燃煤电站主厂房通风与粉尘污染控制.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 燃煤电站主厂房通风与粉尘污染控制 姓名齐晓唯 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师荆有印 20051225 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 为了能够真实地了解燃煤电站主厂房内气流组织情况，本文采用k s 双 方程模型对某3 0 0 M W 机组汽轮机房内在自然进风、机械排风情况下的气流分 布情况进行了数值研究，得到厂房内速度、温度分布。提出了改善措施，对 主厂房通风气流组织设计和改善具有重要的参考价值。 为了有效地控制煤仓间的粉尘污染，采用R N Gk c 双方程模型和随机轨 道模型对某电厂煤仓间皮带层的转运点和落煤管口的煤尘治理方案进行了数 值模拟，研究了采用集中式通风除尘系统进行皮带层粉尘治理的可行性，为 皮带层粉尘治理提供了理论依据。 关键词燃煤电站，气流组织，主厂房，数值模拟 A B S T R A C T I no r d e rt or e a l i z et h ea i rd i s t r i b u t i o ni nm a i nw o r k s h o po fp o w e rs t a t i o n ，t h e k 一8m o d e li sa d o p t e dt os i m u l a t et h ea i rd i s t r i b u t i o ni nm a i nw o r k s h o po fs o m e p o w e rp l a n tw h i c ha d o p t st h ev e n t i l a t i o nm e t h o do f n a t u r a li n l e ta n dm e c h a n i c a lo u t l e t ． T h e v e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l da r ea d o p t e d ．T h em e a s u r e t oi m p r o v e m e n tt h e a i rd i s t r i b u t i o no fm a i nw o r k s h o pw a sp r e s e n t e d ．I th a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o r t h ed e s i g no f a i rd i s t r i b u t i o ni np o w e rp l a n t ． I no r d e rt oc o n t r o lt h ec o a ld u s tp o l l u t i o ni nc o a l - b u n k e rb a y T h eR N GK - ￡ m o d e la n dt h es t o c h a s t i ct r a c k i n gm o d e la r ea d o p t e dt Os i m u l a t et h ec o a ld u s tc o n t r o l m e t h o do nt r a n s f e rp o i n ta n dc o a ld r o pm o u t ho fs t r a pf l o o ri ns o m ep o w e rp l a n t ．T h e f e a s i b i l i t yo fc e n t r a l i z ev e n t i l a t i o na n dd u s tc o n t r o ls y s t e mo nc o a ld u s tc o n t r o lm e t h o d o fs t r a pf l o o ri ss t u d i e d ．