（机械电子工程专业论文）热风炉管系结构及内衬结构优化.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 热风炉是高炉炼铁所需的重要设备，它是提供高温高压的空气流经管道供高炉使用。 然而高温高压的空气在通过管道时，热风管道多处内衬大量脱落，并相继出现烧红和漏风 现象，严重影响了送风温度的提高，降低了高炉的生产效率。经研究表明，出现管道烧红 和漏风的原因有两点：首先是管道内高压气流对管道壁薄弱部位冲刷，使得管道壁内衬脱 落。i 其次就是管道受力不合理，导致管道薄弱部位受力偏大。总而言之，热风管道损坏的 关键是其横向变形过大和管道的结构不合理所导致。 针对管道出现的一系列问题，本文首先利用f l u e n t 软件对管道以及气体进行流场分 析，找出高温高压的空气对管道的影响，尤其是应力的影响，从而确定管道薄弱部位，为 以后的结构优化和内衬改进提供依据；其次进行管道的结构优化，主要是根据管道支座和 波纹管的设计要求来对管道的整体结构进行设计，包括管道支座的布置，波纹管的选择以 及内衬的改造；最后利用a n s y s 软件对管道进行热应力分析，验证研究的可行性并确定技 术改造方案。改进方案如下： 首先是管道支座的改进，将原来支管处的拉杆去掉，改为三角架，在热风炉倒流休风 管下游和斜管段下游靠转弯处分别增设2 个固定支座。其实是管道补偿设计，通过不同管 段选择不同补偿方式的波纹管来限制管道的走向。然后是管道拉杆的改进，将原来管道的 分段拉杆改为整体拉杆，消除补偿死区，解决拉杆伸长的补偿问题。最后是管道内衬更新 改造，通过热风炉管系的f l u e n t 仿真，结合管道内部情况，在热风主管与支管三岔口组 合砖处，提出将工作层加厚、减薄非工作层、整体的厚度的不改动。 通过以上改进方案，热风炉提供的风温能够高达1 2 0 0 ，热风管道的变形量也能够保 持在允许范围内，尤其是管道的应力集中部位，如三岔口处的变形减少9 5 左右，波纹管 的受力降低为原来的8 0 左右。也就是说，管道整体的布置走向基本保持不变，管道应力 集中的部位也不会有过大的变形，这样就能保证应力集中的部位不会有内衬脱落的现象发 生，从而解决了管道的发红、鼓包的问题，从而保证了送风温度的要求。 关键词：管道结构：管道支座；有限元分析；波纹管；内衬 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n t sr e q u i r e df o rb l a s tf u r n a c ei r o nm a k i n gi sh o ta i rf u r n a c e h o ts t o v ei su s e dt os u p p l yh i g ht e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h ea i rw h i c hi sf l o w i n gt h r o u g ht h e p i p e l i n ef o rb l a s tf u r n a c e h o w e v e r ，w h e nt h eh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r ea i ri st h r o u g h p i p e s ，al a r g en u m b e ro fl i n e do f t h eh o ta i rp i p ei so f f , a n dt h e nt h er e d - h o ta n dt h ea i rl e a k a g e p h e n o m e n o ni so nt h ep i p e ，w h i c hh a ss e r i o u s l ya f f e c t e dt h ei m p r o v e m e n to ft h ea i rt e m p e r a t u r e ， r e d u c e dt h ep r o d u c t i v i t yo ft h eb l a s tf i l l t l a c e t h es t u d ys h o w st h a t , r e d - h o ta n dt h ea i rl e a k a g e b e i n go nt h ep i p e si sd u et ot w ot h i n g s ：f i r s t , t h eh i g hp r e s s u r ea i rf l o wi nt h ep i p e l i n es c o u r i n g t h ew e a kp a r t so ft h ew a l l so ft h ep i p e ，t h e nt h ep i p ew a l ll i n e do f f ；s e c o n di st h ep i p e l i n e u n r e a s o n a b l es t r e s s ，r e s u l t i n gi nl a r g ef o r c eo nt h ew e a kp o s i t i o no ft h ep i p e m 1i na l