燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟.doc

毕 业 设 计论文 题 目 燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟 系 别 专业班级 学生姓名 指导教师 动力工程系 环境工程 班 二○一三年六月 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 摘 要 数值模拟是以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。课题涉及到三维燃烧过程，并带有两相流。综合考虑，我选择了目前应用比较广泛的FLUENT软件作为数值模拟的工具。 本文对锅炉炉膛计算域通过GAMBIT软件构建三维框架结构，从而对其进行网格划分，确定合适的数学物理模型，设置边界条件，选用适当的变量和参数，对炉膛燃烧进行三维数值模拟，得出炉膛内流场与温度场分布。最后经过简单的处理，将模拟结果以图片或图表的形式进行直观的展示。通过对模拟结果的观察分析得出合理的结论，并分析不足之处。改变燃尽风风速大小，选择30m/s、40m/s、49m/s及60m/s三种燃尽风速，研究燃尽风风速对炉内混合特性和炉内温度场的影响。结果表明燃尽风口风速增大时，炉内气流的旋转强度随之增强，燃尽风的穿透程度随之加强，相对容易穿透到炉膛中心，从而使得烟气与煤粉的混合加剧，有利于增加煤炭燃烧的效率；在一定条件下，随着燃尽风速的增加，炉膛中心的高温区域面积增加，而且相对集中；随着燃尽风速的增加，锅炉烟气出口的温度降低；燃尽风风速为49m/s时炉内燃烧状况最佳。 关键词流场；温度场；数值模拟；燃尽风 I 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） NUMERICAL SIMULATION ON FLOW FIELD AND TEMPERATURE FIELD OF THE COMBUSTION PROCESS IN THE FIRED PULVERIZED-COAL BOILER Abstract Numerical simulation uses electronic computers as the means. To achieve the purpose of engineering problems and physical problems as well as the nature of various problems, it uses the of the numerical calculation and image shows. The topic relates to the three-dimensional combustion process and the two-phase flow. Considered, I chose the FLUENT as the tool for numerical simulation. In this paper, establishing the three dimensional frame construction with 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 numerical 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 conclusion from the results and finding out the inadequacies of the results. Changing the size of velocity of over fired air，choose 30,40,49 and 60 meters per second，then discuss what will happen about mixing characteristics of the furnace and temperature field.Study results indicate that As burnout air speed increases, the rotation of the furnace air flow intensity increases, and the degree of penetration strength increases, it’s easy to penetrate into the center of the furnace relatively, so that the mixture of flue gas and coal increases, the increasing efficiency of coal combustion is also in favor.Under certain conditions, as the velocity of over fired air increases,the temperature of furnace center area increases, more concentrated;and the temperature of the boiler flue gas outlet slso reduced；the best overfire air velocity for optimum combustion furnace is 49 meters per second. KeywordsFlow Field;Temperature Field;Numerical Simulation;Over Fired Air II 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 目 录 摘要 ............................................................................................ 