煤粉燃烧仿真过程);

译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )使用非预混燃烧模型 Using the Non-Premixed Combustion Model 概要 先决条件 问题描述 使用 prePDF 的准备工作 Step 1: Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF Step 2: Compute and Review the Adiabatic System prePDF Look-Up Tables Step 3: Create and Compute the Non-Adiabatic prePDF System Preparation for FLUENT Calculation Step 4: Grid Step 5: Models: Continuous (Gas) Phase Step 6: Models: Discrete Phase Step 7: Materials: Continuous Phase Step 8: Materials: Discrete Phase Step 9: Boundary Conditions Step 10: Solution Step 11: Postprocessing Step 12: Energy Balances and Particle Reporting SummaryIntroduction 概要对煤粉燃烧的模拟包括对连续气相的模拟及其对煤颗粒分散相的相互作用 的模拟.煤颗粒穿过气相时,会进行脱挥发分和焦炭的燃烧,从而成为进行气相 反应的燃料的源.对反应的模拟可通过组分传输模型(the species transport model)或非预混燃烧模型(the non-premixed combustion model)进行模拟. 在此实例指南中, 你将使用非预混燃烧模型模拟一个简化的燃煤炉体内的化学反 应. 在此实例指南中,你将学习: 使用 prePDF 预处理器为煤粉燃料(的燃烧)准备一个 PDF 表 为非预混燃烧化学反应模型定义 FLUENT 的输入参数 为煤颗粒定义一个离散相 求解一个包含反应离散相的煤颗粒的数值模型非预混燃烧模型是采用这样一种建模方法, 即求解一个或两个守恒标量以及混合 分数的的传输方程.多化学组分时,包括根和中间产物,可以采用这种方法被考译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )虑进来,并且他们的浓度能够通过预测出的混合分数分布计算出来.通过化学数 据库,可以得出组分的正确数据.湍流和化学反应的相互作用可通过使用β或双 δ的概率密度函数 (PDF) 来模拟. 关于非预混燃烧的模型详见 the User's GuidePrerequisitesThis tutorial assumes that you are familiar with the menu structure in FLUENT, and that you have solved Tutorial 1 or its equivalent. Some steps in the setup and solution procedure will not be shown explicitly.问题描述(Problem Description )本例程考虑的煤粉燃烧系统时一个简单的二维管道,截面为 10m×1m,如图 13.1 所示.因为管道对称,图中只显示了宽度的一半.该二维管道的入口分成 两股来流.靠近管道中心的高速来流速度为 50m/s,跨度为 0.125m.另一股来流 速度为 15m/s,跨度为 0.375m.两股来流都是 1500K 的空气.靠近中心高速流股 进入炉膛的煤颗粒,其质量流率为 0.1kg/s(煤颗粒的总流率为 0.2kg/s).管 道的壁温为 1200K 的常温. 基于入口尺寸和平均入口速度的雷诺数约为 100,000. 因此,流动为湍流. 关于煤组成和粒度分布的详细信息将在 step 5(Models: Continuous (Gas) Phase)和 Step 8( Materials: Discrete Phase)中给出.Figure 13.1: 2D Furnace with Pulverized Coal Combustion译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )对 prePDF 的准备(Preparation for prePDF )1. 启动 prePDF.当你使用非预混燃烧模型,你要先使用前处理器—prePDF-生成一个 PDF 文件. 该 PDF 文件包含了关于各组分浓度,温度与混合分数值之间的联系的信息,并被 FLUENT 在求解过程中用来获得这些标量(组分浓度,温度等) .Step 1: 在 prePDF 中定义初步的绝热系统 (Define the Preliminary Adiabatic System in prePDF )1. 定义 prePDF 模型类别.你可以定义单一燃料流或者燃料流加上另一个流股.激活第二个流股可以让你明了 两个混合分数.对于煤颗粒的燃烧,采用两个流股的方法可以让你明确地将挥发分 (第二个流股)流股同焦炭流股(燃料流)分开.在该例程中,我们将不采用两个 流股的方法,而采用单一混合分数法.SetupCase...(a)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )在 Heat transfer options, 保持默认设置 Adiabatic.该例程中讨论的煤粉燃烧器是一个非绝热系统, 在气相与煤颗粒相间, 以及燃 烧器壁面上,都有热量传递.因此,必须在 prePDF 中考虑非 绝热系统.由于非绝热系统较之绝热系统在计算时要耗费更多的时间,因此你 可在启动 prePDF 时先考虑系统为绝热系统. 根据对绝热系统的 PDF/化学 平衡的计算结果,你将确定大致的系统参数,这将使得在非绝热系统下的 计算更具效率.而且,绝热系统的计算将提供绝热火焰温度,混合分数的 化学当量以及各单独组分对化学反应系统的重要性的信息. 这种首先在绝 热系统中计算的方法将被用于所有的考虑在非绝热条件下的 PDF 计算.(b) 在 Chemistry models, 保持默认设置 Equilibrium Chemistry. 对大多数基于 PDF 的数值模拟,推荐 使用 Equilibrium Chemistry 选项. Stoichiometric Reaction ( 混合即完全反应 ) 选项计算量小,但不准确; Laminar Flamelets 选项能够考虑空气拉伸的非平衡现象,例如超平衡基浓度和亚平衡温度. 这对于 NOx 的预测非常重要,但在此例中不必考虑. (c) 保持默认设置 PDF models. 一般的,推荐使用β函数的 PDF 积分,因为他比δ函数的 PDF 积分方法更准确.(d) 在 Empirically Defined Streams, 选择 Fuel stream 选项. 这将允许你采用 empirical 输入选项来定义燃料流股(即根据煤的 ultimate analysis 定义) Empirical 输入选项允许你指定燃料中 H,C,N 和 O 的元素组成 (DAF) 低位发热量和比热. , 当元素分析和热值已知时, 这种指定方法是很有效的. (e) 点击 Apply ,关闭面板 2. 