CN102116656B - 风道风量的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风道风量的检测方法和装置，所述方法包括：获取风道的几何尺寸数据；根据所述风道的几何尺寸数据将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格；检测所述风道入口一次风数据；根据检测到的所述风道入口一次风数据得到每个检测网格中的网格节点的一次风数据；根据所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据得到所述的风道风量。本发明的风道风量的检测方法和装置，利用CFD技术实现了在低成本的情况下，对一次风道的一次风量的准确检测。

Description

风道风量的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种风道风量的检测方法和装置，尤其涉及一种对一次风道进行一次风量的检测方法和装置。

背景技术

对于一次风道，尤其是大型电站锅炉中的一次风道的一次风量的检测是非常重要的，因为一次风量对于燃烧有很重要的意义，不仅涉及到机组的运行安全，还涉及到机组的节能优化。

现有的中速磨煤机的电站锅炉制粉系统中，一般都是使用非标测速元件(如机翼式风量测量装置、文丘里流量计、阿牛巴流量计等)在磨煤机的入口烟道进行一次风量的测量。

图1为一电厂内中速磨煤机制粉系统采用的一次风道的示意图，如图1所示，入口91为热风入口，入口92为冷风入口，出口93连接磨煤机入口，虚线94即测速元件所在的截面。

这些非标测速元件可以是单点或几点测量，测量原理是：假设测量元件前后一次风管道直管段足够长，流场已经充分发展，且流场稳定，这样单点或几点测量可以代表整个管道截面上一次风量的测量。

以文丘里流量计为例，其是一种差压式流量测量仪表，通常作为单点测量元件。图2为现有技术的文丘里流量计的机构示意图。如图2所示，文丘里流量计是伯努利方程为基础的流量测量方法，其基本的直接测量量仍是节流件前后的差压，然后根据公式(1)的原理计算通过文丘里管的流量。在均匀流场内，此单点的测量结果可代表整个风道截面上的测量结果，则最后再根据此结果可计算而得整个风道截面内的风量。

$Q_m=0.9C_d\mathrm{\π}{d}_1^2\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δp}}{[{\left(\frac{d_1}{d_2}\right)}^4-1]\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

式中：Q_m为质量流量，单位t/h；Δp为测得的差压，单位Pa；C_d为流量系数；d₁、d₂分别为图中截面1、截面2的直径，单位m；ρ为气体密度，单位kg/m³。

但是，因为现有的火力发电厂的规模增大，越来越重视节能降造，使得测量元件的工作测量环境与假设条件差别太大，即测量元件前面的一次风道直管段太短，且流场受到诸多因素的影响，很不稳定，仅在一点或几点测量就不再具有代表性，从而导致一次风量测量误差过大、线性度差。

目前许多电厂的一次风量测量准确度很差，例如各个挡板开度下，其测量线性度、可重复性都很差；有些时候磨煤机热风挡板开大后，一次风量反而下降，因此很多情况下不得不采用一次风压力进行调整。

为了实现更加准确的一次风量的测量，现有的方法通常是对中速磨煤机一次风测量系统进行改造。一种方式是增加测量元件，即增加测量点的数量，由此获得更加准确的一次风量；但是这样会大大增加测量的成本。另外一种方式是改造一次风道，使得一次风道符合一次风量测量元件的假设条件，即一次风道的前后的直管段长度满足测量的需要。这样改造的成本更大，而且有时还受到机组最初布置的限制而根本无法实现。所以这两种改造方式会大大增加电厂的运行和维护成本。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种风道风量的检测方法和装置，可以在低成本的情况下，实现对风道一次风的风量的准确检测。

