并排塔器耦合流场特性研究

收稿日期：２０１９－０１－０８ 修稿日期：２０１９－０１－３０
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ＰＲＥＳＳＵＲＥＶＥＳＳＥＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ３６，Ｎｏ３，２０１９
０ 引言
塔器是化工操作单元中的重要设备，在化工 装置中投资比例高达 ２５％ ～４６％［１］。如今塔器 不断地向高参数和大型化方向发展，布置也愈加 密集，其中固定在同一基础上，相互之间距离较小 且按顺序排成一行的塔器被称为并排塔器。由于 并排塔器存在耦合振动，因此现行对于单塔的设 计标准并不适用于并排塔器的设计。因此，对并 排塔器的耦合流场特性进行研究，以期为并排塔 器的设计提供依据，具有较大的工程意义。
并排塔器风致振动的本质是多圆柱的绕流问 题。圆柱绕流问题一直受到国内外学者的广泛关 注。贾晓荷［２］对 多 圆 柱 绕 流 的 流 场 特 性 和 尾 流 特征进行了较详细的总结。及春宁等［３－４］采用浸 入边界法对雷诺数 Ｒｅ＝１００下串列双圆柱的流致 振动进行数值模拟，研究结果表明，在不同间距比 下，双 圆 柱 的 振 动 响 应 和 柱 间 流 态 不 同。 Ａｓｓｉ 等［５－６］对 Ｒｅ在 １００～２００范围内的串列双圆柱尾
３．Baidu NhomakorabeaｈｉｎａＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎＣｏｍｍｉｔｔｅｅｏｎＢｏｉｌｅｒｓａｎｄＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅｐａｒａｍｅｔｅｒｃｈｅｍｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｐａｒａｌｌｅｌｔｏｗｅｒｓｉｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆ ｔｈｅｍ ｈａｓａｌｗａｙｓｂｅｅｎａｄｉｆｆｉｃｕｌｔｐｏｉｎｔｔｈａｔｎｅｅｄｓｔｏｓｏｌｖｅｄｕｒｇｅｎｔｌｙｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ＡＮＳＹＳＣＦＸｎｕｍｅｒｉ ｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｕｓｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｔｈｒｅｅｔｏｗｅｒｓｉｎｓｉｄｅｂｙｓｉｄｅａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅａｎｄｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｓｉｎｇｔｈｅｋ－εｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｌａｒｇｅｅｄｄｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ （ＬＥＳ），ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｓｅｒｉｅｓｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｐａｒａｌｌｅｌｔｏｗｅｒｓ，ｌｉｆｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｄｒａｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄＳｔｒｏｕｈａｌｎｕｍｂｅｒｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｗａｓａｓｔｒｏｎｇｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｇｉｏｎｗｈｅｎｔｈｅｓｐａｃｉｎｇ ｒａｔｉｏｗａｓ３≤Ｓ／Ｄ≤５．Ｗｈｅｎｔｈｅｓｐａｃｉｎｇｒａｔｉｏｗａｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ５，ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗａｓｗｅａｋｅｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｖｉｂｒａ ｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅａｃｈｔｏｗｅｒａｐｐｒｏａｃｈｅｄｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｓｉｎｇｌｅｔｏｗｅｒ．Ｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｔｏｗ ｅｒｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗａｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｍｉｄｄｌｅｔｏｗｅｒ＞ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｔｏｗｅｒ＞ｕｐｓｔｒｅａｍｔｏｗｅｒ．Ｉｎｔｈｅｃｒｏｓｓｗｉｎｄｖｉ ｂｒａｔｉｏｎ，ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｔｏｗｅｒｈａｓａｆｌｏｗｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｕｐｓｔｒｅａｍ ｔｏｗｅｒ；Ａｎｄｉｎｔｈｅｄｏｗｎｗｉｎｄｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｕｐｓｔｒｅａｍ ｔｏｗｅｒ ｈａｓａｂｌｏｃｋｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ ｔｏｗｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｌｌｅｌｔｏｗｅｒ；ｆｌｏｗｆｉｅｌｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｃｏｕｐｌｉｎｇａｃｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄ
摘 要：随着化工设备大参数化，并排塔器日渐增多，其设计一直是工程应用中亟待解决的问题。采用 ＡＮＳＹＳＣＦＸ数值 模拟，建立了 ３座并列排布塔器的计算模型，分别采用 ｋ－ε模型和大涡模型（ＬＥＳ）开展了三维稳态与瞬态流场数值模 拟研究，分析了并排塔器的表面压力分布，升力系数、阻力系数以及斯托罗哈数等流场特性。研究结果表明，间距比为 ３≤Ｓ／Ｄ≤５时存在强耦合区；当 Ｓ／Ｄ＞５时，流场的耦合作用减弱，各塔的振动特性趋近于单座塔器。处在流场中不同位 置的塔器，其耦合作用强弱顺序为：中游塔器 ＞下游塔器 ＞上游塔器。在横风向振动中，下游塔器对上游塔器具有稳流 作用；在顺风向振动中，上游塔器对下游塔器具有遮挡作用。 关键词：并排塔器；流场特性；耦合作用；瞬态流场 中图分类号：ＴＨ４９；Ｏ３５３．１ 文献标志码：Ａ
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｕｐｌｅｄＦｌｏｗ ＦｉｅｌｄＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＰａｒａｌｌｅｌＴｏｗｅｒｓ
ＴａｎＷｅｉ１，ＷａｎｇＺｈｏｎｇｃｈｅｎ１，ＺｅｎｇＷａｎｃｈｕａｎ２，ＬｕＪｕａｎ３，ＦａｎＸｉａｎｔａｏ１
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００３５０，Ｃｈｉｎａ； ２．ＫｕｎｍｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｌｕｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｋｕｎｍｉｎｇ６５００５１，Ｃｈｉｎａ；
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第 ３６卷第 ３期
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４８３７．２０１９．０３．００５
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设计计算
压 力 容 器
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并排塔器耦合流场特性研究
２０１９年 ３月 ２７
谭 蔚１，王中辰１，曾万川２，卢 娟３，樊显涛１
（１．天津大学，天津 ３００３５０；２．昆明有色冶金设计研究院股份公司，昆明 ６５００５１； ３．全国锅炉压力容器标准化技术委员会，北京 １０００２９）