燃煤鍋爐燃燒過(guò)程流場(chǎng)及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　數(shù)值模擬是以電子計(jì)算機(jī)為手段，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類問(wèn)題研究的目的。課題涉及到三維燃燒過(guò)程，并帶有兩相流。綜合考慮，我選擇了目前應(yīng)用比較廣泛的FLUENT軟件作為數(shù)值模擬的工具。</p><p>　　本文對(duì)鍋爐爐膛計(jì)算域通過(guò)GAMBIT軟件構(gòu)建三維框架結(jié)構(gòu)

2、，從而對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定合適的數(shù)學(xué)物理模型，設(shè)置邊界條件，選用適當(dāng)?shù)淖兞亢蛥?shù)，對(duì)爐膛燃燒進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出爐膛內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布。最后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的處理，將模擬結(jié)果以圖片或圖表的形式進(jìn)行直觀的展示。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的觀察分析得出合理的結(jié)論，并分析不足之處。改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)速大小，選擇30m/s、40m/s、49m/s及60m/s三種燃盡風(fēng)速，研究燃盡風(fēng)風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)混合特性和爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:燃盡風(fēng)口風(fēng)速增大時(shí)，爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度

3、隨之增強(qiáng)，燃盡風(fēng)的穿透程度隨之加強(qiáng)，相對(duì)容易穿透到爐膛中心，從而使得煙氣與煤粉的混合加劇，有利于增加煤炭燃燒的效率；在一定條件下，隨著燃盡風(fēng)速的增加，爐膛中心的高溫區(qū)域面積增加，而且相對(duì)集中；隨著燃盡風(fēng)速的增加，鍋爐煙氣出口的溫度降低；燃盡風(fēng)風(fēng)速為49m/s時(shí)爐內(nèi)燃燒狀況最佳。</p><p>　　關(guān)鍵詞：流場(chǎng)；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬；燃盡風(fēng)</p><p>　　NUMERICAL SIMULA

4、TION ON FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD OF THE COMBUSTION PROCESS IN THE FIRED PULVERIZED-COAL BOILER</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Numerical simulation uses electronic computer

5、s as the means. To achieve the purpose of engineering problems and physical problems as well as the nature of various problems, it uses the method of the numerical calculation and image shows. The topic relates to the th

6、ree-dimensional combustion process and the two-phase flow. Considered, I chose the FLUENT as the tool for numerical simulation.</p><p>　　In this paper, establishing the three dimensional frame construction w

7、ith GAMBIT, carrying on the grid division, then selecting the appropriate model of mathematics and physics and the suitable parameter and the variable, setting up the boundary condition, making three-dimensional numerica

8、l simulation of furnace combustion, receiving the distributions of flow field and temperature field in the furnace. After simple processing, we can show the result by making the pictures or diagrams. Making a c</p>

9、<p>　　Keywords:Flow Field;Temperature Field;Numerical Simulation;Over Fired Air</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p&g

10、t;<p><b>　　1緒論1</b></p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.2燃燒過(guò)程數(shù)值模擬發(fā)展概況1</p><p>　　1.3燃煤鍋爐燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.4FLUENT軟件2</p>

11、;<p><b>　　1.4.1簡(jiǎn)介2</b></p><p><b>　　1.4.2優(yōu)點(diǎn)2</b></p><p>　　1.4.3局限性2</p><p>　　1.5燃煤鍋爐燃燒過(guò)程流場(chǎng)及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬簡(jiǎn)介3</p><p>　　1.5.1氣相湍流流動(dòng)模型3</p&g

12、t;<p>　　1.5.2氣固兩相流動(dòng)模型3</p><p>　　1.5.3輻射換熱模型3</p><p>　　1.5.4彌散相模型5</p><p>　　1.5.5煤粉燃燒模型6</p><p>　　1.6本文主要研究?jī)?nèi)容6</p><p>　　2模型建立及計(jì)算8</p>&l

13、t;p>　　2.1燃煤鍋爐原理8</p><p>　　2.1.1電廠鍋爐工作原理8</p><p>　　2.1.2電廠鍋爐發(fā)展概況8</p><p>　　2.2燃煤鍋爐特性8</p><p>　　2.2.1鍋爐型號(hào)8</p><p>　　2.2.2鍋爐燃煤煤質(zhì)分析9</p><p&

14、gt;　　2.3爐膛模型10</p><p>　　2.3.1爐膛整體模型的選擇10</p><p>　　2.3.2爐膛燃燒器及燃盡風(fēng)口的分布10</p><p>　　2.3.3爐膛模型的網(wǎng)格化11</p><p>　　2.4數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法13</p><p>　　2.4.1數(shù)學(xué)及幾何模型13</p

15、><p>　　2.4.2計(jì)算區(qū)域13</p><p>　　2.5FLUENT計(jì)算步驟13</p><p>　　3.爐膛內(nèi)燃燒過(guò)程模擬結(jié)果與分析15</p><p>　　3.1爐膛內(nèi)的流場(chǎng)15</p><p>　　3.1.1燃燒器橫剖面的速度場(chǎng)15</p><p>　　3.1.2燃盡風(fēng)口橫剖

16、面的速度場(chǎng)16</p><p>　　3.1.3爐膛縱剖面的速度場(chǎng)17</p><p>　　3.2爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)18</p><p>　　3.2.1燃燒器橫剖面的溫度場(chǎng)18</p><p>　　3.2.2燃盡風(fēng)口橫剖面的溫度場(chǎng)19</p><p>　　3.2.3爐膛縱剖面的溫度場(chǎng)20</p>&

17、lt;p>　　3.3燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)燃燒特性的影響21</p><p>　　3.3.1燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)混合特性的影響21</p><p>　　3.3.2燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響26</p><p><b>　　結(jié)論28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></

18、p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　1緒 論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類賴以生存的基本條件，電力工業(yè)是能源工業(yè)的重要組成部分。中國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大

19、國(guó)，目前煤炭提供了一次能源的75%，在可預(yù)見的幾十年內(nèi)煤炭仍是中國(guó)主要的一次能源[1]。工業(yè)鍋爐排放大量煙塵以及SOX和NOX等污染物, 成為我國(guó)大氣主要煤煙型污染源之一。作為以煤為主要能源的國(guó)家，提高燃燒效率，從而降低燃煤所產(chǎn)生的污染物，是為國(guó)家節(jié)能的有效途徑。發(fā)展高效率、低污染的煤潔凈燃燒技術(shù)成為了鍋爐發(fā)展的方向。電力市場(chǎng)需求量在不斷擴(kuò)增，煤炭消耗量隨之增加。我國(guó)的煤炭利用水平還很低，由于燃燒技術(shù)及燃燒設(shè)備還比較落后，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)

20、，電廠的效益降低。因此研究如何預(yù)測(cè)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的趨勢(shì)來(lái)對(duì)鍋爐的安裝使用和改造利用，是一個(gè)值得重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。直接在鍋爐上應(yīng)用顯然不切實(shí)際，數(shù)值模擬可以形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景。建立起一個(gè)模擬真實(shí)鍋爐燃燒的過(guò)程，不僅節(jié)省了人力、物力、資金，而且準(zhǔn)確度和效率很高，這對(duì)于對(duì)鍋爐運(yùn)行的可行性分析來(lái)說(shuō)是一件很有意義的事。</p><p>　　1.2 燃燒過(guò)程數(shù)值模擬發(fā)展概況</p><p>　　二十世紀(jì)