为实现上述目的，本发明提供了一种风道风量的检测方法，所述方法包括：

获取风道的几何尺寸数据；

根据所述风道的几何尺寸数据将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格；

检测所述风道入口一次风数据；

根据检测到的所述风道入口一次风数据得到每个检测网格中的网格节点的一次风数据；

根据所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据得到所述的风道风量。

为实现上述目的，本发明提供了一种风道风量的检测装置，所述装置包括：

获取单元，用于获取风道的几何尺寸数据；

划分单元，用于根据所述风道的几何尺寸数据将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格；

检测单元，用于检测所述风道入口一次风数据；

一次风数据处理单元，用于根据检测到的所述风道入口一次风数据得到每个检测网格中的网格节点的一次风数据；

风道风量处理单元，用于根据所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据得到所述的风道风量。

本发明的风道风量的检测方法和装置，利用CFD技术实现了在低成本的情况下，对一次风道的一次风量的准确检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一电厂内中速磨煤机制粉系统采用的一次风道的示意图；

图2为现有技术的文丘里流量计的结构示意图；

图3A一次风道的主试图；

图3B一次风道的侧视图；

图4为本发明风道风量的检测方法的流程图；

图5为本发明风道风量的检测方法进行一次风道测量后的建模示意图；

图6为本发明风道风量的检测方法中的一次风道的模型网格示意图；

图7A为本发明风道风量的检测方法中，某工况条件下一次风道内的速度分布图；

图7B为本发明风道风量的检测方法中，图7的纵截面上的速度分布图；

图7C为本发明风道风量的检测方法中，文丘里计所处截面上流场的分布示意图；

图8为本发明风道风量的检测装置实施例一的示意图；

图9为本发明风道风量的检测装置实施例二的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明风道风量的检测方法和装置利用计算流体力学(ComputationalFluid Dynamics，简称CFD)技术，对一次风道，尤其是对磨煤机入口的一次风道进行处理，进而得到该一次风道的风量数据，并且测量精确，无须改造一次风道，成本低，也不会受一次风道的尺寸的限制而限制测量的精度。

由于CFD技术是基于有限容积法等方法进行流场计算的，所以在每个截面都有众多的网格节点，通过对网格节点上的流速进行积分或平均，从而可得到准确的一次风量，根据数值模拟得到的一次风量，可对电厂现场一次风测量元件测得的流量值进行标定和修正，从而可解决现有的一次风测量不准确的问题。

计算流体力学CFD采用数值方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性数学方程组，通过数值模拟方法研究流体运动规律。就是把原来在时间域及空间域上连续物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间的关系代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看成是在流动基本方程控制下对流体的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，可以据此算出其他相关物理量，并且CFD技术可以与CAD技术进行结合，从而可以结构优化设计等。

图3A和图3B分别为一次风道的主试图和侧视图，如图所示，为一电厂单台磨的一次风道，图中O点为现有的风量检测方法所使用的文丘里流量计的位置，11为热风入口，12为冷风入口，而13为磨煤机入口，从图中可以看出，由于文丘里流量计前后的直管段太短，造成了测量元件所处截面上的流场不均匀，不符合充分发展的湍流流动分布，所以不满足测量假设，从而其单点测量的结果不具有代表性，无法准确测量到一次风量。

而影响一次风道的一次风量测量的因素除了较为敏感的热风挡板开度与线性度的问题之外，还有诸如冷风门的开度与入口压力两个因素对一次风量有一定的影响，各因素的影响方式如下。

(1)当热风挡板变化时，影响X方向的流场分布；

(2)当冷风挡板变化时，影响Z方向的流场分布；

(3)如果入口风压变化，则同时影响X方向和Z方向两个方向的流场变化；

当上述三个因素变化后，改变了文丘里测速的代表性，从而影响到其线性度与可重复性。

图4为本发明风道风量的检测方法的流程图，如图4所示，本发明风量检测方法具体包括如下步骤：

步骤101，获取风道的几何尺寸数据；

本步骤其实是实体建模过程，而不需要对所需检测的一次风道进行改造，只是对现有的一次风道进行模拟，即建立实体模型时需要现场实际一次风管道的具体尺寸，如冷风道直径、热风道的尺寸、管道高度、冷热风门以及混合风门尺寸等，其大小完全按照一次风道的实际尺寸建立，节约了成本。例如还是对图3所示的一次风道的尺寸进行测量得到尺寸数据，进行建模。图5为本发明风道风量的检测方法进行一次风道测量后的建模示意图。