I tp r o v i d e st h ei m p o r t a n tr e f e r e n c e df o u n d a t i o nf o re n g i n e e r d e s i g n ． ’ Q iX i a o w e i p o w e rp l a n tT h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g D i r e c t e db yp r o f ．J i n gY o u y i n K E YW O R D S p o w e rs t a t i o n ，a i rd i s t r i b u t i o n ，m a i n w o r k s h o p ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文燃煤电站主厂房通风与粉尘污 染控制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果．据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意． 学位论文作者签名盎亟垂 E t 期函查丛笪 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即①学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅； ④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名壶堕 鱼 导师签名 日期堕，遁 五笾矽 华北电力大学硕士学位论文 1 ．1 选题背景 第一章绪论 随着社会的发展和国民经济持续的快速增长，我国出现了用电需求超常增长、 电力建设滞后于电力需求增长的局面．为了缓解电力供应的紧张局面，近几年来， 电力建设事业获得了迅猛发展，电站数量不断增加。2 0 0 4 年国务院批准了国家发改 委依据“十五”电力发展规划提出的1 3 个电站项目，这些项目发电装机规模共1 1 8 8 万千瓦．受备方面条件的限制，中国未来很长一段时期仍将以燃煤发电为主。在这 1 3 个电站中，火电站就占9 个，占装机容量的8 0 ％，火电站的建设是2 0 0 5 年发电 站建设的主要部分。 综上所述燃煤电厂仍是我国目前最主要的电能供应基地。主厂房是燃煤电厂放 置热能动力装置的建筑物，也是电厂主要设备运行、操作，维护、检修的主要场所。 现代大型燃煤电厂常将主厂房化分为汽轮机房、除氧问、煤仓间及锅炉房。近年来 随着我国电力事业的迅猛发展，电力工业经历了由中小容量机组到大容量机组发展 的各个阶段。目前，3 0 0 M W 和6 0 0 M W 大型机组已经成为我国火力发电的主要机组。 随着火力发电厂规模的扩大和单机容量的增大，主厂房内锅炉、汽机等设备的散热 量也随着增大，据统计1 0 0 0 t ／h 锅炉散热量一般在7 8 0 0 k W ／h 左右；2 0 0 ～3 0 0 M W 发 电机组及其辅机散热量约在3 0 0 0 ～4 0 0 0 k W ／h 之间．在夏季主厂房内如此大的散热 量，如果没有良好的通风，厂房内的环境温度将会很高，汽机房的运转层和锅炉房 的炉顶部位更为严重，给运行人员和检修操作人员的工作带来很大困难。如果通风 设计不合理，某些部位很可能造成通风死角或涡流区域，使局部空气环境恶化。 在燃煤发电厂中煤尘污染也是长期以来一直未能彻底解决疑难问题。燃煤在送 入锅炉燃烧之前，要经过装卸、输送、转运、筛分、破碎等一系列运输及工艺加工 过程，会产生大量粉尘，使室内空气环境造成严重污染，给安全生产和工人的身心 健康带来了极大的危害。在主厂房煤仓间内布置有输煤设施，如果煤仓间内除尘设 施不完善就会产生大量的粉尘，当主厂房内气流组织不合理又会使这些粉尘向其它 车间扩散，造成主厂房室内空气环境严重污染，所以，采取措施加强煤仓问粉尘治 理，组织主厂房内良好的通风，在主厂房通风设计及工程改造中具有重要意义． 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 主厂房通风的研究现状 华北电力大学硕士学位论文 良好的通风是解决主厂房内散热量及粉尘污染和扩散问题的一个重要的途径。 目前国内外主厂房通风方案主要有四种；自然进风、自然排风方案；自然进风、机 械排风方案；机械进风、自然排风方案；机械进风、机械排风方案。