定义系统中的化学组分指定系统中包含哪些组分依赖于燃料类型和燃烧系统. 关于指定组分的指南在FLUENT User's Guide 中有介绍.在这里,你将假定该平衡系统中包含 13 种组分: C, C(s), CH , CO, CO , H, H ,H O, N, N , O, O , and OH.之所以包含 C, H, O, 和 N 是因为我们采用``empirical''输入方法 对燃料进行定义的,因此要用到元素组分.! 当使用 empirical input 选项时,你应当将 C and C(S) 都选入系统SetupSpeciesDefine...译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )(a) 将 Maximum # of Species 设为 13. 使用上,下箭头来设置最大组分数目,或在数 字框中直接键入数字然后摁<ENTER>. (b) 在 Defined Species 列表中选择最上面的组分(初始标志为 UNDEFINED). (c) 在 Database Species 下拉表单中,使用滚动条拖动表单,并选择 C. 此时 Defined Species 表单中的最顶部组分将显示为 C . (d) 在 Defined Species 列表中选择第二个组分 (或在 Species # 选项中将数目增大为 2). (e) 在 Database Species 下拉 表 单 中 , 使 用 滚 动 条 拖 动 表 单 , 并 选 择 下 一 个 组 分 ( C(S)). (f) 重复 步骤 (d) 和 (e),直到 13 个组分都被定义 (g) 点击 Apply,关闭面板 Note:在其他燃烧系统中,你也许想添加其他化学组分,但你不要添加慢反应的化学组分, 例如 NOx..3. 确定燃料组分输入.本例中考虑的燃料是已知的,根据工业分析,知道含 28%的挥发分,64%的焦炭和 8%的灰分.你要根据这些信息,以及以下给出的元素分析结果,在 prePDF 中定义 煤的组成.燃料流的组成(焦炭和挥发分)可计算如下:译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )首先将工业分析数据(干燥基)转化为可燃基(干燥无灰基).工业分析 Wt % Wt % Proximate Analysis (dry) Volatiles Char (C(s)) Ash 28 64 8 (DAF) 30.4 69.6 -煤的元素分析如下表:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 1.5 0.8为简单起见,煤中的硫分可并入氮的质量分数,因此最终数据如下:Element Wt % (DAF) C H O N S 89.3 5.0 3.4 2.3 -我们可根据工业分析和元素分析的数据得出挥发分的元素组成如下: can combine Wethe proximate and ultimate analysis data to yield the following elemental composition of the volatile stream: (译者注:这里不是挥发分流股的元素组成,而是整个燃料流股的元素组成,因为该模型采用单混合分数模型,而且表中数据也显示是单流股的摩 尔组成)译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )Element Wt % Moles Mole Fraction C H O N Total 89.3 5.0 3.4 2.3 7.44 5 0.21 0.16 12.81 0.581 0.390 0.016 0.013你将用到上表中最后一列中的数据.prePDF 将使用这些信息以及煤的热值来定义 燃料中的组分. 煤的低位热值为(DAF) : LCV= 35.3 MJ/kg煤的热容和密度分别为 1000 J/kg-K 和 1 kg/m4. 输入燃料和氧化剂的组分SetupSpeciesComposition...(a) 激活氧化剂流股组分的输入框氧化剂(空气)的组成为 21%的 O2 和 79% 的 N2译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Oxidiser. ii. 在 Specify Composition In, 保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 选项中选择 O2 并在 Species Fraction 中输入 0.21. iv. 在 Defined Species 选项中选择 N2 并在 Species Fraction 中输入 0.79 (b) 激活燃料流股组分的输入框 Note: 因为燃料流股已经选择了 empirical 输入选项,您将被提示输入 C,H,O 和 N 的原子摩尔分数,以及燃料的热值和热容.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )i. 在 Stream 下, 选择 Fuel. ii. 在 Specify Composition In 中,保持默认选项 Mole Fractions. iii. 在 Defined Species 列表中选择 C 并在 Atom Fraction 中键入 0.581. iv. 在 Defined Species 列表中选择 H 并在 Atom Fraction 中键入 0.390. v. 在 Defined Species 列表中选择 N 并在 Atom Fraction 中键入 0.016. vi. 在 Defined Species 列表中选择 O 并在 Atom Fraction 中键入 0.013. vii. 在 Lower Caloric Value 中键入 3.53e+07 J/kg 在 Specific Heat 中键入 1000 J/kg-K . viii. 点击 Apply ,关闭面板. 5. 定义固体碳的密度.译者:wyxpuma时间有限,错漏之处在所难免.如有发现可站内 message 我: )这里,假定固定碳密度为 1300 kg/m3SetupSpeciesDensity...(a) 在 Defined Species 中选择 C(S) . (b) 将 Density 设为 1300. (c) 点击 Apply ,关闭面板. Note:在计算燃料的混合密度时,prePDF 会用到这个信息.你应当定义固定焦炭的密度, 这个值可能和 FLUENT 中定义的煤的密度不一致, FLUENT 中定义的是包含灰 的煤粒的显密度.6. 定义系统操作条件.在化学平衡计算中需要用到系统压力和入口流温度. 煤燃烧情况下, 燃料流股 的入口温度应当是开始脱挥发分的温度.氧化剂流股的入口温度应当对应于空气入 口温度.在本例程中,煤脱挥发分的温度设置为 400 K,空气入口温度为 1500K,系 统压力为 1 大气压.SetupOperating Conditions...(a)在Fuel和Oxidiser中分别将温度设为400 K 和1500 K。

