实际中 ,无法实时的 得到叶轮中粉尘的浓度分布 ,为便于讨论 ,只分析 颗粒在不同进口浓度和粒径下与叶片的最大磨损 率之间的关系 。图 3 和图 4 ( a) 表明 ,对于粒径 20μm 的粉尘 、质量浓度由 C = 30m g /Nm3增加到 C = 150mg /Nm3 ,最大磨损率增加 5倍以上 。同样 对于粒径 100μm 的粉尘 ,浓度增加 ,磨损率也相 应增大 。

( a)  D = 20μm

( a)  D = 20μm

( b)  D = 50μm 图 4 C = 150mg/Nm3时 ,不同粒径的颗粒对压力面的磨损
根据模拟结果将粉尘粒径 10~50μm 间对叶 片磨损率上下限和均值绘于图 5中 。

( b)  D = 50μm 图 3 C = 30mg/Nm3 时 ,不同粒径的颗粒对压力面的磨损
比较图 3和图 4,虽然浓度提高 5倍 ,但磨损 形态仍非常相似 。所以无论初始浓度高低 ,最大 磨损位置不变 。颗粒对叶轮的磨损位置和磨损形 态只与颗粒大小有关 ,与浓度无关 。这是由于颗 粒大小决定了粉尘的受力状态 ,从而形成了不同 的运动轨迹 [ 2 ] ,与叶片的碰撞位置不同 ,导致叶片 被磨损的部位和形态的差异 。
从磨损率考虑 ,颗粒对叶片表面不同位置的

图 5 10~50μm 粉尘最大磨损率随质量浓度变化关系

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从图 5看出 ,虽然粒径不同 ,但最大磨损率均 值随质量浓度增加而增加 ,且几乎呈线性关系 。
同时发现 ,质量浓度 C = 150 mg /Nm3 ,粒径 D = 10μm 的颗粒磨损率为 6. 45 ×10 - 9 kg / (m2 · s) ,而 C = 30 mg /Nm3 , D = 40μm 的磨损率为 7. 41 ×10 - 9 kg / (m2 ·s) ,两者相差无几 。
质量浓度不同 ,粒径大小不同 ,是什么因素决 定磨损率的差别不大呢 ? 研究表明 ,这是因为颗 粒的数量浓度起到了重要作用 。质量浓度相同 时 ,大颗粒的数量少于小颗粒的数量 ,大颗粒与叶 片的接触面积将远远小于小颗粒与叶片的接触面 积 。所以 ,研究颗粒数量浓度与叶片的磨损关系 能更好地反映颗粒对离心风机叶轮的磨损规律 。 3. 2 数量浓度与磨损率
为了分析颗粒数量浓度和最大磨损率之间的 关系 ,将计算条件中的入口质量浓度进行换算 ,得 到不同粒径对应的数量浓度 ,再根据模拟计算所 得的叶片最大磨损率 ,如图 6所示 。
图 6 压力面最大磨损率随数量浓度变化关系
图中直观地反应出颗粒入口数量浓度与最大 磨损率之间的关系 。不论粒径大小 ,磨损率随着 数量浓度的增加急剧增大 ,且粒径越大 ,磨损率增 速越快 。
同时在数量浓度相同的情况下 ,随颗粒直径 增大 ,磨损率也增加 。如数量浓度在 1. 57 ×106 (个 /m3 )时 , 30μm 颗粒的最大磨损率 1. 27 ×10 - 8 kg / (m2 · s) , 40μm 颗粒的 最大磨 损率 3. 15 × 10 - 8 kg / (m2 ·s) , 50μm 颗粒约为 6. 64 ×10 - 8 kg / (m2 ·s) 。

4 结论
( 1 )颗粒大小和入口浓度是影响磨损的重要 因素 。粒径的尺寸决定了颗粒对叶轮的磨损位置 和磨损形态 ,同时粒径和颗粒浓度影响着磨损率 的大小 ;
(2)从磨损率来看 ,不同大小的颗粒磨损率 的*均值随质量浓度增加而增加 ,且几乎呈线性 关系 ;
( 3 )颗粒数量浓度与磨损率的关系能更好地 反映颗粒对离心风机叶轮的磨损规律 。磨损率随 着数量浓度的增加急剧增大 ,且粒径越大 ,磨损率 增速越快
参考文献
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作者简介 :梅丹 (19802)女 ,讲师 ,硕士 ,主要从事流体机械与 安全环保的研究 ,通讯地址 : 430081 湖北武汉市青山区和*大道 947#武汉科技大学资源与环境工程学院 安全与环境工程系 。


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