自然进风、自 然排风方案是一种自然通风方式，是靠室内外的温度差造成的热压来诱导空气流 动；自然进风、机械排风也是一种广泛应用的通风形式，是一种负压通风方式，它 靠屋顶通风机的动力排出厂房内的热空气，并自然导致从厂房底层、运转层进风； 机械进风，自然排风的通风系统是一种正压通风方式，室外空气经过进风装置过滤、 冷却 或加热 处理后直接进入主厂房的工作地带，消除余热余湿后经过厂房顶部 的排风装置排出室外；机械进风、机械排风方案是全面机械通风系统，室外空气经 过通风进风装置处理后进入主厂房，消除余热余湿后，热湿空气经机械排风装置排 出室外，这种通风方式与其它通风方式相比，能提高进风能力，更有效的排出室内 的热湿空气，合理的进行通风气流组织。从理论上讲机械进风、机械排风方案是最 理想的通风方式，但是由于其建设初投资大，运行费用较高，日前在火力发电厂中 应用较少． 根据我国国内及国内引进通风机组的调研情况，目前在我国东北地区汽机房、 锅炉房为屋内布置，华北、西北、西南、华东、中南地区锅炉多为露天布置。主厂 房通风是以自然进风、自然排风为主要通风方式．近年来，以自然进风、屋顶风机 排风的方式也较多，也有部分电厂采用机械进风、自然排风的通风方式。各种通风 方式在我国的应用情况表明自然通风可以解决好主厂房通风问题，应优先选用自 然通风，在自然通风达不到卫生或生产要求时，再选用机械通风或机械与自然通风 的联合通风方式“”。王秀敏、刘字等对寒冷地区火电厂通风方案进行了探讨，指出 寒冷地区大机组主厂房存在的问题是冷风从下部大量渗入室内，导致主厂房过冷， 采用自然进风、机械排风的方式可以减少冷风渗透，改变主厂房内冷的现状“”；李 侃对蒙达公司二期工程主厂房通风进行了设计和分析，指出通风天窗阻力大对主厂 房通风造成的影响，并采用多边形组合天窗对其迸行了改造，达到了预期的通风目 的“】；官燕玲应用C F D 模拟技术对在设置有空冷器条件下火力发电厂主厂房的气流 进行了分析，得出了空冷器对主厂房自然通风降温的影响””． 国外方面英国C o n s t a n c e ，J o h nA 对主厂房内两种通风方式对粉尘处理的影 响进行了说明和比较，一种方式是即全面通风，通过输入新鲜空气的方法对室内污 染的空气进行全面稀释，另一种是局部通风，其主要通风设备布置于尘源产生点或 工作区附近，保证工作区的空气污染程度控制于允许范围内“”。 从所查资料可以看出目前火力发电厂主厂房通风方面的研究，主要局限于通 风方案的改进和通风装置改造的研究上，而对厂房内气流组织的具体形式的研究很 少，所以研究不同通风方案下主厂房内气流运动情况对于改进主厂房的通风与粉尘 2 华北电力大学硕士学位论文 控制会具有一定的学术意义和工程参考价值。 1 ．2 ．2 粉尘治理的研究现状 随着人们生活水平的不断提高，对工作环境也越来越重视，面对燃煤电厂粉尘 严重污染问题国内外都进行了各种治理方法的研究和试验，并通过工程实践验证了 一些除尘技术和除尘方法的可行性。 目前国内方面对粉尘治理的研究主要集中于针对各个运行设备所采用除尘方 法的改进和研究上，取得了一些成功经验，为电厂粉尘治理提供了参考，但对于粉 尘扩散和污染现象从气流组织上进行抑尘研究的较少。周振启“町等和韩雪冬”1 等对 几种除尘方法 喷水降尘，旋风除尘，水浴除尘，静电除尘，布袋除尘，水雾封除 尘，蒸汽除尘、荷电水雾除尘及输煤系统与锅炉燃烧系统联合除尘 进行了比较， 指出了各种除尘方式适用的范围和存在的问题．祁义等对煤仓间内粉尘治理进行了 分析，指出对于皮带机落料至煤仓口煤尘污染只能采取除尘的办法，但对于煤落至 煤仓后扬起的粉尘，要通过仓口密封，设置锁气挡板等措施来控制煤尘的外溢。1 ； 付群峰进行了室内皮带上煤机除尘系统的改造，其根本思想是采用局部除尘和改善 局部气流组织相结合的方法，采取的主要措施在双向给煤器的一侧增设一吸尘口， 而对于敞丌的皮带段和室内少量漫尘，则另行设计换气系统“⋯；黄强指出热电厂煤 仓间输煤系统粉尘产生的原因有四方面皮带撒煤，犁煤器漏煤，滚筒沽煤，原煤 仓密封不严，并指出了设备治理措施⋯1 ；李勇等介绍了新型输煤除尘系统，这种除 尘系统根本点是输煤系统尽可能在密封的条件下，除尘器能够处理足够的风量，使 封闭的输煤系统内达到一定的负压，以防系统内粉尘外逸“羽；唐慧敢等研究了输煤 皮带煤尘改进措施，采用过滤式除尘法加防尘挡尘机构进行输煤皮带煤尘控制“1 ． 