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摘要：吸风口作为空气进入风机的“门户”，其内部的流动顺畅程度直接影响风机系统的阻力、噪声及振动水平。本文运用流体力学原理，对传统的方形垂直吸风口进行了改进优化，得到了一种新型的带导流件的垂直圆形吸风口，并运用CFD数值模拟方法对新旧两种吸风口的内部流场进行了模拟分析。模拟结果显示，相比于传统吸风口，新型吸风口的流场分布更加均匀，流动阻力模拟值大幅降低。
关键字：新型吸风口；垂直；CFD；数值模拟；优化
0 引言
随着能源环保要求的不断提高，火力发电厂辅机设备系统的节能降噪越来越受到重视，一二次风系统作为火力发电厂主要辅机系统，其系统阻力，振动噪声大小等对整个电厂能耗环保水平有重要影响。对于一个流动系统而言，其入流段的流动好坏不仅决定着其本身流动性能，更直接影响着其下游的流动状况。一二次风机是系统中的能耗大户，也是振动噪声的主要来源，良好的入流条件是风机各项性能指标得到保证的前提条件之一。因此，利用流体力学原理，优化一二次风机吸风口内的流场分布，对提高一二次风系统的能耗环保性能具有重要意义。
CFD数值模拟是一种研究流动问题的新型技术手段，它能够在满足三大守恒定律的前提下，通过求解流动控制偏微分方程组，得到确定边界条件下的流场数值解，兼有理论性与实践性的双重特点[3]。相比于物理模型试验，CFD数值模拟在流场优化方面具有更好的灵活性、经济性、高效性以及结果直观性。因此，CFD数值模拟在流动问题研究领域的运用越来越普遍。
1 计算模型及边界条件
图1是某工程一次风机吸风口的简化模型，该吸风口属于传统垂直方形吸风口（下文简称传统吸风口）；图2是一种新型垂直圆形吸风口的简化模型（下文简称新型吸风口）。相较于传统吸风口，新型吸风口主要有以下两点变化：
（1）根据流体力学原理，在防雨罩下面增加导流件，使入口流道更加接近于流线型；
（2）通道截面由方形通过等面积换算，改成圆形。
为了降低模拟计算的复杂程度，模型中都略去了入口段的消音器以及可能存在的内撑杆等部件。
两个模型的流场均采用三维定常模拟，忽略空气的压缩性。网格采用六面体结构化网格，网格节点数量为458万。边界条件设定如下：入口采用压力入口（Pressure-inlet），出口采用速度出口（Velocity-outlet）；壁面采用无滑移壁面；湍流模型采用标准k-ε模型。
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2 模拟结果及分析
图5显示的是传统吸风口的流线图，总体上看，该流场分布较为杂乱不均。具体体现在：
（1）由于本文采用的是定常模拟，流线即为迹线。从图中可以发现，大部分流体从防雨罩下沿与方形风道侧壁上沿之间的狭窄区域进入方形风道内，防雨罩下面的大部分流道空间没有被充分利用。流道内流速大小分布十分不均，流道空间利用率很低。
（2）可以清晰地看到，风道入口两侧靠近壁面存在两个较大的流动漩涡区，两漩涡区域几乎占了过流通道的一半面积。这将造成风道入口处的流道“堵塞”，增加通流阻力。
图6显示的是新型吸风口的流线图。从中可以看出，流场流线分布均匀有序，通过吸风口进入流道内的流体均匀分布于吸风口流道内，流场中几乎不存在漩涡区域。通过与图5对比可以发现，新型吸风口相比于传统吸风口，其流场分布更加均匀，流体对于流道空间的有效利用程度更高。
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图7与图8分别显示的是两个吸风口流道横截面流线图，从图中可以发现，传统方形吸风口流道截面存在明显的二次流漩涡，而新型圆形吸风口流道横截面并不存在。流道内二次流漩涡的存在将增大吸风口的流动阻力，降低流动通畅性。
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图9与图10分别显示的是两种吸风口中间截面流场的压力分布云图。可以看出，新型吸风口流道内的压力分布更加均匀，压力分布均匀性的提高将有助于降低气流阻力，并同时降低因流动引起的风道振动及气动噪声
水平。
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表1中列出的是两种吸风口进出口的总压差模拟值，亦即流动阻力模拟值。可以发现，新型吸风口的流动阻力值远小于传统吸风口，降阻幅度高达52.8%。此结果与上文中的流场及压力分布分析获得的定性结论相吻合。
表1
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3 结论与展望
新型垂直圆形吸风口相比于传统方形吸风口，其流道更加接近于流线型；模拟结果显示，其流场分布均匀有序程度显著增加，流动阻力损失大幅度降低。这不仅能够提升吸风口本身的流动性能，还能为风机提供良好的入流条件，有利于整个风机系统的减阻降耗与减振降噪。
对于吸风口的模拟分析，将来可以从以下两个方面增加研究深度：
（1）在模拟模型中增加吸风口防雨罩支撑杆，风道内部的内撑杆等部件，使模拟结果更加接近于真实状况。
（2）可以建立风机模型与吸风口连接，一起进行模拟计算，以评估吸风口对整个风系统的影响程度。
参考文献：
[1]DL/T 5121-2000 火力发电厂烟风煤粉管道设计规程 2000年 中国电力出版社
[2]DL/T5240-2010 火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程 2010年 中国电力出版社
[3]Fluent 技术基础与应用实例 2008年8月 清华大学出版社