循环流化床锅炉一次风管道结构优化及流固耦合分析

摘要

锅炉机组在设计、建造过程中，考虑空间的有效利用，烟风系统存在很多弯管。由于弯管的结构特点，管内流体呈现复杂的流动特性，如速度分布不均、气固两相流在弯管附近形成分离区等。这些流动特性会造成流体总压和能量损失，会造成风量测量不准、管道振动等。
　　首先，本文针对循环流化床锅炉热一次风管道的弯头多、直管段较短的特殊结构，提出在直管段入口位置加装栅格导流器。利用商业软件ANSYS workbench对栅格导流器结构进行了优化，包括确定导流器的栅格数量、栅格高度、栅格与管道轴线夹角和栅格板厚度等。优化结果为在导流器栅格数量为4×4、并分别与管道轴线成10°夹角、导流板高度为240mm、厚度为4mm时，均流效果较好、阻力损失较小。
　　其次，将理论分析的优化结果在循环流化床锅炉上进行了实验验证。实验在三个工况下测试了安装导流器后热一次风管道内风量测量装置位置的风速分布。实验结果显示，加装导流器后，一次风管道内的风速分布较均匀，说明导流器起到了均流效果。同时，模拟结果与实验结果的吻合较好，说明模拟结果的准确性较高。
　　最后，采用单向流固耦合的方法，利用ANSYS workbench软件，对加装导流器前后的热一次风管道进行了静力学、模态、谐响应、疲劳分析。静力学计算发现，加装导流器后，各工况下一次风管最大变形及最大应力比添加导流器前有小幅增加，说明导流器的添加对一次风管结构有影响，不过影响很小；模态分析发现，添加导流器后的一次风管道比添加导流器前的各级固有频率要小；谐响应分析发现，添加导流器后的一次风管道的共振频率比添加前小；疲劳分析发现，添加导流器前后疲劳分析结果基本相同，说明导流器添加不会对一次风管增加额外的疲劳损伤。
　　通过本文的研究发现，在循环流化床锅炉一次风管道上加装栅格导流器对管道流场有明显的改善，对管道的振动有一定的影响，对管道寿命几乎没有影响。因此，在一次风弯管添加栅格导流器改善流场的方法是可行的。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究情况

1.3 研究对象及研究内容

第二章 数值方法理论基础

2.1计算流体力学

2.2湍流的数值模拟方法简介

2.3单向流固耦合理论基础

2.4 ANSYS Workbench介绍

第三章 一次风管道结构优化

3.1一次风管道存在问题分析

3.2改造方案

3.3 导流器优化数值方法

3.4未加导流器前一次风管数值模拟

3.5导流器优化设计

3.6风量测量位置优化

3.7本章小结

第四章 一次风管道优化结果实验验证

4.1实验前的改造工作

4.2实验内容

4.3实验方法及步骤

4.4数据结果及处理

4.5本章小结

第五章 一次风管道优化设计前后的应力分析

5.1单向流固耦合流程及参数设置

5.2添加导流器前后的一次风管静力学分析

5.3添加导流器前后的一次风管谐响应分析

5.4添加导流器前后的一次风管疲劳分析

5.5本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1主要结论

6.2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果