国外方面英国C o n s t a n c e ，J o h nA 从煤粉疏运管道方面进行了改造，指出粉 尘输运系统管道中应采用较小的输运速度以减少粉尘飞扬，在运行过程中粉尘输运 管道要保持负压，各运输管道分支要有良好的气流组织形式来避免粉尘外溢；英国 A m r e i n 提出旋风除尘对于超细粉尘有很好的除尘作用，是一种高效除尘方式还有 一些火力发电厂除尘方法的研究也是基于除尘器的研究和改造，以及具体问题所适 用除尘设备和方法的研究。． 从所查资料看来对于各种设备除尘方法的研究以及针对煤粉输送系统具体部 位除尘方法的研究进行的比较充分，而对于抑制粉尘扩散的研究比较薄弱。 1 ．3 研究方法 燃煤电站主厂房的通风属于大空间 H ≥l O r e ，建筑物容积超过1 0 0 0 0 m 3 的建筑 通风，在大空间的通风处理中，经过处理的空气或室外空气由送风口进入，与室内 ． 3 华北电力大学硕士学位论文 空气进行热湿交换后经过排风1 3 排出。气流在进入、排出的过程中必然引起厂房内 部气流的运动，而不同的气流运动状况会产生不同的通风效果，合理的气流组织形 式会使室内速度、温度等因素都满足工艺要求和人们的舒适感。可见通风是影响大 空间建筑室内环境的重要因素，大空间通风日渐成为人们关注的重要课题。 从目前发表的研究结果来看，对气流组织的研究主要有三种方法射流理论分 析、模型实验和数值模拟。对于高大空间，传统的射流分析方法是基于某些标准或 理想条件所提出或实验得到的射流公式，势必会带来较大的误差，且射流分析方法 只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料。模型 实验虽然能够得到设计人员所需的各种数据，但需搭建实验模型，实验周期较长， 实验费用昂贵，耗资很大，有文献指出，单个实验通常耗3 0 0 0 - 2 0 0 0 0 美元。而对于 不同的条件，可能需要多个实验，耗资更多，周期也长达数月以上，很难在像火电 站这类高大空间工程设计中广泛采用。 随着计算机技术的发展，利用计算机求解空气流动控制方程组的数值模拟预测 方法也有了很大的发展。利用计算机求解那些流体流动中满足各种守恒控制偏微分 方程组的技术也即所谓的计算流体动力学 C F D C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s 技 术，具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特的优点，越来 越多的应用于暖通空调等气流组织的研究中，并逐渐应用于高大空间气流组织研 究．利用C F D 方法可得到室内空气流动形成的速度场、温度场等物理量的详细分布 情况，对保证良好的房问空调气流组织设计方案，提高室内空气品质以及减少建筑 物能耗都有重要的指导意义。基于以上特点，本文采用C F D 模拟技术对3 0 0 M W 机组燃 煤电站主厂房通风及粉尘治理进行了数值模拟研究。 1 ．4 课题主要工作内容 1 阐述火力发电厂主厂房通风及粉尘治理的基本原理。 2 分析主厂房内粉尘污染的影响因素，结合研究现状针对各污染源提出治理措 施。 3 采用C F D 模拟技术对主厂房内气流进行数值模拟，研究在自然进风、机械排 风情况下主厂房内气流的运动规律分析气流运动方式对主厂房内工作环境的影 响；采用局部通风对主厂房内尘源处粉尘扩散进行控制，防止粉尘外溢；寻求主厂 房粉尘污染控制的最佳通风方式。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 ．1 概述 第二章C F D 数值模拟基本理论 C F D 是英文C o m p u t a t i o n a lF l u i dD y n a m i c s 计算流体力学 的简称，是通过计 算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作 的分析。C F D 的基本思想是把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度 场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来替代，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关系的代数方程组，然后求解代数方程组 获得场变量的近似值。 C F D 技术一般包括下面三个模块前处理、数值计算、后处理。