错误未定义书签。 ABSTRACT ................................................... 错误未定义书签。错误未定义书签。 1绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1课题背景 ................................................................................................................. 1 1.2燃烧过程数值模拟发展概况 ................................................................................. 1 1.3燃煤锅炉燃烧过程的数值模拟研究现状 ............................................................. 1 1.4FLUENT软件 ............................................................................................................ 2 1.4.1简介 ...................................................................................................................... 2 1.4.2优点 ...................................................................................................................... 2 1.4.3局限性 .................................................................................................................. 2 1.5燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟简介 ................................................. 3 1.5.1气相湍流流动模型 .............................................................................................. 3 1.5.2气固两相流动模型 .............................................................................................. 3 1.5.3辐射换热模型 ...................................................................................................... 3 1.5.4弥散相模型 .......................................................................................................... 5 1.5.5煤粉燃烧模型 ...................................................................................................... 6 1.6本文主要研究内容 ................................................................................................. 6 2模型建立及计算 ........................................................................................................ 8 2.1燃煤锅炉原理 ......................................................................................................... 8 2.1.1电厂锅炉工作原理 .............................................................................................. 8 2.1.2电厂锅炉发展概况 .............................................................................................. 8 2.2燃煤锅炉特性 ......................................................................................................... 8 2.2.1锅炉型号 .............................................................................................................. 8 2.2.2锅炉燃煤煤质分析 .............................................................................................. 9 2.3炉膛模型 ............................................................................................................... 10 2.3.1炉膛整体模型的选择 ........................................................................................ 10 2.3.2炉膛燃烧器及燃尽风口的分布 ........................................................................ 10 2.3.3炉膛模型的网格化 ............................................................................................ 11 2.4数学模型及计算方法 ........................................................................................... 13 2.4.1数学及几何模型 ................................................................................................ 13 2.4.2计算区域 ............................................................................................................ 13 2.5FLUENT计算步骤 ............................................................................................... 13 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 3.炉膛内燃烧过程模拟结果与分析 .......................................................................... 15 3.1炉膛内的流场 ....................................................................................................... 15 3.1.1燃烧器横剖面的速度场 .................................................................................... 15 3.1.2燃尽风口横剖面的速度场 ................................................................................ 16 3.1.3炉膛纵剖面的速度场 ........................................................................................ 17 3.2炉膛内的温度场 ................................................................................................... 18 3.2.1燃烧器横剖面的温度场 .................................................................................... 18 3.2.2燃尽风口横剖面的温度场 ................................................................................ 19 3.2.3炉膛纵剖面的温度场 ........................................................................................ 20 3.3燃尽风速对炉内燃烧特性的影响 ....................................................................... 21 3.3.1燃尽风速对炉内混合特性的影响 .................................................................... 21 3.3.2燃尽风速对炉内温度场的影响 ........................................................................ 26 结论 ............................................................................................................................. 