步骤102，根据风道的几何尺寸数据将风道划分为多个用于风道检测的检测网格；

当然还可以参考风道中的流体力学特性，根据风道的几何尺寸数据和风道的流体力学特性按照网格法将风道划分为多个用于风道检测的检测网格，这个用于风道检测的检测网格具有网格节点，该网格节点是现场实体测量的时候所使用的，而且划分的检测网格也是实体划分的。

另外还有将步骤101中对风道的实体建模的模型网格的划分，模型网格上也具有网格节点，具体包括：按照风道的尺寸数据建立风道的实体模型；将风道的实体模型按照流体力学特性划分为多个具有网格节点的模型网格。检测网格是按照网格法布置的实体检测网格，可以只有一层或者数层，是用于实际具体检测用的，而模型网格则非常多，其目的之一是为了减少实际的现场测量，所以通常情况下模型网格远多于检测网格。

按照对一次风道测量的尺寸数据就可以得到风道的具体尺寸，从而可以按照网格法对风道进行针对性的检测网格划分，以及对风道模型的模型网格的划分。可以按照流体力学特性利用网格划分软件(如GAMBIT等)对所得到的一次风道的模型进行网格划分，可划分成结构化网格或非结构化网格，网格中具有网格节点。

图6为本发明风道风量的检测方法中的一次风道的模型网格示意图，如图所示，是对图5的一次风道建模进行的网格划分，由于管道形状相对较为规则，均划分为结构化网格，因为结构化网格易于收敛、计算量小，当然了其他网格例如非结构化网格等均是可以的。

步骤103，检测风道的入口一次风数据；

这一步是检测作为风道边界条件和初始条件的入口一次风数据，通常需要的边界条件包括冷热一次风压、冷热一次风温、冷热一次风门开度、混合风门开度等。

步骤104，根据检测到的风道入口一次风数据，得到每个检测网格中的网格节点的一次风数据；

本步骤可以根据流体力学方程利用检测到的风道入口一次风数据进行迭代处理得到每个模型网格的网格节点的一次风数据，即根据流体力学方程利用检测到的入口一次风数据进行迭代处理得到风道的实体模型的模型网格上的每个网格节点的一次风数据，从而得到风道的每个检测网格的网格节点的一次风数据。

本步骤是处理的关键，而且计算前可以对计算条件进行设置，例如流动状态的选择、控制方程的选择、差分格式的设置、迭代算法的设置、松弛因子的设置、收敛条件的设定等。本实施例的一次风道由于管道尺寸比较大，当风速在10m/s量级时，管道内的Re数可高达10⁵左右，这表明在电厂正常运行工况下，一次风管道内的流动基本均处于湍流流动状态，因此，在进行网格划分和迭代计算时，本实施例均按湍流流动处理，因为通常一次风管道内的马赫数Ma＜0.3，所以将一次风按不可压缩流体对待，也就是密度为常数，而非变量。

在选择差分格式时，可以有多种选择，通常较多使用的如中心差分和迎风差分格式，另外还有指数格式、乘方格式和混合格式等。

迭代计算每个模型网格节点上的一次风数据可以按照求解压力耦合的半隐算法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation，SIMPLE)、修正的SIMPLE算法(SIMPLE Revised，SIMPLER)、外推的SIMPLE算法(SIMPLEeXtrapolation，SIMPLEX)或压力的隐式算子分割算法(Pressure Implicitwith Splitting of Operators，PISO)进行。而所需要用到的方程可以有如下稳态下的不可压缩流体的控制方程：

第一是在忽略质量力的情况下，不可压缩流体、定常湍流流动的连续方程(又叫质量守恒方程)：

div(U)＝0                                        (1)

第二个是动量方程(又叫动量守恒方程或Navier-Stokes方程)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{div}\left(\mathrm{uU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}u\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{vU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂y}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}v\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{wU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂z}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}w\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

第三个是能量方程(又叫能量守恒方程)：

$\mathrm{div}\left(\mathrm{UT}\right)=\mathrm{div}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\ρc}}_p}\mathrm{grad}T\right)+\frac{S_T}{\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