各个模块都有 其独立的功能，表示如下 黻理牌象成技术 f 确 I 选 l 选 l 求解器{ l 【输 定C 肋方法的控制方程和湍流模型 择离散方法进行离散 择数值计算方法 物性参数 边界条件 入相关参数{ 初始条件 松弛因子 其它 后处理速度厂、温度场、压力场及其它参数的可视化处理 各种C F D 通用软件的数学模型的组成都是以纳维一斯托克斯方程组与各种湍流 模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面模型以及非牛顿 流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方 程与关系式。随着应用范围的不断扩大和新方法的出现，新的模型也在增加． C F D 可以看作是在流动基本方程 质量守恒方程，动量守恒方程、能量守恒方 程 的控制下对流动的数值模拟。通过这种模拟，可以得到复杂问题的流场内各个 位置上的基本物理量 如速度、压力、温度、浓度 等的分布，还可以算出于此相 关的其他物理量． 应用C F D 进行数值模拟要进行数学模型的选择，即湍流模型。湍流流动是工程 S 华北电力大学硕士学位论文 领域与自然界中常见的现象，一般认为无论湍流运动多么复杂，非稳态的连续方程 和N - S 方程对湍流的瞬时运动同样适合。关于湍流运动与换热的数值计算，已经采 用的数值计算方法大致分为下面三类直接模拟、大涡模拟和R e y n o l d s 时均方程 法。直接模拟就是直接应用瞬时的N - S 方程对湍流进行计算，无需对湍流流动做任 何简化和近似，理论上采用这种模型可以得到相对准确的计算结果，但是必须采用 很小的时间与空间步长才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性， 它对计算机要求很高，实际运算中很少采用；大涡模拟对计算机内存及速度的要求 仍然很高，但远低于直接模拟方法，因此近年来的研究与应用目趋广泛；R e y n o l d s 时均应力方程 R e y n o l d s A v e r a g i n gE q u a t i o n s 的模拟方法相对于前两种方法来 说，计算速度较快，在普通的P C 机上就可以实现，可以给出能够满足工程要求的 合理结果，在实际计算中广泛应用。 2 ．2 气相流动的湍流模型 2 ．2 ．1 湍流模型 湍流模型就是把湍流粘性系数与湍流时均参数联系起来的关系式，任何一种湍 流模型都是建立在一定假设近似的基础上的，都有其应用范围，某一模型它可能适 用于某一环境，但是对另外的环境却不一定适用，因此很难泛泛说明哪一种模型更 有优越性。 湍流模型有很多种，依据确定粘性系数的微分方程个数的多少，又有所谓的零 方程模型、一方程模型、两方程模型． 1 零方程模型 所谓零方程模型，是指不需要微分方程而用代数关系式把紊流粘性系数与时均 值联系起来的模型。它包括两类，一类是由B o u s s i n e s q 提出的湍流粘性理论，另 一类是P r a n d t l 提出的混合长度理论．他们是用平均速度场的局部速度梯度来表示 局部雷诺应力，使雷诺方程式中的六个雷诺应力分量都变成平均速度场的量，从而 达到封闭湍流运动微分方程组的目的。这种方法简单，它不增加附加的方程，故称 为零方程湍流模型。虽然零方程模型存在不少缺点，但对一些简单的工程实际问题， 仍是可以应用的．计算简单是该模型的最大优点． 2 一方程模型 在零方程模型中，湍动黏度和混合长度都把雷诺应力和当地平均速度梯度相联 系，是～种局部平衡的概念，忽略了对流和扩散的影响。为了弥补混合长假设的局 限性，人们建议在雷诺方程和连续性方程的基础上，再建立一个湍流动能k 的方程 来使方程组封闭，这种模型称为一方程模型．在这种模型中“表示成k 的函数，由 6 华北电力大学硕士学位论文 k o l m o g o r o v p r a n d t l 表达式有p 。 9 C 。√i - L ，其中L 为紊流脉动长度标尺，目前L 的确定仍为不易解决的问题，因此一方程应用难以推广． 3 双方程模型 虽然单方程模型中引进了一个湍流脉动动能方程，但仍没有使湍流运动微分方 程组真正封闭，它还需要引用P r a n d t l 混合长度概念，才能使方程组完全封闭。但 是在一些复杂的有回流区的湍流运动中，特征长度的数值很难由实验确定。