l ，t h ek e yo f t h eh o ta i rp i p e sd a m a g e di sc a u s e db yt h el a t e r a ld i s p l a c e m e n to ft h ep i p e l i n ea n di r r a t i o n a lo f t h ep i p e l i n es t r u c t u r e b e c a u s eo ft h es e r i e so fp i p e l i n e ，f i r s t l y ，ia n a l y s i su s i n gf l u e n t s o f t w a r e ，p i p e l i n e sa n d g a sf l o wf i e l d t oi d e n t i f yt h e i m p a c to fh i g h - t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r e t oa i rp i p e s ， e s p e c i a l l yt h es t r e s s ，w h i c hi si no r d e rt od e t e r m i n et h ew e a kp a r t so ft h ep i p e l i n e a l lo ft h e s e a r e f o rt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to fl i n e d s e c o n d l y ，t h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no ft h ep i p e l i n ei sm a i n l yr e f e rt ot h ep i p eb e a r i n ga n db e l l o w sd e s i g n e dw h i c hi s r e q u i r e m e n t st ot h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ep i p e l i n ed e s i g n , i n c l u d i n gt h ea r r a n g e m e n to fp i p e s u p p o r t s ，b e l l o w ss e l e c t i o na n dl i n e dt r a n s f o r m a t i o n ；f i n a l l y , p i p e l i n et h e r m a ls t r e s si sa n a l y z e d b yu s i n ga n s y ss o f t w a r e ，v e r i f y i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h es t u d ya n dd e t e r m i n et h er e h a b i l i t a t i o n p r o g r a m s i m p r o v e m e n tp r o g r a ma r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，i m p r o v et h ep i p e l i n es u p p o r t sa r em e a n i n gt or e m o v i n gt h eo r i g i n a lt r o l l e ya tt h e m a n i f o l da n db e i n gr e p l a c e db yat r i p o d a tt h el o wo ft h eh u g hd u c to ft h eh o ts t o v ea n d o b l i q u ep i p es e c t i o n sa d dt w of i x e db e a r i n g sb yt h ec o r n e ro ft h ep i p e s e c o n d l y ，p i p e l i n e c o m p e n s a t i o nd e s i g ni sm e a n i n gt o s e l e c tad i f f e r e mc o m p e n s a t i o nb e l l o w sa td i f f e r e n tp i p e s e c t i o n st or e s t r i c tt h ed i r e c t i o no ft h ep i p e t h i r d l y ，p i p e l i n er o d si m p r o v e m e n t sa r em e a n i n gt o c h a n g et h eo r i g i n a lp i p e l i n es e g m e n tt r o l l e yt oo v e r a l lt