矿热炉仿真算例全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：矿热炉是一种用于高温固相反应的设备，因其在矿石冶炼过程中起到关键作用而备受关注。

近年来，随着仿真技术的发展，矿热炉仿真已成为研究人员研究热力学和传热过程的重要工具。

本文将探讨矿热炉仿真的算例，并介绍一些应用实例。

矿热炉是一种用于冶炼金属或矿石的设备，其工作原理是通过高温加热将矿石进行熔化和反应，以提取所需金属。

矿热炉的设计和优化是冶金工程中的关键问题，而仿真技术可以帮助工程师们更好地了解热力学和传热过程，从而改善炉内的工艺条件和降低能耗。

矿热炉仿真的算例主要涉及到炉内的温度分布、热流分布、反应速率等参数。

通过建立数学模型和计算流体力学（CFD）模拟，可以模拟和预测炉内各种物理和化学过程的行为。

热传递和热辐射是矿热炉仿真中最重要的部分，因为其直接影响炉内温度和反应速率。

在矿热炉仿真中，炉内的温度分布是一个关键的参数。

通过数学模型和CFD模拟可以计算炉内各个位置的温度变化，并通过优化炉内结构和燃烧方式来提高能源利用率和生产效率。

通过改变炉内燃烧器的位置和角度，可以优化炉内热量分布，避免局部过热或过冷的现象。

矿热炉仿真还可以用于模拟炉内的化学反应过程。

通过计算反应速率和产物分布，可以优化炉内的工艺条件，提高金属提取率，并降低废气排放。

矿热炉仿真技术的应用范围不仅局限于传统矿石冶炼，还可以用于熔炼废旧金属和电子废弃物等新兴领域。

矿热炉仿真技术在冶金工程中扮演着重要角色，为工程师们提供了一种便捷而高效的工具来优化矿热炉的设计和操作。

未来随着仿真技术的不断发展，矿热炉仿真将更加普及和完善，为冶金工程带来更多的创新和发展机会。

【2000字】第二篇示例：矿热炉是一种常用于冶金、化工等工业领域的设备，通过煤炭、石油等燃料的燃烧产生的高温热能，加热矿石、矿渣等原料，进行冶炼、烧结等工艺过程。

随着工业自动化技术的发展，矿热炉仿真技术也逐渐受到重视。

矿热炉仿真是利用计算机模拟矿热炉工作过程，包括燃烧行为、气体流动、传热过程等各个方面，以实现对矿热炉性能的预测、优化和控制。

ANSYS CFX——流体动力学分析技术的开拓者产品关键字精确的数值方法快速稳健的求解技术丰富的物理模型旋转机械流动分析的专有特征先进的网格剖分技术发展历史CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD软件，是英国AEA Technology 公司为解决其在科技咨询服务中遇到的工业实际问题而开发，诞生在工业应用背景中的CFX 一直将精确的计算结果、丰富的物理模型、强大的用户扩展性作为其发展的基本要求，并以其在这些方面的卓越成就，引领着CFD技术的不断发展。