21、六十年代后期，Spalding首先在計(jì)算機(jī)上得到了邊界層燃燒問(wèn)題的數(shù)值解。七十年代是模型的發(fā)展與完善階段。其中包括Spalding的湍流燃燒模型，還有Gibson的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型和Grow的氣固兩相流模型的提出。八十年代模型開始應(yīng)用于爐內(nèi)模擬，各種模型和計(jì)算方法進(jìn)一步完善。九十年代至今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展，模擬開始轉(zhuǎn)向更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的爐內(nèi)燃燒、污染物、結(jié)渣及碳黑的生成模擬[2]。總體來(lái)說(shuō)，爐內(nèi)燃燒過(guò)程數(shù)值模擬逐漸走向成熟。

22、</p><p>　　1.3 燃煤鍋爐燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀</p><p>　　由于爐內(nèi)燃燒過(guò)程非常復(fù)雜，其過(guò)程受流動(dòng)(包括湍流)、傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的控制。它涉及到三維的非穩(wěn)態(tài)、多相、多組分，熱量的傳遞等。其中熱量的傳遞過(guò)程又包括對(duì)流換熱、輻射換熱、熱傳導(dǎo)，而涉及到相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)又包括氣相燃燒、顆粒相燃燒兩部分[3]。用軟件完全對(duì)鍋爐燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬是不現(xiàn)實(shí)的，所以要做一定的

23、簡(jiǎn)化處理，從而突出主要物質(zhì)的重要過(guò)程。經(jīng)過(guò)世界各國(guó)的諸多學(xué)科的專家、學(xué)者長(zhǎng)期的研究與探索，根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，對(duì)過(guò)程作出合理的假設(shè)，構(gòu)造出了各種不同模型。這些模型在模擬精度、計(jì)算量、合理性和經(jīng)濟(jì)性上都具有各自的特點(diǎn)，以適用于不同的情況[4]。由于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。FLUENT是流體力學(xué)軟件中相對(duì)成熟和運(yùn)用最為廣泛的軟件之一，所以本文選定FLUENT作為鍋爐燃燒過(guò)程數(shù)值模擬的軟件。</p>

24、<p>　　1.4 FLUENT軟件</p><p><b>　　1.4.1 簡(jiǎn)介</b></p><p>　　FLUENT軟件是由美國(guó)FLUENT公司于1983年推出的計(jì)算流體力學(xué)軟件，可計(jì)算涉及流體、熱傳遞以及化學(xué)反應(yīng)等工程問(wèn)題。FLUENT軟件適用于各種復(fù)雜外形的可壓和不可壓流動(dòng)計(jì)算。FLUENT軟件采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，可

25、以達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。它在轉(zhuǎn)捩與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用[5]。</p><p><b>　　1.4.2 優(yōu)點(diǎn)</b></p><p><b>　　1）適用面廣</b></p><p>　　包括各種優(yōu)化物理模型，如計(jì)算流體流動(dòng)和熱

26、傳導(dǎo)模型(包括自然對(duì)流、定常和非定常流動(dòng)，層流，湍流，紊流，不可壓縮和可壓縮流動(dòng)，周期流，旋轉(zhuǎn)流及時(shí)間相關(guān)流等)；輻射模型，相變模型，離散相變模型，多相流模型及化學(xué)組分輸運(yùn)和反應(yīng)流模型等。對(duì)每一種物理問(wèn)題的流動(dòng)特點(diǎn)，有適合它的數(shù)值解法，用戶可對(duì)顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。</p><p><b>　　2）高效省時(shí)</b></p>&l

27、t;p>　　FLUENT將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來(lái)，成為CFD計(jì)算機(jī)軟件群，軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換，并采用統(tǒng)一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng)，而可以將主要精力和智慧用于物理問(wèn)題本身的探索上。</p><p><b>　　3）污染物生成模型</b></p><p>　　包括NOx和ROx(煙塵

28、)生成模型。其中NOx模型能夠模擬熱力型、快速型、燃料型及由于燃燒系統(tǒng)里回燃導(dǎo)致的NOx的消耗。而ROx的生成是通過(guò)使用兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行近似模擬，且只使用于紊流。</p><p>　　1.4.3 局限性</p><p>　　由于FLUENT軟件幾乎適用于所有數(shù)值計(jì)算問(wèn)題， 其內(nèi)置的模型具有一定的通用性。所以對(duì)于一些特殊的和比較專業(yè)的問(wèn)題，用其自帶的模型已經(jīng)不適用。比如煤粉燃燒模型，它所需

29、計(jì)算的對(duì)流擴(kuò)散方程很多[ 10-12 ]，采用FLUENT自帶的燃燒模型、顆粒運(yùn)動(dòng)模型等所計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際有較大的出入。這是需要考慮的問(wèn)題，為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須深入分析FLUENT軟件處理煤粉燃燒的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)用戶自定義函數(shù)（即User Defined Function，簡(jiǎn)稱UDF）進(jìn)行二次開發(fā)，深入研究煤粉燃燒模型中顆粒跟蹤數(shù)計(jì)算的方法、過(guò)程之間的切換、過(guò)程與規(guī)則之間的關(guān)系、顆粒生命周期內(nèi)和多調(diào)用自定義規(guī)則的數(shù)目及過(guò)程規(guī)

30、則的調(diào)用機(jī)理。根據(jù)實(shí)際工況以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重新編寫部分計(jì)算程序和燃燒模型[13]。本文只對(duì)爐膛燃燒做簡(jiǎn)單模擬，因此選擇FLUENT自帶模型即可，在這里不去深入研究用戶自定義函數(shù)，只做簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　1.5 燃煤鍋爐燃燒過(guò)程流場(chǎng)及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬簡(jiǎn)介</p><p>　　1.5.1 氣相湍流流動(dòng)模型</p><p>　　鍋爐爐內(nèi)的氣流流動(dòng)幾乎全部都是湍

31、流流動(dòng)，所有物理量都是空間和時(shí)間的隨機(jī)變量，但爐內(nèi)氣相流動(dòng)仍遵循連續(xù)介質(zhì)的一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并具有一定規(guī)律的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征。流場(chǎng)中任意空間點(diǎn)上的流動(dòng)參數(shù)都滿足粘性流體流動(dòng)的納維-斯托克斯（N-S）方程組，因此可用瞬時(shí)參數(shù)的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程表示[6]。方程組雖為封閉的方程組，但由于其具有高度的非線性，目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平還得不出理論解，故只能采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行求解。</p><p>　　1.5.2 氣固

32、兩相流動(dòng)模型</p><p>　　燃煤鍋爐爐內(nèi)的燃燒過(guò)程涉及到煤粉顆粒和燃燒產(chǎn)物氣體的兩相流動(dòng)，煤粉的運(yùn)動(dòng)和彌散對(duì)爐內(nèi)燃燒反應(yīng)的影響很大，因此為了正確預(yù)測(cè)燃燒過(guò)程，必須對(duì)氣固兩相流動(dòng)有正確的描述。研究氣固兩相流動(dòng)基本上有兩種不同的方法，一類是把氣體與顆粒都看成共同存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì)（即把顆粒當(dāng)作擬流體），都在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，常用的數(shù)學(xué)模型有單流體模型（無(wú)滑移模型）、小滑移模型、雙流體模型（多流體模型或