式中：U为速度矢量，u、v、w分别为三个方向上的速度分量，p为压强，ρ为密度，υ为运动粘性系数，T为温度，S_T为源项。

如果流动为湍流，需增加湍流模型的方程，例如采用标准k-ε两方程模型，则其中k和ε的控制方程分别如下：

k方程： $\mathrm{\ρ}{u}_j\frac{\∂k}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\right]+{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\mathrm{\ρ\ϵ}---\left(4\right)$

ε方程： ${\mathrm{\ρu}}_j\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right]+\frac{c_1\mathrm{\ϵ}}{k}{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\frac{c_2\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}---\left(5\right)$

式中：k为湍流脉动动能；ε为耗散率；μ为动力粘性系数；c₁、c₂为两个经验系数；σ_k、σ_ε、σ_T为三个常熟；u_i、u_j为速度分量；x_i、x_j为各坐标分量。

步骤105，根据每个检测网格节点的一次风数据得到风道风量；

将每个检测网格节点的一次风数据进行加权叠加处理得到风道风量，例如将每个检测网格中的网格节点对应的模型网格的网格节点的一次风数据按面积进行加权叠加处理得到所述风道风量。待迭代计算过程收敛后，单独某个工况下的数值模拟工作就已经完成。设定不同的入口边界条件(如风门开度、风压、风温等)，即可得到不同工况下管道内的流场分布，也就可以得到不同工况下的一次风流量。

通过处理可以得到所建立的数值模型内的一次风道上每一个模型网格节点上的物理量，如速度矢量、压力、温度、密度等。根据不同的需要，可以提取出所需要的某个模型网格节点上的物理量数值，也可以通过对某个截面上各模型网格节点物理量按面积的积分或平均得到该截面上的该物理量数值以及流量等数值，就是将每个模型网格上的节点的一次风数据按面积进行加权叠加处理得到所需检测的风道的风量。

图7A为本发明风道风量的检测方法中，某工况条件下一次风道内的速度分布图，图7B为本发明风道风量的检测方法中图7的纵截面上的速度分布图，而图7B还显示出了若干横截面上的速度场。由图7A可以看到，由于受到弯头的影响，一次风道中的竖直风道内的速度场在X方向是不均匀、不对称的，这也验证了前面的定性分析：由于竖直段直管道太短，文丘里计处的流动并未充分发展，导致了单点的测量值不具有整个截面的代表性。而图7B的结果则显示出冷风由侧面吹入后对流场的影响，其导致了竖直段内流场在Z方向上的不均匀、不对称。

图7C为本发明风道风量的检测方法中，文丘里计所处截面上流场的分布，从图中可以看到，竖直段风道的外侧速度要高于其内侧速度，而在截面的中心即装设文丘里计的位置处速度也较低，一般低于截面的平均速度，致使一次风量显示不正确。在不同的一次风流量、不同的冷热一次风配比、不同的风门挡板开度等变化工况下，此截面上的速度分布肯定也会有所变化，从而导致一次风量显示的线形度不好。

本实施例中，经过测量和计算检测到了一次风道内的风量大小。例如需要模型出口(即磨煤机入口)的风量，可以提取出模型出口截面上每个模型网格节点上的速度和密度值，然后对每个模型网格节点上速度与模型网格面积的乘积进行叠加，即可得到该截面上的体积流量，而如果是对每个模型网格节点上速度、模型网格面积与密度的乘积进行叠加，即可得到该截面上的质量流量。

并且，本发明风道风量的检测方法还可以包括对所需检测风道的风量进行修正处理。上述对电厂磨煤机前一次风道的风速检测，得到文丘里计所处截面上的速度分布，从而得到文丘里计所处截面上的计算风量，这个计算风量能比较准确的代表风道内的真实风量。而同时，文丘里流量计也会测量得到一个风量数值，由于前面所说的种种原因，这个测量风量往往与真实风量的偏差很大且无规律可言。将检测的风道的风量与文丘里流量计测量得到的风道的风量相比，即可得到对现场一次风测量风量的修正系数，这个修正系数与冷一次风压、冷一次风温、冷风门开度、热一次风压、热一次风温、热风门开度和混合风门开度等条件有关系，可以认为是这些条件的函数。因此，不同工况可以得到一组不同的修正系数，从而使一次风量的修正与标定更翔实、更准确。利用这一组修正系数可更精确地控制一次风量。