28 参考文献 ..................................................................................................................... 29 致谢 ............................................................................................................................. 31 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 1绪 论 1.1 课题背景 能源是国民经济重要的物质基础，也是人类赖以生存的基本条件，电力工业是能源工业的重要组成部分。中国是煤炭生产和消费大国，目前煤炭提供了一次能源的75，在可预见的几十年内煤炭仍是中国主要的一次能源[1]。工业锅炉排放大量烟尘以及SOX和NOX等污 染物, 成为我国大气主要煤烟型污染源之一。作为以煤为主要能源的国家，提高燃烧效率，从而降低燃煤所产生的污染物，是为国家节能的有效途径。发展高效率、低污染的煤洁净燃烧技术成为了锅炉发展的方向。电力市场需求量在不断扩增，煤炭消耗量随之增加。我国的煤炭利用水平还很低，由于燃烧技术及燃烧设备还比较落后，导致能源的浪费，电厂的效益降低。因此研究如何预测流场和温度场的趋势来对锅炉的安装使用和改造利用，是一个值得重点考虑的问题。直接在锅炉上应用显然不切实际，数值模拟可以形象地再现流动情景。建立起一个模拟真实锅炉燃烧的过程，不仅节省了人力、物力、资金，而且准确度和效率很高，这对于对锅炉运行的可行性分析来说是一件很有意义的事。 1.2 燃烧过程数值模拟发展概况 二十世纪六十年代后期，Spalding首先在计算机上得到了边界层燃烧问题的数值解。七十年代是模型的发展与完善阶段。其中包括Spalding的湍流燃烧模型，还有Gibson的化学动力学模型和Grow的气固两相流模型的提出。八十年代模型开始应用于炉内模拟，各种模型和计算方法进一步完善。九十年代至今随着计算机技术与应用的进一步发展，模拟开始转向更具实际应用价值的炉内燃烧、污染物、结渣及碳黑的生成模拟[2]。总体来说，炉内燃烧过程数值模拟逐渐走向成熟。 1.3 燃煤锅炉燃烧过程的数值模拟研究现状 由于炉内燃烧过程非常复杂，其过程受流动包括湍流、传热传质和化学反应的控制。它涉及到三维的非稳态、多相、多组分，热量的传递等。其中热量的传递过程又包括对流换热、辐射换热、热传导，而涉及到相关的化学反应又包括气相燃烧、颗粒相燃烧两部分 [3]。用软件完全对锅炉燃烧过程进行数值模拟是不现实的，所以要做一定的简化处理，从而突出主要物质的重要过程。经过世界各国的诸多学科的专家、学者长期的研究与探索，根据实验事实，对过程作出合理的假设，构造出了各种不同模型。这些模型在模拟精度、计算量、合理性和经济性上都具有各自的特点，以适用于不同的情况[4]。由于计算机模拟技术具有很多优点，在工程实践中得到越来越广泛的应用。FLUENT是流体力学软件中相对成熟和运用最为广泛的软件之一，所以本文选定FLUENT作为锅炉燃烧过程数值模拟的软件。 1 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 1.4 FLUENT软件 1.4.1 简介 FLUENT软件是由美国FLUENT公司于1983年推出的计算流体力学软件，可计算涉及流体、热传递以及化学反应等工程问题。FLUENT软件适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。FLUENT软件采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，可以达到最佳的收敛速度和求解精度。它在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用[5]。 1.4.2 优点 1）适用面广 包括各种优化物理模型，如计算流体流动和热传导模型包括自然对流、定常和非定常流动，层流，湍流，紊流，不可压缩和可压缩流动，周期流，旋转流及时间相关流等；辐射模型，相变模型，离散相变模型，多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。 2）高效省时 FLUENT将不同领域的计算软件组合起来，成为CFD计算机软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。 3）污染物生成模型 包括NOx和ROx烟尘生成模型。其中NOx模型能够模拟热力型、快速型、燃料型及由于燃烧系统里回燃导致的NOx的消耗。而ROx的生成是通过使用两个经验模型进行近似模拟，且只使用于紊流。 1.4.3 局限性 由于FLUENT软件几乎适用于所有数值计算问题， 其内置的模型具有一定的通用性。所以对于一些特殊的和比较专业的问题，用其自带的模型已经不适用。比如煤粉燃烧模型，它所需计算的对流扩散方程很多[ 10-12 ]，采用FLUENT自带的燃烧模型、颗粒运动模型等所计算出的结果与实际有较大的出入。这是需要考虑的问题，为了解决这个问题，必须深入分析FLUENT软件处理煤粉燃烧的机理，并在此基础上通过用户自定义函数（即User Defined Function，简称UDF）进行二次开发，深入研究煤粉燃烧模型中颗粒跟踪数计算的方法、过程之间的切换、过程与规则之间的关系、颗粒生命周期内和多调用自定义规则的数目及过程规则的调用机理。根据实际工况以及实验数据，重新编写部分计算程序和燃烧 2 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 模型[13]。