33、多連續(xù)介質(zhì)模型）；另一類是把氣體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，而將顆粒視為離散體系，在拉氏坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，常用的數(shù)學(xué)模型為顆粒軌道模型[7] 。鍋爐中的煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡用拉格朗日法進(jìn)行模擬。顆粒的分散是由于氣體湍流模擬采用的隨機(jī)追蹤模型，這種模型考慮了氣體瞬間速率的變化對(duì)顆粒軌跡的影響。在流體流動(dòng)中，每迭代25步，就認(rèn)為氣體和煤粉間相互影響一次。離散坐標(biāo)（DO）輻射模型被用來(lái)模擬輻射傳熱。氣體吸收系數(shù)用WSGGM模型進(jìn)行計(jì)算

34、[14-16]。</p><p>　　1.5.3 輻射換熱模型</p><p>　　對(duì)于大型電站鍋爐高溫爐膛，輻射換熱是最為重要的換熱方式，因此需要對(duì)爐內(nèi)輻射傳熱過(guò)程進(jìn)行盡可能合理準(zhǔn)確的計(jì)算。但由于輻射換熱的求解十分復(fù)雜、困難，很難根據(jù)輻射傳遞方程求出解析解，因此在解決輻射換熱問(wèn)題時(shí)，一般要做一定的簡(jiǎn)化處理，形成不同的簡(jiǎn)化模型，然后選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法進(jìn)行求解。目前針對(duì)不同的適用條件，已發(fā)

35、展了很多輻射換熱計(jì)算模型，主要用于模擬爐內(nèi)傳熱過(guò)程的輻射換熱模型[8] 。分別是離散換熱輻射模型（DTRM）、P-1輻射模型、Rosseland 輻射模型、表面輻射（S2S）模型和離散坐標(biāo)（DO）輻射模型。</p><p>　　爐膛內(nèi)的溫度很高，爐內(nèi)高溫火焰和水冷壁之間的傳熱以輻射換熱為主，占總換熱量的90%左右。輻射傳輸方程求解的精確度大大取決于對(duì)燃燒產(chǎn)物氣體和煤粉顆粒、灰粒、煙煤的輻射性質(zhì)精確了解。因?yàn)橥ǔＲ?/p>

36、滴迅速蒸發(fā)，對(duì)輻射傳熱不會(huì)影響很大，而燃燒的氣體產(chǎn)物的影響則集中在很窄的離散波段中。由于顆粒在整個(gè)光譜中連續(xù)的發(fā)射、吸收、散射能量，因此顆粒的輻射強(qiáng)度占主導(dǎo)地位[20]。</p><p>　　FLUENT中可以用5種模型計(jì)算輻射換熱問(wèn)題。可以計(jì)算的問(wèn)題包括火焰輻射，表面輻射加熱或冷卻，輻射、對(duì)流和熱傳導(dǎo)的耦合換熱問(wèn)題，空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備中通過(guò)窗口的輻射換熱，汽車車廂內(nèi)的熱交換分析，玻璃加工、玻璃纖維拉絲和陶瓷加工過(guò)程

37、中的輻射換熱等等。輻射換熱是高溫?fù)Q熱的主要機(jī)制，因此在計(jì)算高溫?fù)Q熱問(wèn)題時(shí)應(yīng)該采用輻射換熱模型。</p><p>　　A． DTRM 模型</p><p>　　DTRM 模型的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，通過(guò)增加射線數(shù)量就可以提高計(jì)算精度，同時(shí)還可以用于很寬的光學(xué)厚度范圍。其局限包括：</p><p>　　1） DTRM 模型假設(shè)所有表面都是漫射表面，即所有入射的輻射射線沒有固定

38、的反射角，而是均勻地反射到各個(gè)方向。</p><p>　　2）計(jì)算中沒有考慮輻射的散射效應(yīng)。</p><p>　　3） 計(jì)算中假定輻射是灰體輻射。</p><p>　　4）如果采用大量射線進(jìn)行計(jì)算的話，會(huì)給CPU增加很大的負(fù)擔(dān)。</p><p><b>　　B． P-1模型</b></p><p>

39、;　　相對(duì)于DTRM 模型，P-1模型有一定的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于P-1模型，輻射換熱方程（RTE）是一個(gè)容易求解的擴(kuò)散方程，同時(shí)模型中包含了散射效應(yīng)。在燃燒等光學(xué)厚度很大的計(jì)算問(wèn)題中，P-1的計(jì)算效果都比較好。P-1模型還可以在采用曲線坐標(biāo)系的情況下計(jì)算復(fù)雜幾何形狀的問(wèn)題。P-1模型的局限如下：</p><p>　　1） P-1模型也假設(shè)所有表面都是漫射表面。</p><p>　　2） P-1模型

40、計(jì)算中采用灰體假設(shè)。</p><p>　　3）如果光學(xué)厚度比較小，同時(shí)幾何形狀又比較復(fù)雜的話，則計(jì)算精度會(huì)受到影響。</p><p>　　4） 在計(jì)算局部熱源問(wèn)題時(shí)，P-1模型計(jì)算的輻射熱流通量容易出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象。</p><p>　　C． Rosseland 模型</p><p>　　同 P-1模型相比，Rossland模型的優(yōu)點(diǎn)是不用象P

41、-1模型那樣計(jì)算額外的輸運(yùn)方程，因此Rosseland 模型計(jì)算速度更快，需要的內(nèi)存更少。Rosseland 模型的缺點(diǎn)是僅能用于光學(xué)厚度大于3的問(wèn)題，同時(shí)計(jì)算中只能采用分離求解器進(jìn)行計(jì)算。</p><p><b>　　D． DO 模型</b></p><p>　　DO模型是適用范圍最大的模型——它可以計(jì)算所有光學(xué)厚度的輻射問(wèn)題，并且計(jì)算范圍涵蓋了從表面輻射、半透明介

42、質(zhì)輻射到燃燒問(wèn)題中出現(xiàn)的介入輻射在內(nèi)的各種輻射問(wèn)題。DO模型采用灰?guī)Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，因此既可以計(jì)算灰體輻射，也可以計(jì)算非灰體輻射。如果網(wǎng)格劃分不過(guò)分精細(xì)的話，計(jì)算中所占用的系統(tǒng)資源也不大，因此成為輻射計(jì)算中被經(jīng)常使用的一個(gè)模型。</p><p>　　E． 表面輻射（S2S）模型</p><p>　　S2S 模型適用于計(jì)算沒有介入輻射介質(zhì)的封閉空間內(nèi)的輻射換熱計(jì)算，比如太陽(yáng)能集熱器、輻射式加熱

43、器和汽車機(jī)箱內(nèi)的冷卻過(guò)程等。同DTRM 和DO模型相比，雖然視角因數(shù)（view factor）的計(jì)算需要占用較多的CPU 時(shí)間，S2S 模型在每個(gè)迭代步中的計(jì)算速度都很快。S2S 模型的局限如下：</p><p>　　1）S2S 模型假定所有表面都是漫射表面。</p><p>　　2） S2S 模型采用灰體輻射模型進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　3） 內(nèi)存等系統(tǒng)資源

44、的需求隨輻射表面的增加而激增。計(jì)算中可以將輻射表面組成集群的方式減少內(nèi)存資源的占用。</p><p>　　4） S2S 模型不能計(jì)算介入輻射問(wèn)題。</p><p>　　5） S2S 模型不能用于帶有周期性邊界條件或?qū)ΨQ性邊界條件的計(jì)算。</p><p>　　6） S2S 模型不能用于二維軸對(duì)稱問(wèn)題的計(jì)算。</p><p>　　7） S2S 模