r o l l e yw h i c hi st oe l i m i n a t et h ed e a d c o m p e n s a t i o n , s o l v i n gt h e i s s u e s o ft r o l l e ye l o n g a t i o nc o m p e n s a t i o n f i n a l l y ，p i p el i n e d r e n o v a t i o ni sm e a n i n gt ot 1 1 i c kt h ew o r kl a y e ra n dt h i nt h en o n - w o r k i n gl a y e ro ft h el i n e d , w h i c h i s t h r o u g ht h ef l u e n ts i m u l a t i o nt ot h eh o tm o v ep i p e ，c o m b i n e di n t e r n a ls i t u a t i o no f p i p e l i n ea tt h eh e a do ft h eh o ta i rp i p ea n dd i v e r g e n c eo f t h em a n i f o l d t h r o u g ht h ea b o v ei m p r o v e m e n tp r o g r a m ，t h eh o ts t o v ea i rt e m p e r a t u r ec a l lb eu pt o1 2 0 00 ， t h ea m o u n to fd e f o r m a t i o no ft h eh o ta i rp i p ec a nb em a i n t a i n e dw i t h i na na l l o w a b l er a n g e ，a n d e s p e c i a l l yt h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o np o r t i o no ft h ep i p e l i n e ，s u c ha st h ed i s p l a c e m e n to ft h e d i v e r g e n c ei sr e d u c e dt oa b o u t9 5 o f t h eo r i g i n a l ，t h ef o r c eo ft h eb e l l o w si sr e d u c e dt oa b o u t 8 0 o ft h eo r i g i n a l i no t h e rw o r d s ，t h el a y o u to fp i p e l i n eo v e r a l lr e m a i n e du n c h a n g e d ，p i p e 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 s t r e s sc o n c e n t r a t i o ns i t e sw i l ln o tb et o ol a r g ed e f o r m a t i o n s ot h a tw ec a ng u a r a n t e et h es t r e s s c o n c e n t r a t i o np o s i t i o n sw i l ln o tb el i n e do f f , s o l v i n gt h ep i p e l i n er e d n e s s ，b u l g ep r o b l e m ，w h i c h i st oe l l s u l et h ea i rt e m p e r a t u r er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p i p e l i n es t r u c t u r e ；p i p e l i n eb e a r i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；b e l l o w s ；l i n i n g 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 i i 课题背景及研究意义 第一章绪论 近2 0 年以来，钢铁工业无论是在国家经济水平还是在综合国力上，都占据着十分重 要的地位，它是我国国民经济的重要基础产业。随着中国国民经济的快速发展，中国对钢 铁的需求量越来越大。由1 9 7 8 年的3 7 1 7 万吨增长到2 0 0 7 年的4 8 9 亿吨，而且还呈现出 上升的趋势。虽然面对着2 0 0 8 年世界经济危机的蔓延，全球钢铁行业发展面临巨大压力， 但是，我过对钢铁工业的重视不减。截止到2 0 0 8 年11 月，国务院批复的铁路投资额已经 达到2 万亿元，在交通运输部门制定了投资5 万亿元的计划，政府正在通过加大基础设施 建设拉动钢材需求。 随着钢铁的需求量也越来越大，我国对高炉炼铁技术的要求也越来越高。