本发明可以利用模拟计算而检测出若干个工况下的修正系数。表1给出了可进行多个工况模拟的参数示例，其中“热风压、热风温度、热风调门开度、冷风压、冷风温度、冷风调门开度”等是电厂机组一次风道实际运行时的真实数据，并作为本发明风道风量的检测方法中处理所需要的输入(边界)条件，而“模拟总风量”是通过本发明检测到的数值，“单点测量总风量”是电厂制粉系统一次风道中实际测速元件(如文丘里流量计等)测量得到的数据，“修正系数”是“单点测量总风量”与“模拟总风量”的比值。

表1一次风模拟的计算工况表

因此本发明风道风量的检测方法利用CFD技术实现了在低成本的情况下，对一次风道的一次风量的准确检测。

图8为本发明风道风量的检测装置实施例一的示意图，如图8所示，本发明风道风量的检测装置实施例一具体包括：获取单元1、划分单元2、检测单元3、一次风数据处理单元4和风道风量处理单元5。

获取单元1用于获取风道的几何尺寸数据，是实体建模过程，而不需要对所需检测的一次风道进行改造，只是对现有的一次风道进行模拟，即建立实体模型时需要现场实际一次风管道的具体尺寸，如冷风道直径、热风道的尺寸、管道高度、冷热风门以及混合风门尺寸等。

划分单元2用于根据风道的几何尺寸数据将风道划分为多个用于风道检测的检测网格，该检测网格具有网格节点，其网格节点是现场实体测量的时候所使用的，而且划分的检测网格也是实体划分的；也用于根据风道的几何尺寸数据和风道的流体力学特性将风道实体模型划分为多个用于风道检测的模型网格。具体包括：模型建立子单元，用于按照风道的尺寸数据建立风道的实体模型；网格划分子单元，具体用于将风道的实体模型按照流体力学特性划分为多个具有网格节点的模型网格。检测网格是按照网格法布置的实体检测网格，可以只有一层或者数层，是用于实际具体检测用的，而模型网格则非常多，其目的之一是为了减少实际的现场测量，所以通常情况下模型网格远多于检测，例如将风道的模型网格按照流体力学特性划分为多个具有网格节点的结构化或者非结构化网格。按照对一次风道测量的尺寸数据可以进行针对性的网格划分。而且可以利用网格划分软件(如GAMBIT等)对所得到的一次风道的实体模型进行网格划分，按照风道的尺寸数据可以将风道划分为结构化或者非结构化网格，网格中具有网格节点。

检测单元3用于检测风道入口一次风数据；具体用于检测作为风道边界条件和初始条件的入口一次风数据。这一步是检测作为风道边界条件和初始条件的入口一次风数据，通常需要的边界条件包括冷热一次风压、冷热一次风温、冷热一次风门开度、混合风门开度等。

一次风数据处理单元4用于根据检测到的风道入口一次风数据得到每个模型网格的一次风数据，从而得到风道的每个检测网格的网格节点的一次风数据，例如根据流体力学方程利用检测到的入口一次风数据进行迭代处理得到风道的模型网格的每个网格节点的一次风数据，从而得到风道的每个检测网格节点的一次风数据。

风道风量处理单元5用于根据每个检测网格节点的一次风数据得到风道风量；具体用于将每个检测网格节点的一次风数据进行加权叠加处理得到风道风量，例如将每个检测网格中的网格节点对应的模型网格的网格节点的一次风数据按面积进行加权叠加处理得到所述风道风量。

图9为本发明风道风量的检测装置实施例二的示意图，如图9所示，本发明风道风量的检测装置实施例二具体包括：获取单元1、划分单元2、检测单元3、一次风数据处理单元4、风道风量处理单元5、设定单元6和修正单元7。