45、型不能用于多重封閉區(qū)域的輻射計(jì)算，只能用于單一封閉幾何形狀的計(jì)算。</p><p>　　1.5.4 彌散相模型</p><p>　　FLUENT用彌散相模型計(jì)算散布在流場(chǎng)中的粒子的運(yùn)動(dòng)和軌跡，例如在油氣混合汽中，空氣是連續(xù)相，而散布在空氣中的細(xì)小的油滴則是彌散相。連續(xù)相的計(jì)算可以用求解流場(chǎng)控制方程的方式完成，而彌散相的運(yùn)動(dòng)和軌跡則需要用彌散相模型進(jìn)行計(jì)算。彌散相模型實(shí)際上是連續(xù)相和彌散相

46、物質(zhì)相互作用的模型。在帶有彌散相模型的計(jì)算過(guò)程中，通常是先計(jì)算連續(xù)相流場(chǎng)，再用流場(chǎng)變量通過(guò)彌散相模型計(jì)算彌散相粒子受到的作用力，并確定其運(yùn)動(dòng)軌跡。</p><p>　　彌散相計(jì)算是在拉格朗日觀點(diǎn)下進(jìn)行的，即在計(jì)算過(guò)程中是以單個(gè)粒子為對(duì)象進(jìn)行計(jì)算的，而不象連續(xù)相計(jì)算那樣是在歐拉觀點(diǎn)下，以空間點(diǎn)為對(duì)象。比如在油氣混合汽的計(jì)算中，作為連續(xù)相的空氣，其計(jì)算結(jié)果是以空間點(diǎn)上的壓強(qiáng)、溫度、密度等變量分布為表現(xiàn)形式的，而作為彌

47、散相的油滴，卻是以某個(gè)油滴的受力、速度、軌跡作為表現(xiàn)形式的。</p><p>　　FLUENT在計(jì)算彌散相模型時(shí)可以計(jì)算的內(nèi)容包括：</p><p>　　1）彌散相軌跡計(jì)算，可以考慮的因素包括彌散相慣性、氣動(dòng)阻力、重力，可以計(jì)算定常和非定常流動(dòng)。</p><p>　　2）可以考慮湍流對(duì)彌散相運(yùn)動(dòng)的干擾作用。</p><p>　　3）計(jì)算中可以

48、考慮彌散相的加熱和冷卻。</p><p>　　4）計(jì)算中可以考慮液態(tài)彌散相粒子的蒸發(fā)和沸騰過(guò)程。</p><p>　　5）可以計(jì)算燃燒的彌散相粒子運(yùn)動(dòng)，包括氣化過(guò)程和煤粉燃燒過(guò)程。</p><p>　　6）計(jì)算中既可以將連續(xù)相與彌散相計(jì)算相互耦合，也可以分別計(jì)算。</p><p>　　7）可以考慮液滴的破裂和聚合過(guò)程。</p>

49、<p>　　8）因?yàn)閺浬⑾嗄Ｐ陀?jì)算中可以包括上述物理過(guò)程，所以可以計(jì)算的實(shí)際問(wèn)題也非常廣泛。</p><p>　　彌散相模型的使用限制:在粒子的體積密度小于 10～12％時(shí)可以使用彌散相模型進(jìn)行計(jì)算。需要注意的是，體積密度小于10～12％時(shí)，粒子的質(zhì)量密度可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)比例，甚至大于連續(xù)相的質(zhì)量密度。彌散相模型適用于計(jì)算有出口和入口的流動(dòng)問(wèn)題，即適用于彌散相粒子不是長(zhǎng)時(shí)間地停留在計(jì)算域內(nèi)，而是從入口處

50、飛入，再?gòu)某隹谔庯w出的問(wèn)題。另外彌散相模型不能與質(zhì)量流入口或壓強(qiáng)降低條件配合使用，不能與適應(yīng)性時(shí)間推進(jìn)同時(shí)使用，同時(shí)彌散相模型中的粒子與連續(xù)相之間沒有化學(xué)反應(yīng)。在彌散相粒子是從一個(gè)表面進(jìn)入流場(chǎng)時(shí)，不能使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，因?yàn)閺浬⑾嗔Ｗ铀谄矫娌荒茈S動(dòng)網(wǎng)格一起移動(dòng)。</p><p>　　1.5.5 煤粉燃燒模型</p><p>　　煤粉進(jìn)入爐膛后將經(jīng)歷復(fù)雜的過(guò)程，主要包括煤粉預(yù)熱析出水分，同時(shí)

51、不斷熱解析出揮發(fā)分，揮發(fā)分析出后剩余被稱之為焦炭的固體；揮發(fā)分將在焦炭顆粒外圍空間燃燒，形成氣相湍流燃燒火焰，而焦炭將與氣相氧化劑在顆粒表面發(fā)生異相燃燒反應(yīng)。焦炭燃燒在煤粉的燃燒過(guò)程中起著主導(dǎo)作用，但揮發(fā)分對(duì)煤的著火及焦炭的燃燒具有舉足輕重的作用，不可忽視。因此，煤粉燃燒模型主要是揮發(fā)分熱解模型、氣相湍流燃燒模型及焦炭燃燒模型[9]。</p><p>　　非預(yù)混燃燒計(jì)算使用的化學(xué)反應(yīng)模型包括火焰層近似（flame

52、 sheet approximation）、平衡流計(jì)算和層流火苗（flamelet）模型三種模型。火焰層近似模型假設(shè)燃料和氧化劑在相遇后立刻燃燒完畢，即反應(yīng)速度為無(wú)窮大，其好處是計(jì)算速度快，缺點(diǎn)是計(jì)算誤差較大，特別是對(duì)于局部熱量的計(jì)算可能超過(guò)實(shí)際值。平衡流計(jì)算是用吉布斯自由能極小化的方法求解組元濃度場(chǎng)，這種方法的好處是既避免了求解有限速率化學(xué)反應(yīng)模型，同時(shí)又能夠比較精確地獲得組元濃度場(chǎng)。層流火苗模型則將湍流火焰燃燒看作由多個(gè)層流區(qū)裝配而

53、成，而在各層流子區(qū)中可以采用真實(shí)反應(yīng)模型，從而大大提高計(jì)算精度。非預(yù)混燃燒計(jì)算中湍流計(jì)算采用的是時(shí)均化NS方程，湍流與化學(xué)反應(yīng)的相干過(guò)程用概率密度函數(shù)（PDF）逼近。計(jì)算過(guò)程中組元的化學(xué)性質(zhì)用FLUENT提供的預(yù)處理程序prePDF進(jìn)行計(jì)算處理。計(jì)算中采用的化學(xué)反應(yīng)模型可以是前面所述三種模型中的一種。</p><p>　　1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文的最終目標(biāo)是對(duì)燃

54、煤鍋爐燃燒過(guò)程流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。主要完成以下幾個(gè)步驟：</p><p>　　確定研究對(duì)象，即選擇要研究的鍋爐類型并去確定其基本信息（鍋爐型號(hào)、基本尺寸、燃煤種類等）。</p><p>　　用FLUENT前置網(wǎng)格處理軟件GAMBIT畫出鍋爐爐膛的物理模型，并且選擇合理的方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置各邊界條件后將網(wǎng)格化好的模型保存。</p><p>　　啟動(dòng)FLU