这对于辅助 高炉炼铁设备之一的热风炉提出了严峻的考验。目前最关注的话题之一就是热风炉高风温 技术的研究。在2 0 0 5 年的“高风温长寿热风炉研讨会 上，从事热风炉研究的专家一致 认为，提高我国风温水平是使我国由炼铁大国向强国转变的重要标志之一。从2 0 世纪5 0 年代到2 1 世纪7 0 年代期间，一系列的领先技术被科技工作者开发出来，如热风炉自身预 热技术、热风炉加热换热技术、数值模拟仿真技术和高温空气燃烧技术等。这些技术的应 用，使得热风炉的温度提高到1 5 0 0 甚至更多。但随着热风炉的温度也在逐步的提高，热 风管道烧红、漏风甚至崩裂已成为热风炉进一步提高风温的一个障碍，提高热风管道以及 送风支管等的稳定性，解决管道烧红和漏风等是一个迫切而又现实的问题。 众所周知，热风炉管道是一个庞大的管网系统，供应热风的管系包括热风支管、热风 主管、送风支管等。然而各个管道并不是相互独立的，而是彼此相互联系的一个整体，更 为复杂的就是管道的受力情况，如果管道的结构设计不合理，那对于高风温要求的热风炉 来说无疑是一巨大挑战。因此，本文以热风管道为研究对象，从管道的结构到管道补偿， 然后是管道内衬的结构。从以下几个方面来研究管道的结构设计： ( 1 ) 了解热风炉整个管系的布置方式，确定管系的主动管，通过对热风炉主动管的 优化设计来确定固定支架以及固定方式。 ( 2 ) 根据管道的固定方式、管道走向以及管道变形量来确定整个管道的补偿设计。 例如，布置管道的形状和波纹管的选择等。 ( 3 ) 管道的固定和补偿设计之后，对管道的内部结构进行研究，主要是对管道内衬 的砌筑，内衬的层数以及内衬的厚度进行分析。包括热风炉管系耐火材料的优化选择等。 方面( 1 ) 中，一个重要的因素就是管道的载荷，根据管道的载荷可以进行管道的跨 距设计和管道支架的设计。方面( 2 ) 是在方面( 1 ) 的基础上，得出管道系统的补偿设计， 根据官网的分段和应力类型选择合适的补偿方式。方面( 3 ) 是利用有限元软a n s y s 进行 对管道进行热分析和热应力的计算，这也是对前两个方面的一个验证，验证管道的结构是 否合理可行。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 通过以上管道的结构设计，能够有效的提高管道送风温度，对于提高高炉的生产效率，保 证高炉的运行稳定和提升高炉的先进性具有直接的现实意义。 1 2 热风炉热风管道的国内外研究现状 1 2 1 概述 1 8 2 8 年，第一台换热风炉的问世使得高炉进入热风冶炼时代，它是由英国人尼尔森 ( j b n e i l s o n ) 发明的，使炼铁风温提高到3 0 0 - - 4 0 0 。1 9 世纪中期到2 0 世纪中期热风炉的 温度逐步提高到6 0 0 - - 8 0 0 1 2 ，主要归功于英国人考贝( e a c o w p e r ) 发明的蓄热式热风炉。 到了5 0 年代末期，随着高炉温度的提高，蓄热式热风炉已经不能满足高炉所需温度，急 需一种新型热风炉来填补这块空白。2 0 世纪5 0 年代末期，联邦德国发明的地得式( d i d i e r ) 外燃式热风炉的问世解决了高炉供温不足的难题。随着高炉入炉风温的提高，一些列新型 热风炉相继问世，如1 9 6 9 年荷兰发明的霍戈文式( h o g o v e n s ) 内燃式热风炉，可以提供的高 炉风温高达1 2 0 0 - - 1 3 0 0 。2 0 世纪5 0 年代，中国开始致力于热风炉高风温的设计发明， 主要的研究成果有内燃式热风炉设计、外燃式热风炉的设计、顶燃式热风炉以及各种改造 的热风炉。至今为止，高炉入炉风温一直是困扰炼铁高效化的一道障碍。除了热风炉本身 设计之外，热风炉管道对风温的影响是至关重要的，是提高风温的不可忽略的因素之一。 1 2 2 国内外热风管管道研究现状 目前，国内外致力于提高风温的研究很多。赵波【i 】、何环宇 2 1 等人针对热风炉的余热 技术探讨了管道提高风温的途径。i f k u n m o v 3 1 通过详细的计算混合空气的在热风炉管 线的损失量提出调节混合空气成分比例来提高风温，a m s a k s a g a n s k i i 4 1 通过添加气体混 合阀来提高热风炉的风温。然而由于管道承受热风炉高风温的原因导致管道破裂的案例有 很多。管道的破裂最常见的方法就是灌浆处理，但有时灌浆会导致管道堵塞。任宏杉【5 】等 人针对这一问题提出了对热风管道风温研究，主要是管道结构支模浇注造衬技术。因此， 热风管道的研究包括管道结构、管道内衬材料以及管道补偿三方面进行设计计算。管道结 构包括管道的支架，管道的受力计算，支架与支架之间的跨距计算。管道的内衬材料主要 从管道砌砖的材料选择、砌砖的层数、以及砌砖的厚度三方面来考虑，通过a n s y s 软件 仿真进行验证。管道的补偿主要是从管道的布置方式以及波纹管的选择与安装。 目前，国内外的热风管道机构的的研究工作可以概括为以下三个方面。 ( 1 ) 管道的结构 管道结构的设计中管道系统的设计占一大比例 6 3 。影响入高炉风温很大一部分原因就 是管道结构设计的不合理【7 - 9 1 。管道设计的不合理就会出管道现发红、鼓包、漏风和内衬掉 砖。管道结构的设计在国内外有很多，曲昭嘉 1 0 1 等人主要针对管架的计算和构造方面进行 设计管道的结构，主要有管架跨度设计、管道支架设计和管道基础设计等。