本文只对炉膛燃烧做简单模拟，因此选择FLUENT自带模型即可，在这里不去深入研究用户自定义函数，只做简单介绍。 1.5 燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场数值模拟简介 1.5.1 气相湍流流动模型 锅炉炉内的气流流动几乎全部都是湍流流动，所有物理量都是空间和时间的随机变量，但炉内气相流动仍遵循连续介质的一般运动规律，并具有一定规律的统计学特征。流场中任意空间点上的流动参数都满足粘性流体流动的纳维-斯托克斯（N-S）方程组，因此可用瞬时参数的连续方程、动量方程和能量方程表示[6]。方程组虽为封闭的方程组，但由于其具有高度的非线性，目前科学技术的发展水平还得不出理论解，故只能采用数值模拟的方法进行求解。 1.5.2 气固两相流动模型 燃煤锅炉炉内的燃烧过程涉及到煤粉颗粒和燃烧产物气体的两相流动，煤粉的运动和弥散对炉内燃烧反应的影响很大，因此为了正确预测燃烧过程，必须对气固两相流动有正确的描述。研究气固两相流动基本上有两种不同的方法，一类是把气体与颗粒都看成共同存在且相互渗透的连续介质（即把颗粒当作拟流体），都在欧拉坐标系内加以描述，常用的数学模型有单流体模型（无滑移模型）、小滑移模型、双流体模型（多流体模型或多连续介质模型）；另一类是把气体当作连续介质，在欧拉坐标系内加以描述，而将颗粒视为离散体系，在拉氏坐标系内加以描述，常用的数学模型为颗粒轨道模型[7] 。锅炉中的煤粉颗粒的运动轨迹用拉格朗日法进行模拟。颗粒的分散是由于气体湍流模拟采用的随机追踪模型，这种模型考虑了气体瞬间速率的变化对颗粒轨迹的影响。在流体流动中，每迭代25步，就认为气体和煤粉间相互影响一次。离散坐标（DO）辐射模型被用来模拟辐射传热。气体吸收系数用WSGGM模型进行计算[14-16]。 1.5.3 辐射换热模型 对于大型电站锅炉高温炉膛，辐射换热是最为重要的换热方式，因此需要对炉内辐射传热过程进行尽可能合理准确的计算。但由于辐射换热的求解十分复杂、困难，很难根据辐射传递方程求出解析解，因此在解决辐射换热问题时，一般要做一定的简化处理，形成不同的简化模型，然后选取适当的数值方法进行求解。目前针对不同的适用条件，已发展了很多辐射换热计算模型，主要用于模拟炉内传热过程的辐射换热模型[8] 。分别是离散换热辐射模型（DTRM）、P-1辐射模型、Rosseland 辐射模型、表面辐射（S2S）模型和离散坐标（DO）辐射模型。 炉膛内的温度很高，炉内高温火焰和水冷壁之间的传热以辐射换热为主，占总换热量的90左右。辐射传输方程求解的精确度大大取决于对燃烧产物气体和煤粉颗粒、灰粒、 3 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 烟煤的辐射性质精确了解。因为通常液滴迅速蒸发，对辐射传热不会影响很大，而燃烧的气体产物的影响则集中在很窄的离散波段中。由于颗粒在整个光谱中连续的发射、吸收、散射能量，因此颗粒的辐射强度占主导地位[20]。 FLUENT中可以用5种模型计算辐射换热问题。可以计算的问题包括火焰辐射，表面辐射加热或冷却，辐射、对流和热传导的耦合换热问题，空调、通风设备中通过窗口的辐射换热，汽车车厢内的热交换分析，玻璃加工、玻璃纤维拉丝和陶瓷加工过程中的辐射换热等等。辐射换热是高温换热的主要机制，因此在计算高温换热问题时应该采用辐射换热模型。 A． DTRM 模型 DTRM 模型的优点是比较简单，通过增加射线数量就可以提高计算精度，同时还可以用于很宽的光学厚度范围。其局限包括 1） DTRM 模型假设所有表面都是漫射表面，即所有入射的辐射射线没有固定的反射角，而是均匀地反射到各个方向。 2）计算中没有考虑辐射的散射效应。 3） 计算中假定辐射是灰体辐射。 4）如果采用大量射线进行计算的话，会给CPU增加很大的负担。 B． P-1模型 相对于DTRM 模型，P-1模型有一定的优点。对于P-1模型，辐射换热方程（RTE）是一个容易求解的扩散方程，同时模型中包含了散射效应。在燃烧等光学厚度很大的计算问题中，P-1的计算效果都比较好。P-1模型还可以在采用曲线坐标系的情况下计算复杂几何形状的问题。P-1模型的局限如下 1） P-1模型也假设所有表面都是漫射表面。 2） P-1模型计算中采用灰体假设。 3）如果光学厚度比较小，同时几何形状又比较复杂的话，则计算精度会受到影响。 4） 在计算局部热源问题时，P-1模型计算的辐射热流通量容易出现偏高的现象。 C． Rosseland 模型 同 P-1模型相比，Rossland模型的优点是不用象P-1模型那样计算额外的输运方程，因此Rosseland 模型计算速度更快，需要的内存更少。Rosseland 模型的缺点是仅能用于光学厚度大于3的问题，同时计算中只能采用分离求解器进行计算。 D． DO 模型 DO模型是适用范围最大的模型它可以计算所有光学厚度的辐射问题，并且计算范围涵盖了从表面辐射、半透明介质辐射到燃烧问题中出现的介入辐射在内的各种辐射问题。DO模型采用灰带模型进行计算，因此既可以计算灰体辐射，也可以计算非灰体辐射。如果网格划分不过分精细的话，计算中所占用的系统资源也不大，因此成为辐射计算中被经常 4 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 使用的一个模型。 E． 表面辐射（S2S）模型 S2S 模型适用于计算没有介入辐射介质的封闭空间内的辐射换热计算，比如太阳能集热器、辐射式加热器和汽车机箱内的冷却过程等。同DTRM 和DO模型相比，虽然视角因数（view factor）的计算需要占用较多的CPU 时间，S2S 模型在每个迭代步中的计算速度都很快。S2S 模型的局限如下 1）S2S 模型假定所有表面都是漫射表面。 2） S2S 模型采用灰体辐射模型进行计算。 