55、ENT軟件，導(dǎo)入GAMBIT軟件中做好的模型，對(duì)其進(jìn)行檢查。確認(rèn)網(wǎng)格劃分合理后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理。選擇合適的求解方法和模型，并輸入需要的計(jì)算數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行迭代計(jì)算，并通過(guò)圖像及殘差判斷數(shù)據(jù)的收斂性。</p><p>　　對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，倘若出現(xiàn)較大偏差則需要尋找問(wèn)題，例如網(wǎng)格劃分不合理、計(jì)算模型選擇錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤等。需要重新調(diào)整計(jì)算，直至得到比較符合實(shí)際的結(jié)果。</p><p>　

56、　對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，并且展示計(jì)算結(jié)果及圖像。</p><p>　　改變?nèi)急M風(fēng)口風(fēng)速大小，研究燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)混合特性和對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，并且總結(jié)出結(jié)論。</p><p><b>　　2模型建立及計(jì)算</b></p><p><b>　　燃煤鍋爐原理</b></p><p>　　2.1.1 電廠鍋爐工

57、作原理</p><p>　　電廠鍋爐的作用是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并利用熱能加熱鍋?nèi)的水使之成為具有足夠數(shù)量和一定質(zhì)量（汽溫和汽壓）的過(guò)熱蒸汽，以供汽輪機(jī)使用。</p><p>　　燃燒過(guò)程是激烈的高速化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)放出熱和光。燃燒反應(yīng)過(guò)程是在很復(fù)雜的條件下，與一系列過(guò)程有關(guān)，例如湍流流動(dòng)過(guò)程、輻射傳熱過(guò)程、擴(kuò)散過(guò)程等，它們同時(shí)進(jìn)行著并且互相影響。對(duì)于氣體燃燒過(guò)程，燃料與氧化劑均處

58、于同一種狀態(tài)，稱之為均相燃燒。固體顆粒和液滴燃燒，燃料與氧化劑處于不同物態(tài)，稱之為異相燃燒[17]。</p><p>　　目前火電廠的特點(diǎn)是鍋爐容量大、參數(shù)高、技術(shù)復(fù)雜、機(jī)械化和自動(dòng)化水平高，燃料主要是煤，并且煤在燃燒之前需先制成煤粉，然后送入鍋爐在爐膛中燃燒放熱。鍋爐的主要工作就燃料的燃燒、熱量的傳遞、水的加熱與汽化和蒸汽的過(guò)熱等過(guò)程。</p><p>　　2.1.2 電廠鍋爐發(fā)展概況

59、</p><p>　　大型超臨界機(jī)組自20世紀(jì)50年代在美國(guó)和德國(guó)開始投入商業(yè)運(yùn)行，今天超臨界機(jī)組已大量投運(yùn)，并取得了良好的運(yùn)行業(yè)績(jī)，同時(shí)，超超臨界機(jī)組又是不斷發(fā)展的技術(shù)[17]。</p><p>　　日前我國(guó)電站煤粉鍋爐基本采用四角布置切圓燃燒方式、W型火焰燃燒方式和曲后墻布置對(duì)沖燃燒方式。四角切向燃燒鍋爐由于其燃料的適應(yīng)性及風(fēng)粉混合均勻等特點(diǎn)決定其是我國(guó)電站應(yīng)用最廣、最成熟的燃燒方式，

60、應(yīng)用的鍋爐容量從小到大不等。使用從優(yōu)度煤到劣質(zhì)煤幾乎所有的煤種。在我國(guó)，這種鍋爐占機(jī)姐總?cè)萘康?0%左右[18]。</p><p>　　2.2 燃煤鍋爐特性</p><p>　　2.2.1 鍋爐型號(hào) </p><p>　　本文選擇東方鍋爐廠的一款600MW超臨界火電機(jī)組鍋爐作為研究對(duì)象，其型號(hào)和尺寸如下： 表2-1 DG190

61、0/25.4-Ⅱ1型鍋爐型號(hào)</p><p>　　超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次再熱，單爐膛，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，全鋼構(gòu)架，全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)，露天布置。鍋爐主要參數(shù)如下：</p><p>　　表2-2 鍋爐主要參數(shù)</p><p>　　2.2.2 鍋爐燃煤煤質(zhì)分析</p><p>　　燃用晉南、晉東南地區(qū)貧

62、煤、煙煤的混合煤種。其煤質(zhì)分析如下：</p><p>　　表2-3鍋爐用煤煤質(zhì)分析</p><p><b>　　2.3 爐膛模型</b></p><p>　　2.3.1 爐膛整體模型的選擇</p><p>　　本文研究的是燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程及污染物生成的數(shù)值模擬，主要針對(duì)的是燃燒過(guò)程，而燃燒主要發(fā)生在鍋爐爐膛內(nèi)，所以本

63、文只選擇爐膛作為研究對(duì)象。爐膛寬為19419.2mm，深度為15456.8mm，高度為67000mm，整個(gè)爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)組成，兩者間由過(guò)渡水冷壁轉(zhuǎn)換連接，爐膛角部為R150mm圓弧過(guò)渡結(jié)構(gòu)。爐膛冷灰斗的傾斜角度為55°，除渣口的喉口寬度為1243.2mm。由于用FLUENT進(jìn)行三維模擬比較復(fù)雜，模擬計(jì)算也相對(duì)較慢，為了節(jié)省時(shí)間，需要適當(dāng)?shù)膶?duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化

64、。選擇物理模型是整個(gè)爐膛，爐膛部分僅考慮燃燒器以及燃盡風(fēng)口的布置，其他部分（如再熱器、過(guò)熱器、水冷壁等）均不畫入模型。簡(jiǎn)化之后設(shè)計(jì)出來(lái)的模型不僅大大減少了計(jì)算量，而且基本符合模擬要求。</p><p>　　2.3.2 爐膛燃燒器及燃盡風(fēng)口的分布</p><p>　　此鍋爐采用前后墻對(duì)沖燃燒方式。24只HT－NR3燃燒器前后對(duì)沖分三層布置在爐膛前后墻上，沿爐膛寬度方向熱負(fù)荷及煙氣溫度分布更均

65、勻。 燃燒器一次風(fēng)噴口中心線的層間距離為4957.1mm，同層燃燒器之間的水平距離為3657.6mm，上一次風(fēng)噴口中心線距屏底距離為27322.3mm，下一次風(fēng)噴口中心線距冷灰斗拐點(diǎn)距離為2397.7mm。最外側(cè)燃燒器與側(cè)墻距離為4223.2mm，能夠避免側(cè)墻結(jié)渣及發(fā)生高溫腐蝕。</p><p>　　燃燒器上部布置有燃盡風(fēng)(OFA)風(fēng)口，12只燃盡風(fēng)風(fēng)口分別布置在前后墻上。中間4只燃盡風(fēng)風(fēng)口距最上層一次風(fēng)中心線距

66、離為7004.6mm。兩側(cè)靠前后墻2只燃盡風(fēng)風(fēng)口距最上層一次風(fēng)中心線距離為4272.3mm。</p><p>　　在HT-NR3燃燒器中，燃燒的空氣被分為三股，它們是：直流一次風(fēng)、直流二次風(fēng)和旋流三次風(fēng)。一次風(fēng)由一次風(fēng)機(jī)提供。一次風(fēng)管內(nèi)靠近爐膛端部布置有一個(gè)錐形煤粉濃縮器。燃燒器風(fēng)箱為每個(gè)HT-NR3燃燒器提供二次風(fēng)和三次風(fēng)。每個(gè)燃燒器設(shè)有一個(gè)風(fēng)量均衡擋板，該擋板的調(diào)節(jié)桿穿過(guò)燃燒器面板，能夠在燃燒器和風(fēng)箱外方便地