除了管道的基 础设计以外，国振喜【l l 】等人研究了管架的性能、工作特点和管道的布置情等一些列的工艺 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 问题。为管架的静力计算、抗震计算和计算机程序化打下了基础。管道系统的振动【1 2 j 也是 影响风温的重要因素。g i l s a n gj a n g 1 3 】将六希格玛管理理论的引入了热风炉系统，系统阐 述了热风炉热能损失的原因，并针对该问题提出了提高热能利用率的有效办法。除此之外， 管道的受力不均匀也是提高风温的一个瓶颈。陈新栋详细的分析了管道支架的受力机理， 通过分析传统受力计算以及原位测试结构，出算处管道支架的变形和变形量，使得管道受 力分布均匀【1 4 1 。 ( 2 ) 管道的内衬材料 管道的内衬的砌筑技术相对来讲已经比较成熟，但是内衬脱落和出现裂缝的现象时有 发生。主要原因就是管道耐火材料的选择和耐火材料的布置以及层数问题。张文通【1 5 】通过 管道发红鼓包这一问题分析了管道内衬破损的原因并提出了相应的修复措施，结果是内衬 选择不合理，管道内衬无法承受高风温的洗涮。针对管道内衬掉落问题，李宝源【1 6 j 阐述了 管道内衬的砌筑与施工，介绍了不同的管道位置相应的砌筑措施。李友荣【l 介绍的热风管 道内衬的同步设计法说明了管道内径与耐火材料层数以及厚度的关系，比较管道的热风流 量和状态参数来确定管道最佳的内径和耐火材料的厚度。内衬耐火材料的性能对风温也有 影响，徐国涛【1 8 】就对内衬耐火材料成分进行了分析，成分的比例不同对风温的提高有利有 弊。秦伟、孙超永【1 9 】等人针对内衬布置层数的问题进行了详细的探讨，通过设置不同耐火 材料砌筑层数，对比不同情况下的导热量，说明管道内衬层数对高炉入风温度的影响。耐 火材料层数的不同，导热的性能也就不一样，王寿增【2 0 】系统的分析了常见的几种耐火材料 的导热情况，利用a n s y s 软件对耐火材料进行温度场的仿真，研究不同耐火材料在相同温 度下的热损失量。 a t y a k o v e n k o 2 l 】等人也根据混合煤气的成分来分析耐火材料的保温情况。v l s m r y l l k i v g r a m o t n i k 2 2 1 等人运用内衬无损探伤的方法探讨了不同内衬材料下，不同温度 对耐火材料的影响程度，并根据实验测试得到的数据得出管道内衬耐火材料最佳配置。不 同耐火材料的组合，砌筑出的内衬性能也不同，内衬的掉砖与浇注时耐火材料的选择都会 影响原有内衬的性能。l n t 0 r i t s y n 团2 4 】针对内衬的质量问题，结合助燃空气鼓风炉的工作 功率来评判内衬的质量问题。然而灌浆浇注的耐火材料需要什么样的燃烧室，以什么样的 耐火材料作为主要原料，怎么样对喷浆质量进行控制，n i s e l i n l 2 5 做了相应的调查研究。 对于内衬耐火材料的评判标准，很多专家都是用a n s y s 2 6 软件进行仿真分析。李江【2 7 】 就针对耐火材料进行了有限元热分析和热应力分析的调查，总结出有限元技术对耐火材料 的巨大贡献。李永刚幽】和李远兵【2 9 】等人也针对耐火材料进行了有限元的分析，通过对耐火 材料的仿真，得到耐火材料的物理性能曲线，从而为选择耐火材料提供了依据。张德臣【3 0 】 应用有限元软件计算在不同载荷下，耐火材料的热变形量，得出管道耐火材料应力热变 形变形趋向，这也是选择耐火材料的重要依据。 ( 3 ) 管道的补偿 管道的补偿技术对于管道结构的设计是至关重要的一部分，补偿分为人工补偿和自然 补偿，人工补偿主要就是补偿器的补偿。补偿设计的不合理，将严重影响热风炉风温的提 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 高，甚至会出现管道的断裂，引发生成事故。李永生【3 l 】针对波纹管做了详细的说明，从选 型到制造，从设计到国内外波纹管的标准一一进行了说明。董廷凯【3 2 】阐述了波纹管补偿器 的失效形式，主要有腐蚀泄漏和失稳两种。提出了提高波纹管补偿器的安全可靠性的措施。 在热力管道中，波纹管的作用主要体现在吸收管道热膨胀的变形量。补偿器的选择要根据 管道的具体布置情况和所要吸收变形的方向【3 3 】。补偿器也可以缓解固定支架所受到的力， 这对于固定支架节约了很大的成本。王彩霞瞰】阐述了补偿器选择的重要性，将管道支架的 受力大小作为选择波纹管的一个重要参数。波纹管的受力大小也是选择波纹管的重要参数 之一。田野【3 5 】通过计算波纹管受到的力一方面说明波纹管损坏的原因，另一方面说明波纹 管在管道上的安装位置，并对波纹管的安装进行了详细的说明。管道的布置不同，补偿器 的安装也会有所不同，最普遍的管道分段有l 、z 和一字型等管道，不同的管道段，管道 的补偿方式就不刚3 6 - 3 7 。因此，在对管道进行设计时，管道的补偿，尤其是波纹管的补偿 显的尤为突出。 总而言之，提高高炉入风温度，不但要考虑到热风炉的温度的提高，还要考虑热风管 道温度的提高。管道结构设计的合理与否，直接关系到热风炉能否正常工作。所以，通过 管道的结构设计，不但能够有效的提高管道送风温度，对于提高炼铁的产量，保证高炉的 安全运行具有直接的现实意义。