设定单元6用于对流动状态的选择、控制方程的选择、差分格式的设置、迭代算法的设置、松弛因子的设置和收敛条件的设定。就是在迭代处理单元4计算前可以对计算条件进行设置，例如流动状态的选择、控制方程的选择、差分格式的设置、迭代算法的设置、松弛因子的设置、收敛条件的设定等。本实施例的一次风道由于管道尺寸比较大，当风速在10m/s量级时，管道内的Re数可高达10⁵左右，这表明在电厂正常运行工况下，一次风管道内的流动基本均处于湍流流动状态，因此，在进行网格划分和迭代计算时，本实施例均按湍流流动处理，因为通常一次风管道内的马赫数Ma＜0.3，所以将一次风按不可压缩流体对待，也就是密度为常数，而非变量。

在选择差分格式时，可以有多种选择，通常较多使用的如中心差分和迎风差分格式，另外还有指数格式、乘方格式和混合格式等。

一次风数据处理单元4计算每个模型网格节点上的一次风数据可以按照SIMPLE算法、SIMPLER算法、SIMPLEX算法或PISO算法进行。而所需要用到的方程可以有如下稳态下的不可压缩流体的控制方程，利用检测到的入口一次风数据进行迭代计算处理得到每个模型网格节点上的一次风数据。

第一是在忽略质量力的情况下，不可压缩流体、定常湍流流动的连续方程(又叫质量守恒方程)：

div(U)＝0                            (1)

第二个是动量方程(又叫动量守恒方程或Navier-Stokes方程)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{div}\left(\mathrm{uU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}u\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{vU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂y}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}v\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{wU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂z}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}w\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

第三个是能量方程(又叫能量守恒方程)：

$\mathrm{div}\left(\mathrm{UT}\right)=\mathrm{div}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\ρc}}_p}\mathrm{grad}T\right)+\frac{S_T}{\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

式中：U为速度矢量，u、v、w分别为三个方向上的速度分量，p为压强，ρ为密度，υ为运动粘性系数，T为温度，S_T为源项。

如果流动为湍流，需增加湍流模型的方程，例如采用标准k-ε两方程模型，则其中k和ε的控制方程分别如下：

k方程： $\mathrm{\ρ}{u}_j\frac{\∂k}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\right]+{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\mathrm{\ρ\ϵ}---\left(4\right)$

ε方程： ${\mathrm{\ρu}}_j\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right]+\frac{c_1\mathrm{\ϵ}}{k}{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\frac{c_2\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}---\left(5\right)$

式中：k为湍流脉动动能；ε为耗散率；μ为动力粘性系数；c₁、c₂为两个经验系数；σ_k、σ_ε、σ_T为三个常熟；u_i、u_j为速度分量；x_i、x_j为各坐标分量。

叠加处理单元5用于将每个检测网格中的网格节点的一次风数据得到所述的风道风量，例如将网格节点上的一次风数据按面积进行加权叠加得到所需检测风道的风量。

待迭代计算过程收敛后，单独某个工况下的数值模拟工作就已经完成。设定不同的入口边界条件(如风门开度、风压、风温等)，即可得到不同工况下管道内的流场分布，也就可以得到不同工况下的一次风流量。

通过处理可以得到所建立的数值模型内的一次风道上每一个模型网格节点上的物理量，如速度矢量、压力、温度、密度等。根据不同的需要，可以提取出所需要的某个模型网格节点上的物理量数值，也可以通过对某个截面上各模型网格节点物理量按面积的积分或平均得到该截面上的该物理量数值以及流量等数值，就是将每个模型网格上的节点的一次风数据按面积进行加权叠加处理得到所需检测的风道的风量。

修正单元7用于对所需检测风道的风量进行修正处理。

上述对电厂磨煤机前一次风道的风速检测，得到文丘里计所处截面上的速度分布，从而得到文丘里计所处截面上的计算风量，这个计算风量能比较准确的代表风道内的真实风量。而同时，文丘里流量计也会测量得到一个风量数值，由于前面所说的种种原因，这个测量风量往往与真实风量的偏差很大且无规律可言。将检测的风道的风量与文丘里流量计测量得到的风道的风量相比，即可得到对现场一次风测量风量的修正系数，这个修正系数与冷一次风压、冷一次风温、冷风门开度、热一次风压、热一次风温、热风门开度和混合风门开度等条件有关系，可以认为是这些条件的函数。因此，不同工况可以得到一组不同的修正系数，从而使一次风量的修正与标定更翔实、更准确。利用这一组修正系数可更精确地控制一次风量。