67、對(duì)該擋板的位置進(jìn)行調(diào)整。三次風(fēng)旋流裝置設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的型式，并設(shè)有執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)程控調(diào)節(jié)。調(diào)整旋流裝置的調(diào)節(jié)導(dǎo)軸即可調(diào)節(jié)三次風(fēng)的旋流強(qiáng)度。燃盡風(fēng)風(fēng)口包含兩股獨(dú)立的氣流：中央部位為非旋轉(zhuǎn)的氣流，它直接穿透進(jìn)入爐膛中心；外圈氣流是旋轉(zhuǎn)氣流，用于和靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進(jìn)行混合。本文設(shè)計(jì)中，一次風(fēng)攜帶煤粉以彌散相模型的形式進(jìn)入爐膛內(nèi)部。對(duì)于二次風(fēng)可以再定義邊界條件是設(shè)置其入射速度、角度以及溫度等問(wèn)題。至于三次風(fēng)，由于是旋流，而且?guī)缀文Ｐ徒r(shí)

68、為了方便計(jì)算不考慮燃燒器的幾何模型，因此對(duì)三次風(fēng)模擬起來(lái)不是很方便，因此只能對(duì)三次風(fēng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其與二次風(fēng)合并，一同從燃燒器入口進(jìn)入爐膛內(nèi)。</p><p>　　2.3.3 爐膛模型的網(wǎng)格化</p><p>　　如圖2-1、2-2所示，由于整個(gè)爐膛結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜，上部有折焰角，下部有冷灰斗。因此將爐膛劃分為三個(gè)部分，分別是冷灰斗、爐膛主體、折焰角周圍部分。由于冷灰斗與折焰角周圍部分不是燃燒主

69、體區(qū)域，所以對(duì)這兩個(gè)部分網(wǎng)格劃分要求可以適當(dāng)降低，一般用默認(rèn)的方式劃分即可，并且為了減少計(jì)算負(fù)擔(dān)可以將網(wǎng)格設(shè)置的稍微疏一些。對(duì)于爐膛主體區(qū)域，分割后此區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方體，結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，可以直接用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，但是需要注意因此部分為燃燒發(fā)生的區(qū)域，因此是重點(diǎn)研究對(duì)象，可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)募哟缶W(wǎng)格密度。由于燃燒器與燃盡風(fēng)口是物質(zhì)的進(jìn)口，所以可以的話需要對(duì)其進(jìn)行更為細(xì)致的網(wǎng)格劃分。由于時(shí)間問(wèn)題，并且考慮到三維模擬計(jì)算的復(fù)雜性，故對(duì)爐膛進(jìn)

70、行簡(jiǎn)單合理的網(wǎng)格劃分，總共劃分723619個(gè)網(wǎng)格。</p><p>　　完成對(duì)爐膛物理模型的網(wǎng)格劃分后，要設(shè)置燃燒器、燃盡風(fēng)口、煙氣出口和冷灰斗出口的邊界條件。24個(gè)燃燒器入口以及12個(gè)燃盡風(fēng)口所在的面定義為速度入口，將煙氣出口和冷灰斗出口定義為一般出口，其他面默認(rèn)為壁面。</p><p>　　圖2-1 爐膛模型網(wǎng)格劃分三維視圖</p><p>　　圖2-2 爐膛模

71、型網(wǎng)格劃分直觀圖</p><p>　　2.4 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法</p><p>　　2.4.1 數(shù)學(xué)及幾何模型</p><p>　　本文數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，氣相湍流流動(dòng)的模擬采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型，方程組的通式為[19]：</p><p><b>　　(1)</b></p><p>

72、　　式中:為通用因變量；為輸運(yùn)系數(shù)；為源項(xiàng)；ρ為氣流密度；v為速度矢量。</p><p>　　采用非預(yù)混燃燒模型，用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型模擬爐內(nèi)三維湍流運(yùn)輸；爐內(nèi)采用P1輻射模型計(jì)算輻射傳熱；采用混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)（probability density function， PDF）法模擬氣相燃燒模型；對(duì)煤粉揮發(fā)分的釋放采用了雙匹配速率模型；對(duì)固體顆粒相的求解則采用隨機(jī)的顆粒軌道模型。</p>&l

73、t;p>　　本文為了提高計(jì)算穩(wěn)定性及加快收斂速度，在計(jì)算中對(duì)初始速度場(chǎng)的給定采用了一維流動(dòng)的處理方法，在PDF中編制了一個(gè)簡(jiǎn)短的子程序，根據(jù)質(zhì)量連續(xù)，給出全場(chǎng)速度初值。這樣的話，進(jìn)口條件一開始就可按實(shí)際情況給出，既保證了計(jì)算的穩(wěn)定性，提高了計(jì)算的收斂速度，又免去了人工為全場(chǎng)賦初值的工作，提高了程序的通用性。流場(chǎng)的計(jì)算受質(zhì)量連續(xù)的限制，一般在迭代計(jì)算過(guò)程中，中間速度都不能很好地滿足連續(xù)性方程。若出口邊界條件僅用導(dǎo)數(shù)為零的話，就會(huì)造成

74、迭代過(guò)程中進(jìn)入爐內(nèi)的質(zhì)量與流出的質(zhì)量不相等，極易引起迭代的發(fā)散，從而達(dá)不到預(yù)期結(jié)果。對(duì)出口邊界采用速度導(dǎo)數(shù)為零條件的同時(shí)，對(duì)出口邊界進(jìn)行了質(zhì)量連續(xù)性校正。此外，還對(duì)爐膛中若干橫截面進(jìn)行了質(zhì)量連續(xù)校正，取得了良好的收斂效果[21]。</p><p>　　2.4.2 計(jì)算區(qū)域</p><p>　　守恒方程采用控制容積法，對(duì)于離散方程組的壓力和速度采用SIMPLEC算法求解，收斂標(biāo)準(zhǔn)各項(xiàng)均小于

75、10-6。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，選取爐膛下部的冷灰斗到爐膛上部的折焰角之間的區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2-1、圖2-2所示，共劃分723619個(gè)網(wǎng)格。</p><p>　　對(duì)三維爐膛的實(shí)踐表明，在用FLUENT軟件進(jìn)行迭代計(jì)算的時(shí)候，選擇SIMPLEC算法比SIMPLE算法收斂快得多，SIMPLEC松弛因子可取得更大, 所以對(duì)氣相流場(chǎng)采用非錯(cuò)列網(wǎng)格的SIMPLEC方法來(lái)求解更合適。</

76、p><p>　　2.5 FLUENT計(jì)算步驟</p><p>　　1)打開FLUENT軟件，導(dǎo)入GAMBIT軟件生成的網(wǎng)格文件。檢查網(wǎng)格，只要觀察minimum volume保證此項(xiàng)必須大于零，方可進(jìn)行下一步，否則需重新用GAMBIT劃分網(wǎng)格。</p><p>　　2)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化處理，并調(diào)整計(jì)算單位。</p><p>　　3)定義求解方法，