但是热风管道所能承受的风温与热风炉所提供的风温相差 还很大，热风管道的设计与研究与国外相比还是有一定的差距。 1 2 3 热风炉管道现状分析 目前，热风管道系统结构无固定点，缺少支撑，处于全滑动状态。风温升高时，管道的 热膨胀量完全由管道自身的柔韧性进行，也就是采用自然补偿，典型热风管道布置结构简 图如图1 1 所示。 1 2 八3 7 i l 热风炉；2 热风主管；3 一波纹管；4 一滑动支座 图1 1 热风炉热风主管结构图 武汉利赦大学硕士学位论文第5 页 这样热风炉热风管道一般存在三种弊端：( 1 ) 由于缺乏固定支座，随着送风温度的 升高，造成管道变形量增大。( 2 ) 全滑动状态的管道受力不合理，比如盲板力，由于盲 板力的作用将拖动热风主管向远离热风炉的方向运动。( 3 ) 管道的内衬结构，由于管道 滑动以及缺乏固定支座的原因将导致管道内衬砌筑变复杂，普通的砌筑难以满足高压气体 的冲刷。因此管道内耐火材料层数以及厚度的选择对于管道结构也有重要的影响。 1 3 研究的目标和内容 通过对热风炉热风管道结构和内衬的改造，满足高炉所需要的高风温的要求，提高热 风管道的稳定性，解决管道烧红和漏风等问题。本文中出现的热风炉热风管道简称为热风 管道。 1 ) 对管道内的高压空气进行仿真，结合流场的理论知识，研究管道内高压空气对管 道壁的影响。利用f l u e n t 软件对管道以及高压空气进行仿真。 2 ) 通过对管道进行受力分析，研究管道的补偿方式，主要是对管道的力学计算和波 纹管的选择。通过对热风炉管系的优化设计来确定管道的结构，主要是管道的固定支架以 及固定方式。 3 ) 根据管道位置和风温的大小，确定内衬的结构，研究管道内衬的材料、层数和厚 度。 4 ) 在管道的结构设计、补偿设计和内衬改造之后，对管道的局部进行仿真，验证管 道壁的温度是否正常。 经过研究内容的分析，拟定研究方案的路线图如图1 2 所示。 图1 2 研究路线图 简单的说就是首先确定管道系统的受力大小，通过管道结构优化和仿真来改善管道的 受力情况，最后通过相关的有限元分析软件进行验证，证实方案的可行性。 一风温应场真广一飙髓触椭暇t 一风受计# 一 一鬈l彀艏算丁 一风流仿一 一墨l馘眦真t 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 4 本章小结 提出了提高热风管道风温的重要性，介绍了国内外对热风炉以及热风管道风温的相关 研究。确定了研究的内容和目的，指出了研究的现实意义。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章热风管管道系统应力仿真 2 1 计算流体力学的基本理论 2 1 1c f d 的理论研究 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是将建立的数学模型用 计算机的语言表达出来的技术。通过c f d 技术，结合流体力学的相关知识，我们可以清晰 的表达流体的一些相关特性。这些特性可以为我们研究的流体工作提供参考【弼】。 根据流体力学的相关知识，无论是气体还是液体，我们都可以用质量守恒方程和动量 守恒方程来描述。其基本的思想就是有限元分析的离散化，只不过c f d 中连续性的对象是 物理量，比如温度场，应力场，组织场等。将这些物理量进行离散化，然后将某一时刻的 流体参数作为初始值带入到质量守恒方程和能量守恒方程中，最后进行求解。这样就可以 得到任意点的流体特性 3 9 4 0 。以上c f d 的基本思路如图2 1 所示。 图2 1c n ) 工作步骤 2 1 2 流体的计算机算法 计算流体动力学简单的描述就是对流体进行数值模拟分析，在分析的过程中，其约束 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 条件就是流体的基本方程【4 1 1 。然后将基本方程用计算机语言表达出来，也就是我们所说的 离散化，通过计算机来求解离散化的方程所得到的解就是流体某个点的特性参数。这些基 本方程遵循三大定律，其一就是质量守恒定律，即在同一个系统中，某一点单位时间内流 经某一截面的总流量与另一点单位时间内流经该截面的总流量相等；其二就是动量守恒定 律，即流体所受到的合力和该流体在单位时间内流体的质量和流速的乘积；其三就是能量 守恒定律，即作用在流体上的力对流体所做的功等于流体在单位时间内能量的增加量。这 些基本方程就是连续性方程、动量方程和能量方程。 ( 1 ) 连续性方程 质量守恒定律可以推导出流体流动的连续性方程，该方程可以表述为： 挈+ 掣+ 掣+ i a ( p w ) ：0即娑+ d i v ( a k ) ：0 ( 2 1 ) a ta xa va z。a t 式中：p 是密度；f 是时间；k 是速度矢量；“、1 ，、w 是速度矢量七在x 、y 、z 坐标 上的分量。 ( 2 ) 动量守恒方程 牛顿第二定律可以推导出流体的动量守恒方程，该方程的表述为： 了a ( p u ) + d i v ( p u k ) ：罢+ 冬+ 冬+ 莘+ 只 ( 2 2 ) o t a xa x d v o z i a ( p v ) + d i v ( p v k ) ：票- 4 - 誓+ 孥+ 誓+ c ( 2 3 ) o t0 v 呶 o v a z 。 