因此本发明风道风量的检测装置利用CFD技术实现了在低成本的情况下，对一次风道的一次风量的准确检测。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种风道风量的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取风道的几何尺寸数据；

根据所述风道的几何尺寸数据将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格；

检测所述风道入口一次风数据；

根据检测到的所述风道入口一次风数据得到每个检测网格中的网格节点的一次风数据；

根据所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据得到所述的风道风量。

2.根据权利要求1所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述根据所述风道的几何尺寸数据将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格具体包括：根据所述风道的几何尺寸数据和风道的流体力学特性按照网格法将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格。

3.根据权利要求2所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述根据所述每个网格中的网格节点的一次风数据得到所述的风道风量具体包括：将所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据进行加权叠加处理得到所述的风道风量。

4.根据权利要求3所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述根据所述风道的几何尺寸数据和风道的流体力学特性按照网格法将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格具体包括：

按照所述风道的尺寸数据建立所述风道的实体模型；

将所述风道的实体模型按照流体力学特性划分为多个具有网格节点的模型网格。

5.根据权利要求4所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述根据检测到的所述风道入口一次风数据得到每个检测网格中的网格节点的一次风数据具体包括：根据流体力学方程按照求解压力耦合的半隐SIMPLE算法、修正的SIMPLE算法、外推的SIMPLE算法或压力的隐式算子分割算法，利用所述检测到的所述风道入口一次风数据进行迭代处理得到所述风道的模型网格的每个网格节点的一次风数据，从而得到所述风道的每个检测网格的网格节点的一次风数据。

6.根据权利要求4所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述将所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据进行加权叠加处理得到所述的风道风量具体包括：将所述每个检测网格中的网格节点对应的模型网格的网格节点的一次风数据按面积进行加权叠加处理得到所述风道风量。

7.根据权利要求4所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述得到每个检测网格的网格节点的一次风数据之前还包括：对流动状态的选择、控制方程的选择、差分格式的设置、迭代算法的设置、松弛因子的设置和收敛条件的设定。

8.根据权利要求7所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述差分格式具体为中心差分、迎风差分、指数格式、乘方格式或混合格式。

9.根据权利要求5所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述根据流体力学方程利用所述检测到的风道入口一次风数据进行迭代处理具体包括：根据如下稳态下的不可压缩流体的控制方程

连续性方程div(U)＝0

动量方程 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{div}\left(\mathrm{uU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}u\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{vU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂y}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}v\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{wU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂z}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}w\right)\end{array}\right.$

能量方程 $\mathrm{div}\left(\mathrm{UT}\right)=\mathrm{div}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\ρc}}_p}\mathrm{grad}T\right)+\frac{S_T}{\mathrm{\ρ}}$

式中：U为速度矢量，u、v、w分别为三个方向上的速度分量，p为压强，ρ为密度，υ为运动粘性系数，T为温度，S_T为源项；

利用所述检测到的风道入口一次风数据进行迭代处理。

10.根据权利要求9所述的风道风量的检测方法，其特征在于还包括根据湍流方程，所述湍流方程为标准k-ε方程

k方程： $\mathrm{\ρ}{u}_j\frac{\∂k}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\right]+{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\mathrm{\ρ\ϵ}$

ε方程： ${\mathrm{\ρu}}_j\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right]+\frac{c_1\mathrm{\ϵ}}{k}{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\frac{c_2\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}$

式中：k为湍流脉动动能；ε为耗散率；μ为动力粘性系数；c₁、c₂为两个经验系数；σ_k、σ_ε、σ_T为三个常熟；u_i、u_j为速度分量；x_i、x_j为各坐标分量；

利用所述检测到的风道入口一次风数据进行迭代处理。

11.根据权利要求1所述的风道风量的检测方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述的风道风量与测量得到的风道风量相比，得到修正系数，利用该修正系数对所述的风道风量进行修正处理。