77、打開能量方程，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，輻射采用P1輻射模型，燃燒采用非預(yù)混燃燒模型并配合用彌散相模擬。在彌散相模型中可以設(shè)置燃燒器的進(jìn)粉量和速度等條件。</p><p>　　4)定義材料和邊界條件類型，再此可以設(shè)置燃燒器進(jìn)風(fēng)的速度方向和進(jìn)風(fēng)的溫度等</p><p>　　5)選擇計(jì)算方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，選擇好模擬的監(jiān)視器，最后選擇迭代次數(shù)然后開始迭代計(jì)算。計(jì)算收斂后即可停止計(jì)算。<

78、/p><p>　　6)建立模型的觀察面，顯示模擬圖像。</p><p>　　3 爐膛內(nèi)燃燒過(guò)程模擬結(jié)果與分析</p><p>　　3.1 爐膛內(nèi)的流場(chǎng)</p><p>　　3.1.1 燃燒器橫剖面的速度場(chǎng)</p><p>　　鍋爐爐膛每層分布8個(gè)燃燒器，三層燃燒器的橫剖面速度場(chǎng)的分布規(guī)律大體上一致。圖中燃燒器出口處速率最大

79、，最大達(dá)到50m/s，越往爐膛中心方向速度逐漸降低，最低速率范圍是0 m/s到3.8m/s。且由爐膛四周向中心速度也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。</p><p>　　圖3-1 上層燃燒器剖面速度場(chǎng)</p><p>　　圖3-2 中層燃燒器剖面速度場(chǎng)</p><p>　　圖3-3 下層燃燒器剖面速度場(chǎng)</p><p>　　3.1.2 燃盡風(fēng)口橫剖面的速度場(chǎng)

80、</p><p>　　觀察圖3-4、3-5，圖中可以清晰地看到各個(gè)燃盡風(fēng)入口風(fēng)速最大，達(dá)到35m/s。上層燃盡風(fēng)口剖面爐膛中心風(fēng)速為3.8m/s到7.6m/s，下層燃盡風(fēng)口剖面爐膛中心風(fēng)速為0m/s到3.8m/s。并且速度由燃盡風(fēng)口向爐膛中心呈逐漸降低的趨勢(shì)，并且平面整體速度明顯低于燃燒器的出口。</p><p>　　圖3-4 上層燃盡風(fēng)口剖面速度場(chǎng)</p><p>

81、;　　圖3-5 下層燃盡風(fēng)口剖面速度場(chǎng)</p><p>　　3.1.3 爐膛縱剖面的速度場(chǎng)</p><p>　　圖3-6是取平行于側(cè)壁，從左到右分別是距離側(cè)壁面4.2232m、7.8808m、11.5384m和15.196m處的四個(gè)剖面，觀察其速度場(chǎng)變化。之所以選這四個(gè)面是因?yàn)榍昂髩Φ?4個(gè)燃燒器入口分別處于這四個(gè)平面上，取這四個(gè)剖面具有一定的代表性，可以一定程度上反映爐膛內(nèi)的真實(shí)情況。同

82、時(shí)這四個(gè)面所處的條件相似，可以相互對(duì)比。</p><p>　　觀察圖3-6到圖3-9，由以上4張圖片可以看出，冷灰斗出口的速度最大，達(dá)到76.6m/s；燃燒過(guò)程中爐膛內(nèi)生成了相對(duì)穩(wěn)定的上升氣流，且由下而上速度呈逐漸降低趨勢(shì)，在圖中可以明顯的看到上中下三排燃燒器和上層燃盡風(fēng)口的入口速度比較大，由入口向爐膛中心方向呈逐漸降低趨勢(shì)。從燃盡風(fēng)口到折焰角的區(qū)域，速度大小隨著爐膛高度的增加而降低。并且可以看到氣流不是垂直入射

83、，而是與壁面成一定角度的，這與實(shí)際情況也比較吻合。</p><p><b>　　圖3-6剖面速度場(chǎng)</b></p><p>　　3.2 爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)</p><p>　　3.2.1燃燒器橫剖面的溫度場(chǎng)</p><p>　　由圖可以看出中層燃燒器所在面的平均溫度比較高，高溫主要集中在爐膛中心，由爐膛中心向四周溫度逐漸降低

84、，中心溫度最高可達(dá)到將近2000K，爐膛中心多數(shù)區(qū)域達(dá)到1700K。這也說(shuō)明了燃燒反應(yīng)主要發(fā)生在在靠近爐膛中心的地方。</p><p>　　圖3-7 上層燃燒器剖面的溫度場(chǎng)</p><p>　　圖3-8 中層燃燒器剖面的溫度場(chǎng)</p><p>　　圖3-9 下層燃燒器剖面的溫度場(chǎng)</p><p>　　3.2.2 燃盡風(fēng)口橫剖面的溫度場(chǎng)<

85、/p><p>　　觀察圖3-10、3-11可知，燃盡風(fēng)口平面接近爐膛中心的區(qū)域仍有較高溫度，說(shuō)明此處仍發(fā)生了燃燒反應(yīng)，這應(yīng)該是還未燃盡的煤粉在此處繼續(xù)燃燒造成的。相對(duì)而言，上燃盡風(fēng)口所在平面的高溫區(qū)有所減少，并且溫度也有所降低。這說(shuō)明大部分沒燃盡的燃料在下層燃盡風(fēng)作用下已經(jīng)燃燒完全，只有剩下的少部分燃料與在上層燃盡風(fēng)的接觸發(fā)生燃燒反應(yīng)。</p><p>　　圖3-10 上層燃盡風(fēng)口溫度場(chǎng)<

86、;/p><p>　　圖3-11 下層燃盡風(fēng)口溫度場(chǎng)</p><p>　　3.2.3 爐膛縱剖面的溫度場(chǎng)</p><p>　　圖3-12中從左到右分別是取距離側(cè)壁面4.2232m、7.8808m、11.5384m和15.196m處的四個(gè)剖面。觀察圖可知，越靠近爐膛中心的剖面燃燒效果越好，溫度越高，這與實(shí)際相符合。同時(shí)可以看到爐膛中心前后對(duì)稱的兩個(gè)剖面燃燒的情況大致相似。水

87、平煙道流場(chǎng)分布相當(dāng)均勻, 不存在像四角切圓鍋爐爐膛出口的殘余旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致水平煙道速度分布嚴(yán)重不均的現(xiàn)象。說(shuō)明爐膛內(nèi)發(fā)生的燃燒反應(yīng)的對(duì)稱性較好，比較穩(wěn)定。圖中可以看到爐膛內(nèi)的最高溫度在2000K左右，比實(shí)際燃燒溫度稍高，但總體還是比較符合實(shí)際情況。爐膛高溫區(qū)主要位于燃燒器至燃盡風(fēng)區(qū)域,燃盡風(fēng)起到壓火的作用.燃盡風(fēng)后還有一段高溫區(qū),這是由于未燃盡的一氧化碳和碳與燃盡風(fēng)補(bǔ)充的氧反應(yīng)的結(jié)果[22]。沿爐膛寬度方向,爐膛中心溫度分布均勻,減小了壁面熱

