电厂烟风道异型件阻力系数的数值计算方法

-2
-2
-2
-2
" " pin
+
!U 2
in
=
p Out
+
!U Out 2
+
m
#i
i=1
li !U xi ii 2
+
I !U x
$
=1
2
（3）
式中：#i 为第 i 管段的沿程阻力系数；li 和 ii 分别为管
段长度和水力直径；$ 为第 个部件的局部阻力系数。 在 研 究 局 部 阻 力 系 数 时 ，通 常 在 局 部 阻 力 件 的 两
图 1 解销角急转弯头与圆方节 Fig . 1 Outside right angIe eIbow and circuIar round section
异形件是烟风管道连接系统中达到介质转向和 分配必不可少 的 组 成 部 分［3］， 其 压 头 消 耗 份 额 占 系 统阻力的很大部分，甚至是绝大部分。优良的异形 件不但能减少阻力损失，而且能使运行中避免震动 和噪声。因此，异形件的阻力计算已经成为目前电 厂烟风道设计中迫切需要解决的难题。
（1） 的 通 用 控 制 方 程 来 描 述 ：
""x（i !U"i ）= ""x（i #""$xi ）+ S"
（1）
方程中的细节参见文献［5］。本课题涉及连 续性
方程、3 个动量方程和 2 个湍 流模型 微分方 程构 成 的非线性偏微分方程组。求解上述流体动力学方程
组的可行方法是数值法，即把微分方程组离散成为
的关系进行拟合，可 得 到 公 式（10）（由 于 流 动 属 于 湍
流 ，故 此 公 式 仅 仅 适 合 湍 流 区 ）：
!P = 2 . 0 X 10 - 12 Re2 + 0 . 883 8
（10）
结果表明压力损失与雷诺数的平方成正比。
4总结
3 计算实例与分析
图 2 给出了 1 个长度为 5 m，圆截面直径为 1 m， 方截面尺寸为 2 m X 2 m 的圆方节。即使在不加延长 段的情况下，取 网 格 基 本 尺 寸 为 0 . 1 m 时，划 分 的 网 格数目约有 42 000 多 个，在 实 际 求 解 过 程 中 需 要 求 解 248 000 个非线性的代数方程。尽管目前的计算机 计 算 能 力 和 存 储 能 力 都 有 大 幅 度 提 高 ，但 这 种 计 算 仍 然非常耗时。
Dynamic and the IocaI drag coefficient is estabIished，and the drag
characteristic of typicaI irreguIar parts is compared with the empiricaI
data . The resuIt of the drag coefficient of the two kinds of common ir-
+#1
l1!U in i1 2
+#2
l2!U Out i2 2
+
-2
!U in $in 2
（4）
或
-2
-2
-2
-2
p in
+
!U 2
in
=
p Out
+
!U Out 2
+ #1
l1!U in i1 2
+ #2
l2!U Out i2 2
+ $Out
-2
!U Out 2
（5）
为了 获 得 局 部 阻 力 系 数，应 将 CFD 计 算 结 果 中
1 理论模型和数值方法
烟风道中的流动一般是湍流流动，其详细结构
的理论描述和计算都比较复杂，目前工程上采用湍
流模型的方法（湍流应力模型或湍流黏度模型）模
拟湍流的整体特征。本文中采用标准的 k -!模型 （湍流黏度模型）模拟烟风道中的湍流流动。
假设 烟 风 道 中 为 定 常 不 可 压 流 动，可 采 用 式
失的关系图。
雷诺数 / p.u. 图 3 进口雷诺数的平方 Re2
Fig . 3 Reiation of iniet reynoids number sguare and pressure
iose of outside right angie eibow
同 理 ，把 外 销 角 急 转 弯 头 进 口 雷 诺 数 与 压 力 损 失
=
p in2 -
p out2
局 部 阻 力 可 按 照 式（8）计 算 ：
（7）
-2
-2
#in
=
pin
-
pout
+!u2in
-!u2out
-（pin1
-2
-
pout1）-（pin2 -