掣+ d i v ( p u k ) ：挈+ 冬+ + 冬+ e ( 2 4 ) o to z劣 o r 院 式中：p 是流体所受到的压力；e 、e 和e 是流体所受到的力；是广义力，、 和f 。等是作用在流体表面上的粘性应力f 的分量。 ( 3 ) 能量守恒方程 热力学第一定律可以推导出能量守恒方程，该式可以表述为； 挈+ d i v ( p r t ) ：d i v ( h g r a d t ) + s t ( 2 5 ) 研 c p 式中：c 。是比热容；h 为流体的传热系数；t 为温度：品为粘性耗散能。 2 1 3 方程的离散方法 前面两节都有提到方程的离散，离散是进行c f d 计算过程的关键。离散的方法有很多， 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 最主要的有有限元法、有限差分法和有限体积法。这三种方法的共同点就是将所要计算的 自定义域进行网格划分，即将理论的连续型变量进行离散化。离散出的各个变量我们称之 为节点；不同之处就是应用三种方法划分的网格在网格形式和网格密度等因素上有所差 别，而形式和密度是进行数值计算的重要参数，直接影响计算结构的准确性和精确性。计 算的自定义域划分之后，将离散化的数值带入到流体的控制方程中，这也等同于流体的控 制方程的离散化。这对于应用计算机计算流体的一些特性参数非常重要。 所谓的有限差分法就是用数值求解的方法来求解微分方程和积分方程，将有数值解的 代数方程组来替代原来的微分方程。其基本思路就是用有限个离散点来划分连续的求解 域，用离散变量函数来近似的模拟连续变量函数，用差商来近似的逼近微商，用积分和来 近似的逼近积分。通过求解代数方程组来得到原微分方程的数值解，然后将数值解通过曲 线的拟合来得到其他点的近似解。求解的过程其实就是求解偏微分方程的过程，最为关键 的就是求解域的网格化，怎么样进行模拟替代，如何进行曲线模拟。 在求解的过程中，需要考虑的问题可能有如何进行求解域的网格化，如何用代数方程 组来近似的模拟微分方程，如何确保数值解的存在性、唯一性以及它的精确度；还有就是 相容性和收敛性的要求，所谓相容性指能从不同的方向来逼近原微分方程，收敛性指逼近 微分方程所得到的方程组的解是不是从不同方向逼近原微分方程的解。还有一个重要的因 素就是求解过程的稳定性，因为计算的过程的数据量是很大的，从初值迭代到n 层，如果 从初值计算得到的误差到n 层是逐步扩大的趋势，这样一来，误差就不能得到有效的控制， 那么这个计算过程就是非稳定的，反正，则是稳定的。有限元差分方法的构造有三种方法， ( 1 ) 数值微分法，( 2 ) 积分插值法，( 3 ) 待定系数法。 有限元法就是将方程的值域用特定的单元进行分割，将原来的非线性问题转换为线性 问题进行分析。有限元法的求解过程包含三个方面，( 1 ) 单元的划分，( 2 ) 所划分单元的分析， ( 3 ) 求解。有限元法其实就是一张数值方法。划分的每个单元都有有限个参数的函数，所有 单元的函数就构成一个函数组，求解这个方程组的数值解。 有限体积法就是通过对计算域进行网格划分之后，网格的节点都包含一个微小的体 积，然后对每个微小的体积进行积分从而得到一组方程组，最后求解这个方程组。有限体 积法的优点就是思路清晰明了，便于理解。它的物理意义就是将宏观的能量守恒定律运用 到微观的领域中，基本思想就是计算区域划分的微小单元体能够能量守恒，那么整个计算 区域也就能量守恒了。这也是有限体积法的另一个优点。其实有限体积法相当于有限单元 法和有限差分法的一个结合，求解的近似值和有限单元法类似，但是划分的微小单元 体必须要考虑每个单元体之间的分布，也就类似于有限单元法。 2 2 热风管道流场的分析 热风管道中对流场进行分析，研究管道内高压气体对管壁的压力的影响以及流场的压 力分布。这对于以后分析管道受力提供理论支持。 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 2 1 问题的阐述 如图2 2 所示为热风管道弯管模型，将热风管道中弯管的部分来作为分析对象，弯管 的内径为2 0 9 6 m m ，弯管的外径为3 2 0 0 m m ，管道内充满高压的空气。由于管道内衬有多 层耐火材料，由于本节分析的是管道内高压气体的压力对管壁的影响，所以管道内衬的结 构可以不需考虑。管道处于滑动状态，因此在管道的入口和出口处的约束为0 ，管道风压 为0 5 m p a ，风温按1 2 0 0 1 2 计算。 2 2 2 有限元分析 图2 2 热风管道弯管模型 热风管道系统中，三岔口和弯曲管管段比较多，加之高压空气的流动，使得该部位的 管道受力极不均匀，这就是工程中所谓的盲板力。通过对管道进行流场的分析，计算出管 道内高压气体对管道壁的作用力，找出管道受力较大的部位，为以后的结构优化提供依据。 研究过程无须考虑管道对流体的作用，因此只需进行单向分析。首先用p r o e 软件对弯管 进行建模，然后利用f l u e t n 软件对热风管道内的高压空气进行流体仿真。将弯管的p r o e 建模导入g a m b i t 中进行网格划分。最后在f l u e n t 中进行仿真计算。在f l u e n t 软件建模 所要设置的参数如表2 1 所示，管道内空气和管壁的网格划分模型如图2 3 所示。 