88、負(fù)荷偏差所帶來(lái)的不利影響。出口煙氣溫度大概在1370K到1500K之間也是比較符合現(xiàn)實(shí)情況的。</p><p>　　從溫度分布圖可以看出溫度場(chǎng)在爐內(nèi)呈對(duì)稱分布，爐膛內(nèi)的溫度分布合理，爐膛火焰充滿度良好。爐膛內(nèi)的高溫區(qū)域位于最下層燃燒器至燃盡風(fēng)區(qū)域；燃燒器及側(cè)燃盡風(fēng)以上區(qū)域，隨著爐膛高度的增加，溫度也逐漸降低；燃燒器以下區(qū)域，溫度呈緩慢降低趨勢(shì)。鍋爐爐膛中呈現(xiàn)爐膛中央部位溫度高的分布，而在燃燒器區(qū)域至燃盡風(fēng)區(qū)域中出

89、現(xiàn)了最高溫度，在此區(qū)域之上溫度水平基本上隨爐膛的高度而逐步下降。</p><p>　　圖3-12 剖面溫度場(chǎng)</p><p>　　3.3 燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)燃燒特性的影響</p><p>　　3.3.1 燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)混合特性的影響</p><p>　　改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)速，對(duì)不同燃盡風(fēng)速下爐內(nèi)燃燒特性進(jìn)行了分析對(duì)比。選擇30m/s、40m/s、49m

90、/s及60m/s 三種燃盡風(fēng)速，分別定義為工況a、b、c、d。二次風(fēng)及燃盡風(fēng)采用均等配風(fēng)方式。</p><p>　　圖3-13表示的不同燃盡風(fēng)速下，上燃盡風(fēng)口層噴口處橫截面上的速度矢量圖，圖3-14表示的是下燃盡風(fēng)口層噴口處橫截面上的速度矢量圖。通過(guò)對(duì)比可以看出，從前后墻引入的氣流沖入爐膛中心相遇, 碰撞后形成向上的氣流。兩側(cè)燃燒器的部分氣流向側(cè)墻沖刷, 并形成旋渦；燃盡風(fēng)口風(fēng)速增大時(shí)，爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度隨之增強(qiáng)

91、。燃盡風(fēng)的穿透程度加強(qiáng)，這是因?yàn)樵陲L(fēng)率相同的情況下，風(fēng)速增加時(shí)噴口面積需減小，所以風(fēng)速大的噴口剛性較大[8]，相對(duì)容易穿透到爐膛中心，從而使得煙氣與煤粉的混合加劇，有利于增加煤炭燃燒的效率。</p><p><b>　　（1）工況a</b></p><p><b>　?。?）工況b</b></p><p><b>

92、;　　（3）工況c</b></p><p><b>　?。?）工況d</b></p><p>　　圖3-13四種工況上燃盡風(fēng)口層噴口處橫截面上的速度矢量</p><p><b>　　（1）工況a</b></p><p><b>　?。?）工況b</b></p&

93、gt;<p><b>　?。?）工況c</b></p><p><b>　?。?）工況d</b></p><p>　　圖3-14四種工況下燃盡風(fēng)口層噴口處橫截面的速度矢量</p><p>　　3.3.2燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的影響</p><p>　　圖3-15至圖3-18是取平行于側(cè)壁

94、、從左到右分別是距離側(cè)壁面4.2232m、7.8808m、11.5384m和15.196m處的四個(gè)剖面。對(duì)比四個(gè)工況可知，在一定條件下，隨著燃盡風(fēng)風(fēng)速的增加，爐膛中心的高溫區(qū)域面積增加，而且相對(duì)集中，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)爐內(nèi)的煙氣煤粉混合加劇，這有利于煤粉中焦炭在此區(qū)域的混合燃盡，從而會(huì)使得高風(fēng)速的溫度有所提高；隨著燃盡風(fēng)速的增加，鍋爐煙氣出口的溫度降低，這主要是由于燃盡風(fēng)風(fēng)速增大時(shí)，爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大造成的。</p><

95、;p>　　圖3-15工況a 四個(gè)剖面的溫度分布</p><p>　　圖3-16工況b四個(gè)剖面的溫度分布</p><p>　　圖3-17工況c四個(gè)剖面的溫度分布</p><p>　　圖3-18工況d四個(gè)剖面的溫度分布</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文選取適

96、當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，采用了合理的網(wǎng)格劃分和邊界條件，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件FLUENT對(duì)燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的對(duì)比與分析，得出了燃盡風(fēng)速對(duì)爐內(nèi)燃燒特性的影響。通過(guò)數(shù)值研究可以得出以下結(jié)論：</p><p>　　（1）本文對(duì)600MW超臨界火電機(jī)組鍋爐旋流對(duì)沖煤粉鍋爐的流場(chǎng)及速度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。所設(shè)置的邊界類型、入口條件合理；所建立的燃煤鍋爐爐膛模型正確，所選擇的數(shù)學(xué)

97、模型及計(jì)算方法合理。數(shù)值模擬得出的結(jié)果跟實(shí)際情況相似，達(dá)到了預(yù)期效果。</p><p>　　（2）爐膛內(nèi)速度最大的區(qū)域在冷灰斗的出口處；燃燒器出口處速率比較大，越往爐膛中心方向速度逐漸降低，且由爐膛四周向中心速度也呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；燃盡風(fēng)口入口處風(fēng)速最大，且速度由燃盡風(fēng)口向爐膛中心呈逐漸降低的趨勢(shì)，并且平面整體速度明顯低于燃燒器的出口；從燃盡風(fēng)口到折焰角的區(qū)域，速度大小隨著爐膛高度的增加而降低。并且可以看到氣流不是

98、垂直入射，而是與壁面成一定角度的，這與實(shí)際情況比較吻合。</p><p>　?。?）溫度場(chǎng)在爐內(nèi)呈對(duì)稱分布，爐膛內(nèi)的溫度分布合理，爐膛火焰充滿度良好，鍋爐爐膛中呈現(xiàn)爐膛中央部位溫度高的分布。燃燒器所在面的平均溫度比較高，高溫主要集中在爐膛中心，由爐膛中心向四周溫度逐漸降低，說(shuō)明燃燒反應(yīng)主要發(fā)生在在靠近爐膛中心的地方；上燃盡風(fēng)口所在平面的高溫區(qū)有所減少，并且溫度也有所降低；燃盡風(fēng)口平面接近爐膛中心的區(qū)域仍有較高溫度

99、，此處是還未燃盡的煤粉在此處繼續(xù)燃燒反應(yīng)；爐膛內(nèi)的高溫區(qū)域位于最下層燃燒器至燃盡風(fēng)區(qū)域；燃燒器及側(cè)燃盡風(fēng)以上區(qū)域，溫度隨著爐膛高度的增加而逐漸降低；燃燒器以下區(qū)域，溫度呈緩慢降低趨勢(shì)。</p><p>　　（4）燃盡風(fēng)口風(fēng)速增大時(shí)，爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。燃盡風(fēng)的穿透程度隨之加強(qiáng)，相對(duì)容易穿透到爐膛中心，從而使得煙氣與煤粉的混合加劇，有利于增加煤炭燃燒的效率。</p><p>　?。?

100、）在一定條件下，隨著燃盡風(fēng)速的增加，爐膛中心的高溫區(qū)域面積增加，而且相對(duì)集中；隨著燃盡風(fēng)速的增加，鍋爐煙氣出口的溫度降低。</p><p>　?。?）綜合分析得出：在燃盡風(fēng)風(fēng)速為49m/s時(shí)爐內(nèi)燃燒狀況最佳，鍋爐煙氣出口的溫度比較低，爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度適當(dāng)，燃盡風(fēng)的穿透程度也適當(dāng)，爐膛中心的高溫區(qū)域面積比較大且相對(duì)比較集中。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

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