3） 内存等系统资源的需求随辐射表面的增加而激增。计算中可以将辐射表面组成集群的方式减少内存资源的占用。 4） S2S 模型不能计算介入辐射问题。 5） S2S 模型不能用于带有周期性边界条件或对称性边界条件的计算。 6） S2S 模型不能用于二维轴对称问题的计算。 7） S2S 模型不能用于多重封闭区域的辐射计算，只能用于单一封闭几何形状的计算。 1.5.4 弥散相模型 FLUENT用弥散相模型计算散布在流场中的粒子的运动和轨迹，例如在油气混合汽中，空气是连续相，而散布在空气中的细小的油滴则是弥散相。连续相的计算可以用求解流场控制方程的方式完成，而弥散相的运动和轨迹则需要用弥散相模型进行计算。弥散相模型实际上是连续相和弥散相物质相互作用的模型。在带有弥散相模型的计算过程中，通常是先计算连续相流场，再用流场变量通过弥散相模型计算弥散相粒子受到的作用力，并确定其运动轨迹。 弥散相计算是在拉格朗日观点下进行的，即在计算过程中是以单个粒子为对象进行计算的，而不象连续相计算那样是在欧拉观点下，以空间点为对象。比如在油气混合汽的计算中，作为连续相的空气，其计算结果是以空间点上的压强、温度、密度等变量分布为表现形式的，而作为弥散相的油滴，却是以某个油滴的受力、速度、轨迹作为表现形式的。 FLUENT在计算弥散相模型时可以计算的内容包括 1）弥散相轨迹计算，可以考虑的因素包括弥散相惯性、气动阻力、重力，可以计算定常和非定常流动。 2）可以考虑湍流对弥散相运动的干扰作用。 3）计算中可以考虑弥散相的加热和冷却。 4）计算中可以考虑液态弥散相粒子的蒸发和沸腾过程。 5）可以计算燃烧的弥散相粒子运动，包括气化过程和煤粉燃烧过程。 6）计算中既可以将连续相与弥散相计算相互耦合，也可以分别计算。 7）可以考虑液滴的破裂和聚合过程。 5 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 8）因为弥散相模型计算中可以包括上述物理过程，所以可以计算的实际问题也非常广泛。 弥散相模型的使用限制在粒子的体积密度小于 10～12％时可以使用弥散相模型进行计算。需要注意的是，体积密度小于10～12％时，粒子的质量密度可能远远大于这个比例，甚至大于连续相的质量密度。弥散相模型适用于计算有出口和入口的流动问题，即适用于弥散相粒子不是长时间地停留在计算域内，而是从入口处飞入，再从出口处飞出的问题。另外弥散相模型不能与质量流入口或压强降低条件配合使用，不能与适应性时间推进同时使用，同时弥散相模型中的粒子与连续相之间没有化学反应。在弥散相粒子是从一个表面进入流场时，不能使用动网格技术，因为弥散相粒子所在平面不能随动网格一起移动。 1.5.5 煤粉燃烧模型 煤粉进入炉膛后将经历复杂的过程，主要包括煤粉预热析出水分，同时不断热解析出挥发分，挥发分析出后剩余被称之为焦炭的固体；挥发分将在焦炭颗粒外围空间燃烧，形成气相湍流燃烧火焰，而焦炭将与气相氧化剂在颗粒表面发生异相燃烧反应。焦炭燃烧在煤粉的燃烧过程中起着主导作用，但挥发分对煤的着火及焦炭的燃烧具有举足轻重的作用，不可忽视。因此，煤粉燃烧模型主要是挥发分热解模型、气相湍流燃烧模型及焦炭燃烧模型[9]。 非预混燃烧计算使用的化学反应模型包括火焰层近似（flame sheet approximation）、平衡流计算和层流火苗（flamelet）模型三种模型。火焰层近似模型假设燃料和氧化剂在相遇后立刻燃烧完毕，即反应速度为无穷大，其好处是计算速度快，缺点是计算误差较大，特别是对于局部热量的计算可能超过实际值。平衡流计算是用吉布斯自由能极小化的方法求解组元浓度场，这种方法的好处是既避免了求解有限速率化学反应模型，同时又能够比较精确地获得组元浓度场。层流火苗模型则将湍流火焰燃烧看作由多个层流区装配而成，而在各层流子区中可以采用真实反应模型，从而大大提高计算精度。非预混燃烧计算中湍流计算采用的是时均化NS方程，湍流与化学反应的相干过程用概率密度函数（PDF）逼近。计算过程中组元的化学性质用FLUENT提供的预处理程序prePDF进行计算处理。计算中采用的化学反应模型可以是前面所述三种模型中的一种。 1.6 本文主要研究内容 本文的最终目标是对燃煤锅炉燃烧过程流场及温度场进行数值模拟。主要完成以下几个步骤 1 确定研究对象，即选择要研究的锅炉类型并去确定其基本信息（锅炉型号、基本尺寸、燃煤种类等）。 2 用FLUENT前置网格处理软件GAMBIT画出锅炉炉膛的物理模型，并且选择合理的方法对其进行网格划分，设置各边界条件后将网格化好的模型保存。 6 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 3 启动FLUENT软件，导入GAMBIT软件中做好的模型，对其进行检查。确认网格划分合理后对网格进行优化处理。选择合适的求解方法和模型，并输入需要的计算数据。然后进行迭代计算，并通过图像及残差判断数据的收敛性。 4 对计算结果进行优化，倘若出现较大偏差则需要寻找问题，例如网格划分不合理、计算模型选择错误、数据输入错误等。需要重新调整计算，直至得到比较符合实际的结果。 5 对结果进行处理，并且展示计算结果及图像。 6 改变燃尽风口风速大小，研究燃尽风速对炉内混合特性和对炉内温度场的影响，并且总结出结论。 7 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 2模型建立及计算 2.1 燃煤锅炉原理 2.1.1 电厂锅炉工作原理 电厂锅炉的作用是将燃料的化学能转变为热能，并利用热能加热锅内的水使之成为具有足够数量和一定质量（汽温和汽压）的过热蒸汽，以供汽轮机使用。 燃烧过程是激烈的高速化学反应过程，同时放出热和光。燃烧反应过程是在很复杂的条件下，与一系列过程有关，例如湍流流动过程、辐射传热过程、扩散过程等，它们同时进行着并且互相影响。对于气体燃烧