排烟管抗风模拟

6月前浏览4192

正文共：1188字 7图预计阅读时间：3分钟

1 前言

燃料电池系统通常都配有排烟管道（系统），用以将燃料电池反应后的废气排放到大气。排烟管末端暴露在外界大气环境，需要考虑风环境对排烟效果的影响，实际上也就是风环境会对排烟管末端背压造成扰动。在无风环境下，末端背压可以近似认为0Pa，而一旦有风吹到烟管末端，势必改变这一背压值，这就得评估一下排烟效果，进而评估对系统的影响。根据相关标准，燃料电池系统需要开展抗风试验。今天，我们简单做一个排烟管抗风的模拟案例。

2 建模与网格

创建如下的计算域，中间的立方体模拟燃料电池系统轮廓壁面（构筑物），内部进行掏空，不创建流体域，烟管包含两部分，向内延长一部分模拟入口段长度，向外延长一部分为真实的烟管安装长度，本案例中烟管为水平安装。我们以前、后、左、右、顶来命名外流场边界，图中箭头方向表示排气方向（即x方向），注意外流场边界距离构筑物要足够远。

在ICEM CFD划分六面体结构化网格，烟管附近网格进行细化，节点数约98万，最小正交质量0.8。

3 边界条件与求解设置

我们用高温空气（200℃）来模拟烟气，注意这里我们为了减小计算量进行了偷懒，烟气成分和空气虽然基本一致，但是各组分百分比是有差异的，准确模拟的化需要用组分输运模型。

环境温度为26.85℃（软件默认值）。

空气温度变化很大，不能用常密度模型，我们采用不可压缩理想流体来模拟浮升力。其他的物性我们还是用常量，减小计算量。

烟气入口为速度入口，速度值9m/s，温度200℃。

考虑重力影响。

本案例我们分别计算了无风、正对排烟方向刮风、侧对排烟方向刮风和背对排烟方向刮风几种工况，因此外流场边界的设定有所区别。无风工况，前后左右顶全部设定为压力出口，表压为0Pa；正对排烟方向刮风工况，前面设置为速度入口，后面设置为压力出口，其余设置为对称面；侧对排烟方向刮风工况，左面设置为速度入口，右面设置为压力出口，其余设置为对称面；背对排烟方向刮风工况，后面设置为速度入口，前面设置为压力出口，其余设置为对称面；风速统一采用52km/h，约7级风，本案例为了简化，不考虑大气边界层的影响，若要考虑，可采用UDF定义速度。

4 计算结果

我们先看一下无风的情况，中间截面速度分布如下，此时烟管入口静压力为8.5Pa。我们以此压力作为基准，在不同刮风方向时，烟管入口的静压对比如下图。可以看出，当风正对排烟方向时，引起的背压增量最大，此时可以近似认为风的动压在排烟末端全部转换为静压，这是最恶劣的工况。而当背对着排烟方向刮风时，由于排烟末端处在构筑物下游，风场会在此处形成负压，对风管反而形成抽吸作用。侧对排烟方向刮风时，也略减小了背压。也就是说风场如果可在排烟末端附近形成一定负压，则会形成抽吸作用，有利于排烟。当然了，现实的风场不可能都是有利的，因此通常要把排烟管末端安装成垂直向上，这样基本就可以避免正对排烟方向的刮风，因为风通常不会从天上往地下刮。