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煤粉是怎样燃烧的煤粉入窑后，燃烧过程分三个阶段。

如图1所示。

（1）干燥预热阶段：这一阶段是使煤粉中所含水分蒸发掉，一般需要0.03～0.05秒。

但在煤粉粗湿的情况下，干燥预热的时间要相应延长。

干燥预热时间的长短，决定着火焰黑火头的长短。

图1. 煤粉燃烧示意图1──干燥预热；2──挥发物分馏与燃烧；3──固定碳燃烧（2）挥发物分馏与燃烧阶段：这一阶段一般约需0.01～0.03秒。

干燥的煤粉随温度继续升高至450～500℃时，挥发物开始分馏（也叫挥发），分馏出甲烷（CH4）、乙烯（C2H2）、一氧化碳（CO）等，包围在煤粉颗粒周围，形成一层挥发物气体薄膜，与入窑空气中的氧接触，开始（氧化作用）燃烧，生成气态的CO2和H2O。

在未燃烧尽以前，炭粒被薄膜隔绝，不能与氧充分接触，无法燃烧，只能焦化。

只有空气中的氧透过薄膜时，炭才能继续燃烧，挥发物的分馏在700℃～800℃时，即可挥发完毕。

挥发物燃烧时间长短，与挥发物含量多少、气体流速大小、温度高低有关。

挥发分低，气体流速快，温度高，燃烧时间就短；否则相反。

挥发分高的煤，着火早，燃烧快，黑火头短，白火焰长；挥发分低的煤则相反。

（3）焦炭燃烧阶段：这一阶段的主要作用是焦炭的燃烧，其燃烧速度决定于白火焰的长短（一般约需0.2～0.4秒），焦炭的燃烧，不但与温度高低有关，且与空气量及空气中的氧透过挥发物气体薄膜与炭接触的速度有关。

煤粉的颗粒大小及含炭量多少也都影响着焦炭的燃烧速度。

煤粉通过喷煤嘴喷入窑内后，经过一段距离才开始燃烧，这段距离就是黑火头。

煤粉燃烧后，产生热量，形成燃烧的焰面，温度随燃烧时间的增长而不断升高，高温的焰面不断向后面末燃烧的低温煤粉传热，使其达到着火点而燃烧，形成新的焰面。

不断地送煤，不断地燃烧，窑内就保持一个熊熊的火焰，不断地燃烧放热。

第19卷 第3期2010年9月 矿 冶M IN ING &M ETALLURGYVol 119,No 13S epte m ber 2010文章编号:1005-7854(2010)03-0045-04煤粉颗粒团燃烧过程的数值模拟刘向军,林超(北京科技大学热能系,北京100083)摘 要:煤粉的燃烧在工程实际中很多情况下都是聚团燃烧,颗粒内部传热传质机理复杂。

本文根据多孔介质的传热传质学理论,引入对流项,建立了气流场中煤粉团燃烧的三维数学模型,并对不同孔隙率的煤粉团的燃烧过程进行了对比计算,计算结果合理,揭示了孔隙率对煤粉团着火燃烧的影响,为深入研究煤粉团燃烧特性打下基础。

关键词:煤粉颗粒团;燃烧;数值模拟中图分类号:TK16 文献标识码:ANUM ER I CAL SI M ULATION OF THE COAL CLUSTER CO M BUSTION PROCESSLIU X iang-j u n,LIN Chao(Ther m al Engineering D e part m ent ,University o f Science&Technology B eijing,Beijing 100083,Ch i n a)ABSTRACT :M ost o f the coa-l gas co m bustion process acti n g i n a dense partic l e -gas t w o -phase fl o w fiel d is coa l cluster co m bustion,w h ic h is d ifferent fr o m tha t o f a sing le coa-l partic l e co m bustion because of the co m plex inner -cluster heat and m ass transfer 1I n this paper ,a 3D m athe m atica lm ode lo f a coa l c l u ster co m bustion i n hot air fl o w ,w hich based on the heat and m ass conservation la w of porous m edia ,is established 1The governing equations i n -clude heat transfer equation and gas transfer equati o n 1The detailed heating -up and co m busti o n processes of a coa l cluster are obtained and t h e effects of the porosity are also ana l y sed 1A ll t h ese results are reasonab le and o ffer theo -retical bases for futher st u dy i n g t h e co mbusti o n pr ocess of coa-l c l u sters 1KEY W ORD S :coal cluster ;co m bustion ;nu m erical si m ulati o n 收稿日期:2010-04-28作者简介:刘向军,博士,教授,长期从事流动与燃烧过程的基础研究。