12.一种风道风量的检测装置，其特征在于，所述装置包括：

获取单元，用于获取风道的几何尺寸数据；

划分单元，用于根据所述风道的几何尺寸数据将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格；

检测单元，用于检测所述风道入口一次风数据；

一次风数据处理单元，用于根据检测到的所述风道入口一次风数据得到每个检测网格中的网格节点的一次风数据；

风道风量处理单元，用于根据所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据得到所述的风道风量。

13.根据权利要求12所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述划分单元具体用于根据所述风道的几何尺寸数据和风道的流体力学特性按照网格法将所述风道划分为多个用于风道检测的检测网格。

14.根据权利要求13所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述风道风量处理单元具体用于将所述每个检测网格中的网格节点的一次风数据进行加权叠加处理得到所述的风道风量。

15.根据权利要求14所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述划分单元具体包括：

模型建立子单元，用于按照所述风道的尺寸数据建立所述风道的实体模型；

网格划分子单元，具体用于将所述风道的实体模型按照流体力学特性划分为多个具有网格节点的模型网格。

16.根据权利要求15所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述一次风数据处理单元具体用于根据流体力学方程按照SIMPLE算法、修正的SIMPLE算法、外推的SIMPLE算法或压力的隐式算子分割算法，利用所述检测到的所述风道入口一次风数据进行迭代处理得到所述风道的实体模型的模型网格的每个网格节点的一次风数据，从而得到所述风道的每个检测网格的网格节点的一次风数据。

17.根据权利要求15所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述风道风量处理单元具体用于将所述每个检测网格所对应的网格节点的一次风数据按面积进行加权叠加处理得到所述风道风量。

18.根据权利要求15所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述网格划分子单元具体用于将所述每个检测网格中的网格节点对应的模型网格的网格节点的一次风数据按面积进行加权叠加处理得到所述风道风量。

19.根据权利要求15所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述装置还包括设定单元，用于对流动状态的选择、控制方程的选择、差分格式的设置、迭代算法的设置、松弛因子的设置和收敛条件的设定。

20.根据权利要求16所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述一次风数据处理单元具体用于根据如下稳态下的不可压缩流体的控制方程

连续性方程div(U)＝0

动量方程 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{div}\left(\mathrm{uU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂x}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}u\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{vU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂y}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}v\right)\\ \mathrm{div}\left(\mathrm{wU}\right)=-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\frac{\∂p}{\∂z}+\mathrm{div}\left(\mathrm{\υ}\mathrm{grad}w\right)\end{array}\right.$

能量方程 $\mathrm{div}\left(\mathrm{UT}\right)=\mathrm{div}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\ρc}}_p}\mathrm{grad}T\right)+\frac{S_T}{\mathrm{\ρ}}$

式中：U为速度矢量，u、v、w分别为三个方向上的速度分量，p为压强，ρ为密度，υ为运动粘性系数，T为温度，S_T为源项；

利用所述检测到的风道入口一次风数据进行迭代处理。

21.根据权利要求20所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述一次风数据处理单元还用于根据湍流方程，所述湍流方程为标准k-ε方程

k方程： $\mathrm{\ρ}{u}_j\frac{\∂k}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{\∂x_j}\right]+{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\mathrm{\ρ\ϵ}$

ε方程： ${\mathrm{\ρu}}_j\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}=\frac{\∂}{\∂x_j}\left[(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_t}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂x_j}\right]+\frac{c_1\mathrm{\ϵ}}{k}{\mathrm{\μ}}_t\frac{\∂u_i}{\∂x_j}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\frac{c_2\mathrm{\ρ}{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}$

式中：k为湍流脉动动能；ε为耗散率；μ为动力粘性系数；c₁、c₂为两个经验系数；σ_k、σ_ε、σ_T为三个常熟；u_i、u_j为速度分量；x_i、x_j为各坐标分量；

利用所述检测到的风道入口一次风数据进行迭代处理。

22.根据权利要求12所述的风道风量的检测装置，其特征在于，所述装置还包括：修正单元，用于将所述的风道风量与测量得到的风道风量相比，得到修正系数，利用该修正系数对所述的风道风量进行修正处理。

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