所以， 研究者们在单方程模型的基础上，提出了再增加一个方程式 即k 和1 的组合量 来使方程组得以完全封闭，这种模型即称为双方程模型。双方程模型有几种不同的 形式，标准的k 一￡模型 S t a n d a r dk - eM o d e l 、重振化k - ￡模型 R N Gk 一￡M o d e l 、 可实现性k - ￡模型 R e a l i z a b l ek - ￡m o d e l 。 在这几种双方程模型中最常用的是标准k - e 模型，它是一个半经验模型，由于 其强大性和准确性，在工业流动和热交换方面得到广泛的应用。基于以上湍流模型 的介绍并结合相关学者对大空间建筑模拟的经验，本课题中采用标准七一占模型，它 可以达到相应的精度要求，现仅对标准k - c 进行介绍。 标准k - c 模型是目前应用最广泛的工程湍流模型，它的基本思想是设 “。q 肚‘／s ，分别建立湍流动能k 和湍流动能耗散率e 的方程。 模型中表示湍流动能耗散率e 定义为式 2 - 1 。 占一f l ‘一O u 一O u 2 一1 P 。缸I 钆‘ 在标准k 一￡方程中，k 和e 是两个基本未知量，与之相对应的疏运方程 岈氇掣 掣 卦∥ 拿考I G , G b - p c 髀z ， c 施掣 掣 卦∥ 拿针G 量c G x ㈣勺譬s ， 采用k - c 模型来求解湍流对流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量 方程、能量方程及k 、e 方程这里引入三个系数 c l ，c 2 ，巳 和两个常数 吼、 吒 。近期发表的文献中这5 个经验常数的取值已经比较一致，如表2 1 。 表2 - 1k 一￡模型中的系数 c lc 2q吼c r f 1 ．4 41 ．9 2O ．0 91 ．01 ．3 7 华北电力大学硕士学位论文 2 ．3 边界条件的处理 前面提到的标准k - c 模型是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说适应于 高雷诺数的湍流模型。但是在近壁面区域的流动，R e 数较低，湍流发展不充分， 湍流脉动影响不如分子粘性的影响大，这样在这个区域内就不能使用k e 模型进 行计算，必须采取特殊的处理。 由于固定壁面附近速度迅速下降，并趋于零，因而这～区域中的湍流雷诺数为 三， R c 。 k 2 ，o ／v 2 4 ，， 式中的f o 七z 居将变小，这样粘性力将大于雷诺湍流应力，因此前面所述的适用于 高雷诺数流动的k c 模型不能被应用于壁面附近的流动，但由于受固壁影响的这层 边界层很薄，故给数值计算处理带来了困难。我们可以用低雷诺数情况下的k e 方 程，但这会增加壁面附近的计算网格，并加大了计算时间和计算机内存。比较合适 的方法是引入壁面函数的概念。壁面函数法的基本思想如下 1 假设在固体表面附近粘性盖层以外的区域中，流体的速度分布及温度分布均 服从对数分布定律； “ ．堡土I n v c 2 5 “． 茁 ‘ T a _ r _ Tl n y 听 C 尸 2 6 r 其中，r 为V O NK a r m a n 常数，x O ．4 ～O ．4 2 ；C 为经验常数，C 5 ．0 ～5 ．5 P 是关 I 于层流P r 数与湍流P r 数的函数，J r 0 ．4 时P 9 丑一1 旦 一i o fo T 2 在划分网格时，把第一个内节点P 布置到粘性京层以外的区域，即配置到旺 盛紊流区域，如图2 - 1 所示。 图2 一l壁面附近区域的处理方法 3 第一个内节点与壁面之阃区域的当量粘性系数H 和当量导热系数t 按下列 8 耧x，L 华北电力大学硕士学位论文 方式确定 鸬掣 咋 t 互丝 ‘f r r [ 1 n E y ，r P 】 2 - 7 2 8 根据以上两式／⋯ 1 4 的／x , 和k ．可以用来计算壁面上的切应力和热流密度，计算公 式如下。 ‘ o 一竺丝 2 9 y 9 钆鼻至玉2-to yp 4 第一个内节点P 上的K 值仍按K 方程计算，其壁面边界条件取为髻 - ；。 y 为垂直于壁面的坐标 。对于占，采取指定第一个节点上值的方法，即第一个节点上 的占值不是通过求解占方程计算出束的，而是按以下公式计算得到 3兰 s 丝 2 1 1 y 一 在求解了K 方程后，第一个节点上的k 值已经获得，因而占值可以由上式求出。 2 ．