煤灰颗粒对管束和槽道壁面磨损的直接数值模拟研究

【摘要】：在煤粉锅炉、换热器、化学反应炉等许多工业应用中,管道表面由于颗粒碰撞而产生的磨损严重影响着设备运行的稳定性和生产的安全性。随着计算流体力学(CFD)的发展,数值模拟成为研究颗粒对材料磨损的有利工具。 本文研究粒径分别为6.2μm、20μm、62μm和200μm的煤灰颗粒与槽道中10×11错列AISI 304不锈钢管束及槽道壁面碰撞时,槽道中间管束的磨损状况、靠近槽道壁面管束的磨损状况以及槽道壁面的磨损状况。其中流场采用直接数值模拟求解,流场与管束之间的耦合采用内嵌边界方法求解,颗粒的运动采用拉格朗日轨道模型求解并考虑颗粒与流体之间的双向耦合。研究得到了圆管和壁面的局部质量磨损率和局部碰撞频率的分布,发现局部质量磨损率对磨损起着主导作用,并得到如下结论： 1对于流向第一列管束,无论是位于槽道中部还是槽道壁面附近的圆管,煤灰颗粒对其总磨损量随着颗粒尺寸的增大而增大。但对于流向第二列以后的管束,直径为62μm的颗粒对这些管束的磨损最大,而直径为6.2μm的颗粒对管束的磨损最小,可以忽略。 2各种尺寸的煤灰颗粒对槽道壁面的质量磨损十分接近。对于直径较小的颗粒(文中为6.2μm的颗粒),由于壁面附近强烈的流体涡运动增加了小尺度颗粒对槽道壁面的碰撞频率,因而增加了颗粒对壁面的磨损量。对于直径较大的颗粒,颗粒惯性的增加使颗粒能够穿越剪切层并与槽道壁面发生碰撞,引起局部壁面质量磨损率的增加,并使得对壁面的质量磨损增大。