pout2）
!uin
2
（8）
-2
-2
#out
=
pin
-
pout
+!u2in
-!u2out
-（pin1
-2
-
pout1）-（pin2
接采用出流边界条件。至于壁面，一般采用公认的
壁面函数法来处理壁面附近的流动特性与湍流模型
的衔接。
2 从 CFD 结果中获得阻力系数的方法
采用计算流体动力学的方法求解流体动力学方 程组，我们可以得到烟风道中详细的速度、压力和
温度的分布，但由于烟风道阻力计算的理论基础是
一维平均流的伯努里方 程，因 此 必 须 把 CFD 方 法 获 得的场的计算结果转换成一维平均管流的形式才能
-
pout2）
!uout
2
这意味着采用 Fiuent 软件计算阻力系数时，需要分
别对 2 个直段和 1 个组合段分别进行计算。可想而知，
通过 CFD 方法获得阻力系数的计算工作量很大。
合 湍 流 区 ）：
!P = 6 . 0 X 10 - 13 Re2 + 0 . 114 5
（9）
图 3 为外削角急转弯头的进口雷诺数与压力损
· 49 ·
-2
-2
-2
p in2
+
!u in2 2
=
p out2
+
!u out2 2
+"2
l2!u in2 d2 2
（6）
由 于 进 出 口 平 均 速 度 没 有 变 化 ，所 以 沿 程 阻 力 可
简化为
-2
"1
l1!u in1 d1 2
=
p in1 -
p out1
-2
"2
l2!u in2 d2 2
介绍了烟风道阻力计算的国内外的发展概况，然后建立了计
算流体动力学计算结果与局部阻力系数之间的关系式，将典
型部件的阻力系数计算结果与经验数据进行了对比，结果表
明两者有一致性。最后给出了工程设计中 2 种常见的异形件
压力损失与雷诺数的拟合公式。研究表明，应用计算流体动
力学方法可以很好地解决烟风道异形件的阻力系数的计算问
收 稿 日 期 ： 2006-05-15； 修 订 日 期 ： 2006-06-05
道的布置情况，通过查阅相应的设计图表来完成设 计过程。在计算机的普及工程中，已逐步将原来的 手工计算发展成为部分或完全计算机程序计算，这 样既提高了工作效率和准确性，又便于归档，同时 也缩短了设计周期。然而，在设计过程中经常会遇 到一些特殊的部件，如图 1 中的外削急转弯头（左） 和圆方节，在通常的设计手册中并未给出相应的阻 力系数或计算方法。
N3 2006
电力科学与工程 ELECTRIC POWER SCIENCE AND ENGINEERING
文 章 编 号 ：1672-0792（2006）03-0047-03
电厂烟风道异型件阻力系数的数值计算方法
· 47 ·
王有锋1，姜 武2，张 辉1，虞维平1
（1 . 东南大学 能源与环境学院，江苏 南京 210096；2 . 江苏省电力设计院，江苏 南京 210024）
大规模的 代 数 方 程 组 进 行 求 解。 Fluent 是 在 计 算 流
体动力学方面具有代表性的软件，它将数值计算过

程中的 繁 琐 的 前、 后 处 理 和 计 算 过 程 整 合 在 一 起，
提高了数值计算工作的效率。本文中的流体动力学 计算主要采用 Fluent 软件［6］来完成。
在应用 CFD 方法计 算 阻 力 系 数 的 过 程 中， 首 先
应用。 若 数 值 解 法 得 到 的 某 一 截 面 x 处 的 速 度、压 力和温度分布分别为 U（x y ，z ），p（x y ，z ）和 t（x y ，z ）， 则截面的平均值则为
! Ux
=
1 Ax
U（x y ，z）c Ax
Ax
! px
=
1 Ax
p（x y ，z）c Ax
Ax
（2）
tx =
1
Numerical Simulation Method on Drag Characteristic of Air& Flue Gas Ducts' Irregular Parts in Power Plants
WANG You-feng1，JIANG Wu2，ZHANG Hui1，YU Wei-ping1
沿程阻力影响剔除出去，为此需要单独对 2 个延 长段
的 沿 程 阻 力 进 行 计 算 。 对 于 直 段 ，伯 努 里 方 程 中 没 有
局 部 阻 力 ，可 写 成 ：
-2
-2
-2
p in1