4 气相流动的基本控制方程 流动与换热现象广泛存在于自然界及其各个工程领域中，表现形式也是多种多 样的，但都受到三个基本规律的支配，即质量守恒、动量守恒和能量守恒，其数学 表达式为偏微分方程。 1 连续性方程 等 景‘乃 - o 2 - 1 2 2 动量方程 嘉帆， 考c 一，， 一考 考卜 等 考 ] - P c g i f l T - p c z Ⅲ， 3 能量方程 华北电力大学硕士学位论文 蚤b ，小毒c 以巩， 考“A 等 考] 品 以上基本方程可以表示成以下通用形式，如式 3 - 4 的通用形式。 8 D 中 二。一t d i v p U 中 d i v F g r a d m S ． 2 1 4 2 - 1 5 式中中通用变量，可以代表u ，v ，w ，T 等求解变量； k 广义扩散系数； ＆广义源项。 将上述湍流控制方程组作时均运算得到通用时均湍流控制方程 警 罢 毒c r 考一而 s ∽㈣ 式中妒矿的时均值。 2 ．5 颗粒相的数值模拟 2 ．5 ．j 颗粒相模型 气回两相流动数值模拟的关键问题之一是颗粒相的模拟。颗粒相的模拟基本分 为两类一类是L a g r a n g i a n 方法，该方法把流体作为连续介质，而将颗粒群作为 离散体系，探讨颗粒动力学、颗粒轨道等。L a g r a n g i a n 方法能很容易实现颗粒与壁 面的碰撞以及颗粒间的碰撞；另一类是E u l e r i a n 方法，该方法除将流体作为连续 介质外，把颗粒群也当作拟连续介质或拟流体，设其在空间有连续的速度和温度分 布及等价的输运性质 粘性、扩散、导热等 。目前主要有以下几种典型的颗粒相 模型 1 小滑移模型 在这种模型中或者颗粒相对流体的影响被认为是小扰动，或者该影响被完全忽 略，模型中假设颗粒的运动完全由流体流动引起，流体与颗粒间的速度滑移相对于 平均流量来说是小量，这一滑移是颗粒扩散的结果，这实际上是将多组分单相流体 的概念推广到多组分多相流体中。 2 无滑移模型 该模型把整个两相流场笼统看成一种单一流体，直接把单相流体动力学的概念 推广到两相流中，即颗粒相与气体相达到动力平衡和热平衡的模型，认为流场中颗 粒与气体时均速度与温度处处相等，颗粒扩散相当于气体组分的扩散 扩散平衡 ， 1 0 华北电力大学硕士学位论文 颗粒群按当地尺寸分组，颗粒质量方程的变化用直径平方的线性递减规律来表达。 由上述基本假设可以不必解颗粒的动量和能量方程，与单相流体的差别是只需多求 解颗粒群质量方程，并在气相方程中加入颗粒变质量的源相。这种模型的优点是简 单，缺点在于不考虑两相间速度和温度的滑移，因而与实际差别较大．在七十年代 曾用于两相流模拟中，从八十年代开始在国际上己很少用于解决实际工程问题。 3 颗粒轨道模型 该模型的出发点是L a g r a n g i a n 坐标系中颗粒连续、动量及能量守恒的微分方 程组，它把颗粒看成是与流体有速度和温度滑移的分散群。这都和小滑移及无滑移 模型不同，此外该模型考虑了气相与颗粒相之间的相互作用，这与单颗粒动力学方 程又不同。 颗粒轨道模型又分为确定性轨道模型和随机轨道模型，前者假设不存在颗粒 之间的扩散；后者则通过M o n t e - C a r l o 法计算此随机瞬时流场中颗粒的随机轨道以 及流体湍流对颗粒的作用。颗粒轨道模型可以用来模拟有蒸发、挥发及异相反应的 颗粒的经历，在颗粒相预报中因动量方程和能量方程中均无对流项，不会产生数值 扩散，因此，该模型是至今为止在湍流两相与燃烧模拟中应用最为广泛的模型。 4 多流体模型 该模型把颗粒看成是与气体占据同一空间而且有相互渗透的拟流体，空间各点 气体与颗粒都有各自不同的速度、温度和体积分数，而且两相间有滑移。它是在欧 拉坐标系中描述颗粒相的，而且引入颗粒相粘性、导热及扩散系数等拟流体特性多 流体模型，可以较完整而严格地考虑颗粒帽的各种湍流输运过程，可以用统一的数 值方法处理两相问题，模拟的结果可给出颗粒相空间分布的详尽信息，易于和实验 结果进行对照。该模型的缺点是计算量大，难于考虑颗粒的复杂经历。 2 ．5 ．2 离散相模型 通过以上颗粒相数学模型的比较，在本设计中选用随机轨道模型进行颗粒相的 数值模拟，即对于两相流的数值模拟我们采用欧拉一拉格朗日模型。颗粒的随机轨 道模型是以单相流体湍流模型为基础，加上单颗粒瞬时动量方程随机给定的气体瞬 时脉动速度，用M o n t e C a r l o 求解此随机瞬时流场中颗粒运动的随机轨道。