动网格技术在模拟换热管沉积灰形成方面的应用

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锅炉受热面的积灰和结渣问题一直困扰着锅炉的运行，并给企业带来较大的经济损失。据统计，由于灰沉积问题，每年我国电站锅炉的损失达上百亿。此外，一些煤种，例如准东煤，由于积灰和结渣现象严重，其利用受到严重限制。预防和减轻锅炉受热面的积灰和结渣问题成为保证锅炉高效稳定运行的一个重要课题。

数值模拟方法可以有效预测灰沉积形成。目前，主流CFD方法大多采用稳态方法，但实际上灰沉积是一个动态沉积过程，在这个过程中沉积灰的形貌在发生变化，同时伴随着沉积灰热导率，空隙率和表面温度的变化。为了准确模拟沉积灰的增长，有必要考虑这些因素的影响，这也是采用动网格的主要原因。

通过耦合动网格方法、沉积模型、DPM 模型及传热模型，我们开发了一套采用非稳态方式预测飞灰的沉积行为的模拟方法，这里主要介绍动网格模型的应用过程。

网格划分要求

以浙江大学300 kW的结渣实验台为模拟对象，动态模拟结渣的形成过程，模拟计算域如图1。

整个计算域长1200mm，宽350mm；

中间位置圆环代表换热管，其外径40mm，厚度2mm。

图1 换热管圆周的网格划分

网格划分推荐采用三角形网格，有利于网格移动及重构。同时，为了能充分求解换热管的绕流流场，换热管圆周的网格需要足够细。采用Gambit的Size function功能对换热管附近的网格进行划分。参数设计：起始尺寸0.2mm，增长率1.25，最大尺寸5mm。

动网格模型设置

动网格计算中网格的动态变化过程可以采用三种模型进行计算：

动态层铺法（Dynamic Layering）
弹簧光顺法（Spring-Based Smoothing）
局部重构法（LocalRemeshing）

这里采用弹簧光顺法和局部重构法。

需要注意的是，使用弹簧光顺法时，计算区域内尽量避免出现较大的变形。当计算区域变形较大时，变形后的网格会产生较大的倾斜变形，从而使网格质量变差，严重影响计算精度。同时，考虑到换热管圆周的网格在变形后依然能满足计算要求，弹簧常数（Spring constant factor）设置尽量小一点，其它参数为默认值即可。

UDF编写

换热管圆周上节点的运动快慢取决于沉积灰的厚度的增长速度。制定节点基本的运动规则：对于管上任意一个节点，其移动的方向为与它相邻的两个面的法相方向之和，而移动量取这两个面上沉积量的平均值。

飞灰沉积一段时间（△t）后，管表面的节点坐标将会发生移动，其移动的表达式如下：

分别表示第i个节点在t时刻的横坐标和坐标值；

表示一段时间（△t）后的横坐标和纵坐标值；

ϴ_i表示节点的移动方向与X轴的夹角；

△h_i表示该节点的移动量。

问题的出现和解决

在计算过程中，出现的问题主要体现在两方面：

1）计算量大；

2）出现负体积。

针对这两个问题，分别提出相应的方式进行解决。

计算量比较大

在模拟过程中，通常需要跟踪几百万的颗粒，即使采用并行计算，运行速度依然比较慢。模拟流动1s通常需要数个小时，这样的模拟速度难以满足太长时间（比方几天或几周）的积灰过程。

为尽量缩短模拟时间，我们采用沉积灰的异步增长模式，即沉积灰的增长与模拟时间不同步。例如，在一定运行时间内，理论上沉积灰的增长厚度为Y mm，而实际上模拟中沉积灰的厚度为 NY mm ，其中N 为放大因子。

计算过程容易出现负网格

第二个问题产生的根源，主要是沉积灰分布不均或增长速度过快。因此在模拟过程中，需要适当选择沉积灰厚度的放大因子N的值。

另外，在处理沉积灰的分布时，首先将换热管上的面分成若干的组，然后对同一个组内的所有的面进行平均化处理，并对连续的若干组进行加权平均处理：

△h_i 下标从i-2 到 i+2分别代表连续5个面组的移动量；φ_i下标从i-2到i+2分别代表连续5个面组的加权因子，

代表第i组更新后的移动量。加权因子的推荐值为φ_i-2= φ_i+1=3；φ_i-1= φ_i+1=1；φ_i=6。

随后进一步对换热管圆周网格进行检查。如发现有些地方出现尖峰，判断原则为：三个点形成的顶点夹角是否超过临界值，否则这个顶点将调整到其重心内。这里临界值取165°。

模拟结果

图 3 表示模拟预测的沉积灰随时间的变化情况，图4 表示实验获得的最终的沉积灰形貌。

图3 预测的沉积灰形貌随时间的变化

图4实验获得沉积灰的形貌

总体上来说，预测的沉积灰的形貌与实验结果相当吻合。

预测的沉积灰最终的形貌云图如图5所示，换热管上蓝色部分代表沉积灰。

图5 预测的沉积灰的形貌

基于相同的方法，我们也预测了管束的积灰情况。在考虑沉积灰形状的变化中，我们可以直观看出随着沉积的厚度的增加，飞灰的撞击量和沉积量都是相应减少的。这也表明，改变换热管的形状可能有助于降低飞灰的沉积。

本文所开发的数值模拟方法将为换热器的设计提供一种新的工具。

参考文献

1. Zheng, Zhimin, Wenming Yang, Yongtie Cai, Qingxiang Wang, and Guang Zeng. "Dynamic simulation on ash deposition and heat transfer behavior on a staggered tube bundle under high-temperature conditions." Energy 190 (2020): 116390.

2. Zheng, Zhimin, Wenming Yang, Peng Yu, Yongtie Cai, Hao Zhou, Siah Keng Boon, and Prabakaran Subbaiah. "Simulating growth of ash deposit in boiler heat exchanger tube based on CFD dynamic mesh technique." Fuel 259 (2020): 116083.

来源：多相流在线