表2 11 2 0 0 c 下空气与管壁参数表 密度( k g m 3 )比热( j k g - k )导热系数( w m - k )粘度( k g m - s ) 空气1 0 1 51 3 5 2 0 7 80 0 3 40 8 e - 5 管壁 2 7 1 98 7 1o 1 7 热风管道内的空气流体模型选择k 一占，边界条件设定为流体入口和压力出口，管壁 设置为耦合壁面，最后将g a m b i t 模型导入到f l u e n t 软件进行分析，开启容差收敛方 程，经迭代4 5 次，结果达到收敛。图2 4 为弯管中空气压力对管壁造成的压力。 武汉科技大学硕士学位论文 第1 1 页 图2 3 热风炉管道弯管和高压空气网格 2 2 3 仿真的结果分析 图2 4 弯管中空气对管壁造成的压力分布云图 由理论常识可知，流体在流经管道弯管时，流体的流动速度在弯管处会产生很大的变 化。正是由于弯管的存在，管道内流体的的压力很不均匀，内侧受到的是拉应力，外侧是 受到的压应力。从图2 4 可以得知，管道外壁受到的应力很大，如果管道没有固定的话， 管道很有可能出现很大的变形量，这也就是我们设计管道时要考虑的一个重要因素，那就 是盲板力。盲板力过大对整个管道系统都是一种危害。 管道在弯头处的受力很大。当管道截面发生变化时，都有类似情况出现。当管道处于 全滑动状态时，这些力完全由管道自身韧性吸收或是管道波纹管吸收。这无疑加大了管道 和波纹管的负担，使得管道薄弱部位受到的冲击更加严重，造成管道内衬脱落，出现管道 的发红、鼓包和漏风现象。因此，要防止此问题的出现，就必须对管道的结构进行改进。 2 3 本章小结 本章简要的介绍了计算流体力学的理论知识，利用f l u e n t 软件分析了热风炉管道内 高压空气对管壁的影响，得出管道壁的压力分布，为以后固定支座的设计与布置提供理论 支持。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章热风管管道系统的结构改进 3 1 管道支座的理论阐述 管道的支座是管道支撑的重要部件，他一般由管底座、管支撑柱以及管道横梁等组成。 按照受力和结构的不同，可以将支座分为固定支座，滑动支座和导向支座。支座的设计与 很多因素有关，如管道受到的载荷、工艺资料和地质资料等。其设计原则是根据管道的工 作方式、管道的牵制作用以及支座的选型来进行设计。针对热风炉管道支座的设计主要从 三个方面来描述，其一就是主动管的选择；其二就是管道载荷的计算；其三就是管道补偿 的设计。 3 1 1 主动管的选择 提供高炉热风的热风炉的管道系统相当复杂，如图3 1 所示为管道的结构简图。对于 管道的结构设计，主动管的选择相当重要。所谓主动管就是对所有管道起主要牵制作用的 管道，我们称有主动管的管层为主动管层，其他的管道系统称为非主动管层。热风炉管系 的管道包括热风管、冷风管、烟气管道以及煤气管道等。因此主动管的选择根据以下三个 方面来考虑。 图3 1 热风管道结构模型简图 其一，根据管道支座的类型来选择主动管，如果管道支座为刚性管架，主动管就是管 道系统中质量最大的管道；其二，如果管道支座为柔性管架，管道系统的主动管是根据管 道的质量比来决定的，质量比大于等于o 7 的未主动管。其三，假如没有质量比大于等于 o 7 的管道，则根据管道系统的变形量来选择，变形量越小的管道为主动管道。文中的质 量比我们也可以称为牵制系数。牵制系数也可以根据表3 1 进行选择。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 表3 1 牵制系数选择 序管道层主动管质量牵制系数 号数 管道根数( n ) 全部管质量管架柱管架梁 1 21 o 7 1 o 5 同三根管道 4 o 5 单层三根管单层三 上下4 根 4 时的牵制系数 热风管道整体由三层构成，热风管道，助燃空气、烟气管道和煤气管道。在多管道共 线的情况下，各个管道同时产生温度的动作的可能性是不存在的，因此，合理的设计主动 管道的结构，对于提高管道的稳定性是很有必要的，本文通过管道图纸中的数据，得出热 风管道为主动管，以下进行的设计计算都是针对热风管道。 3 1 2 管道支座设计要求 由于管道系统非常复杂，要保证管道能够正常的工作，固定支座、滑动支座和导向支 座是必不可少的。如果缺少固定支座，这对于我们分析管道的补偿和管道的受力等非常的 不利，而且复杂的管道系统没有办法得到控制，反之，固定支座可以将复杂的管道分解为 简单的典型的管道，这对于管道分析方便很多。滑动支座时保证管道按规定的方向运动， 防止管道意外的变形。导向支座顾名思义就是引导管道按照人为的方向移动。总而言之， 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 管道支座对整个管道系统来说是非常关键的。 ( 1 ) 主固定支座 主固定支座是对管道起主要支撑用，它是将复杂关系分解成简单管段的节点。安装在 几个无约束的管系上，它必须承受的力和力矩主要来自于作用于相邻管道。如管道内介质 产生的流体冲击力和压力推力( 盲板力) ，使波纹管产生额定变形所需的力和力矩，以及 由支座所产生的摩擦力，还有管线和介质的重等。 当选用无约束波纹管时，在下述情况下必须设置主固定支座： 1 ) 管道盲端 2 ) 介质流向改变处 3 ) 管道分支处 4 ) 管道变径处 5 ) 两个波纹管之间的管道上截止阀或减压阀处。 ( 2 ) 次固定支座 次固定支座是用来承受管道的所有载荷，这些载荷不包括管道