对于 这一模型，研究者的基本思路大致相同，都是先求解流体的时均场，然后在此基础 上求解颗粒的瞬时动量方程，区别在于用不同的近似来选取颗粒的瞬时速度．常用 的是假定气相脉动各项同性，并以G a u s s 分布随机取样方法来模拟脉动速度． 颗粒的动量方程为 粤 昂0 一U p g ，b p I p p ．4 - E 2 1 7 华北电力大学硕士学位论文 上式中右侧第一项为气相阻力，第二项为重力 包括浮力 ，第三相为其他作用 力，包括附加质量力；由于颗粒在流体中加速或减速运动而产生的力，称作B a s s e t 力；由于流场中存在速度梯度而引起的力，称作S a f f m a n 力；颗粒在流场中旋转产 生的力，称作M a g n u s 力；颗粒之间、颗粒与壁面之间碰撞产生的力。颗粒相的拉 格朗日运动方程如下 参噜 丢 一岵郎 等 警寺 寺 ．“叶 等 等 鲁 圭E 以一坼 等 c z 郴， 式中 ∑C ，∑E ，∑E 分别为x ，y ，z 方向颗粒所受的所有力之和郎，邯，K 颗粒的运动速度；l 一／g ，i ，巧是气相时均速度以，t ，以是气流的随机脉动速 度。其中。 筹，厂 c D ／ 薏 ，c 。为湍流脉动下的颗粒阻力系数 c 。。口I 素 老，对于球形颗粒在一定雷诺数范围内，q 、吒’口3 可以取常数’q 取为0 ．2 8 ，a 2 取为6 ，a 3 取为2 1 ；d e 为颗粒的直径。 随机法把气流的瞬时速度u 分成时均值和脉动值两部分，即 Ⅳ石 Ⅳ。 2 - 1 9 ；由气相流场运动方程式求得，对于Ⅳ‘认为速度脉动符合当地高斯分布的概率密度 分布。当颗粒穿过某湍流涡团时，对可Ⅳ’，v ’，Ⅳ作随机取样，即取 。’彳斜，，’f 斜，，．．t f 斜 其中f 为随机数。按随机选定的“’，v 。，∥代入颗粒的瞬时动量方程，即可求出轨 道。 设流体湍流为各向同性和局部均匀，可取 c 两； 斜 斜 对 对上述颗粒运动轨迹的求解可以将其简化为 1 2 华北电力大学硕士学位论文 等 吉。嘶 式中f ，是颗粒的松弛时间，使用梯形方法求解 盟nl n三0‘一l／p“．．．Atf 、 ， n 代表重复的次数，并且 “‘ 三0 一 ∥- 甜”‘ 矿 △n ‘V u ” 同时求解式 2 - 2 0 和式 2 - 2 1 就可以确定颗粒的速度和位置。 2 ．5 气固两相的耦合 2 - 2 0 2 - 2 1 两相流研究与单相流研究的主要差别在于两相流动模拟必须考虑两相流之间 的相互作用，这种相互作用包括质量、动量、能量和湍流间的相互作用，即相互的 耦合作用。对稀相气固两相流来说，颗粒的存在对气相影响很小，可不于考虑，这 种情况称为单相耦合，即只认为气相特性单方面决定着固相的运动情况。对浓相气 固两相流来讲，不仅气相决定着固相的运动，反之，固相对气相的影响也不应忽略， 这种情况称为双向耦合，这种两相间复杂的相互作用和交换机理，是气固两相流湍 流流动研究的关键。本论文中在处理两相流的耦合问题时，采用P I S C 算法。 P I S C 算法全称为P a r t i c l e ．S o u r c e ．C e l l 单元内颗粒源法 ，即在欧拉坐标系中 考察流体相的运动，而在拉格朗日坐标系中研究颗粒群的运动情况，把颗粒群按初 始尺寸分组，各组颗粒沿其自身轨道运动，其间颗粒群发生尺寸、速度和温度的变 化，对流体形成了分布于整个体积中的物质源、动量源和能量源。该算法能研究颗 粒群和流体相之间的较大滑移，并把较复杂的颗粒变化情况耦合进来了． 在耦合计算中，首先求解无颗粒的气相流场，得到粗收敛的气帽场速度、温度、 压强等的分布；再在求得的气相流场中计算颗粒轨道以及沿轨道的颗粒速度、温度 及质量等参数的变化然后计算气相方程中的颗粒作用源项，并将颗粒源项加入气 相各方程中，再次求解气相流场，重复该过程进行循环迭代，直至收敛。其计算流 程图如图2 ．2 所示。 2 ．6F L U E N T 简介 F L U E N T 是美国F L U E N T 公司于1 9 8 3 年推出的C F D 软件，它是继P H O E N I C S 软件 之后第二个投放市场的基于有限体积法的软件．它是目前功能最全面、适应性最广、 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2气固多相流动数值模拟计算流程 华北电力大学硕士学位论文 国内使用最广泛的C F D 软件之一，