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锅炉燃烧器内气固两相流动的数值模拟
符栋良
【期刊名称】《锅炉技术》
【年(卷),期】2013(044)006
【摘要】当前,在解决传热与流动问题上,数值模拟已经成为一个非常重要的工具.利用自行开发的基于非正交贴体坐标系的计算软件,采用k-ε-Ap气固两相湍流模型,对近出口处带有菱形障碍块的锅炉燃烧器内的气固两相冷态流动进行了数值模拟.根据流体动力学理论和某些出版物中发表的相关数据,通过对计算结果的比较、分析,证实了燃烧器一次风喷嘴带有菱形障碍块的结构对于炉膛内的稳定燃烧有着非常重要的作用.
【总页数】5页(P35-39)
【作者】符栋良
【作者单位】上海市特种设备监督检验技术研究院,上海200333
【正文语种】中文
【中图分类】TK223.23
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回转窑内的气固流解释介绍水泥回转窑内的气固流现象及拖轮轴新设计，在水泥回转窑内的气固流，是一种比较特殊的携带有化学变化的两相流动现象，因为受到燃烧器内强旋流和大速差影响，导致回转窑内发生回流和气固相混的情况，对于煤粉颗粒的运转使用堆积颗粒运转形式，煤粉颗粒只考虑气体所受到的阻力和重力。
水泥回转窑中除了存在煤粉的燃烧化学变化以外，还存在生料的的化学变化，其中包含有部分CACO3的分解反应、生料各成分之间的固相变化、以及固相到液相的转变。
到目前为止，要想将这些物理或化学变化准确的模拟还是很困难的。
根据水泥物料在水泥回转窑内所发生的化学或物理变化，将预分解回转窑分为几个不同工艺带，根据物料的温度变化，可以此划分为盐酸盐分解带、升温和过度带遗迹烧成带和冷却带，各带的长度比例为18:35:41:6。
因此，根据物料在各带的化学变化以及各区段的物理变化，通过计算可得到沿轴向的分段热流密度函数。
将此函数作为回转窑的能量计算中的壁面边界条件，进而模拟回转窑内的温度分布。
对于回转窑的辐射热过程采用P-N法来模拟。
/b905.html在保证回转窑拖轮轴疲劳强度的基础之上，令拖轮轴得到最好的设计，需要先建立拖轮轴的模糊可靠度计算模型。
所谓的最大应力以及最小强度，即重型机械设计理论中所说的强度极限以及屈服极限都是最小值。
因此，为了使重型机械设计理论中的强度数据充分发挥其功效，并且对于拖轮轴的设计也较适用，给出了强度标准，即最小强度要比最大应力大，认定应力具有最大值，强度有最小值。
不论是应力的最大值还是强度的最小值，都可以运用模糊统计来得到其具体数据。
卧式回转窑拖轮轴的疲劳可靠度很高，因其在计算中具有很高的可靠度，且与实际工作运转相符合。
由于在可靠度预测中运用了模糊概念，将传统设计中的一些确定量给模糊化，令计算所得与实际运转相靠近，同时此方法还可以在相类似的轴类零件的疲劳强度的可靠度预测中，因此实用价值是非常巨大的。
水泥回转窑内的一氧化氮的生成按原理是可以分为热力型和燃料型，其中以热力型为主，在高温煅烧中部，存在高温、富氧的环境，为热力型一氧化氮的形成提供了条件，模拟结果显示出热力型和燃料型的存在是相互抑制的。
循环流化床锅炉炉内气固两相流动和燃烧的数学模型摘要：循环流化床锅炉主要由布风板、炉膛燃烧室、分离器等组成，燃料从底部绞笼送入锅炉，通过布风板的流化风将颗粒燃料在炉膛内扬析，使颗粒燃料与空气中的氧气充分混合强化燃烧。
本文主要通过对循环流化床锅炉炉内两相颗粒的流动和燃烧特性分析，给出炉内多组分流动燃烧的数学模型。
关键词：循环流化床；多组分颗粒流动；流动与燃烧；数值模拟。
0.前言能源和环境是目前我国面临的两大重要问题，从我国的能源结构可知煤仍将在能源消耗中占有很大的比例，但煤在燃烧过程中将释放出大量的污染物，如：颗粒物、氮氧化物、二氧化硫等。
未响应习总书记在十九大报告中提出的?加快生态文明体制改革，建设美丽中国?，今年来由环保部门提出的煤改气、煤改电等工程，利用天然气、电等高品位能源来替代燃煤，但在实施过程中暴露了诸多的问题，如今年冬天西安等地区出现了大面积的?天然气荒?、电价过高导致用能企业入不敷出。
循环流化床技术是近??年来发展起来的清洁煤燃烧技术，也是目前商业化程度最好的洁净煤燃烧技术之一，发展迅猛。
流化床燃烧具有煤种适应性广、燃烧调节宽、低烟气排放等特点。
采用石灰石脱硫剂，流化床燃烧可以高的脱硫效率。
同时流化床内燃烧温度控制在?????????之间，采用低温燃烧使得???量会明显下降。
流化床的燃料（包括煤、垃圾等）适应性很强。
由于流化床内有足够量的床料，燃烧时床料能够迅速与燃料混合均匀，具有良好的着火性能，使得流化床可以燃烧低挥发分的无烟煤和高水分污泥垃圾等废弃物等。
国内外的学者对其做了大量的研究，等提出定态重构等理论有效解决了原有循环流化床锅炉厂用电率高、炉膛磨损严重、燃烧效率偏低等问题???，张瑞卿等利用计算颗粒流体力学（????）商业软件????????????对工业循环流化床锅炉中的气固流动和燃烧过程进行了数值模拟，通过模拟得到了炉膛从启动到稳定运行的动态变化过程，验证了利用??????手段预测循环流化床中气固流动和燃烧过程的潜力和可行性???。
水平浓淡煤粉燃烧器内气固两相流的数值模拟水平浓淡煤粉燃烧器内气固两相流的数值模拟水平浓淡煤粉燃烧器内气固两相流的数值模拟是一个涉及流体力学、热力学和化学反应等多个学科的复杂课题。
它涉及到了流体在燃烧过程中的传热、传质以及相变等多个物理过程，而且在燃烧过程中，气固两相流的相互作用更是复杂多变。
其数值模拟需要考虑到多种因素，如湍流模型、燃烧模型以及颗粒运动模型等。
在这篇文章中，我将从基础概念开始，逐步深入，探讨水平浓淡煤粉燃烧器内气固两相流的数值模拟。
1. 什么是水平浓淡煤粉燃烧器内气固两相流？水平浓淡煤粉燃烧器内气固两相流是指在燃烧器内，煤粉和空气以及燃烧产物之间同时存在的流动状态。
其中，煤粉和空气混合形成气固两相流，而在燃烧过程中，燃烧产物也会与气体形成两相流动。
在水平浓淡煤粉燃烧器内，气固两相流的流动状态复杂多变，既有湍流现象，又有颗粒间的相互作用，因此需要进行数值模拟来更好地理解和控制这一过程。
2. 数值模拟的基本原理数值模拟是利用计算机对实际物理过程进行数值求解，以获得系统的流动信息、温度分布、物质转移等相关数据。
在水平浓淡煤粉燃烧器内气固两相流的数值模拟中，需要考虑到多个物理过程，例如流体的密度、粘度、热传导系数等，颗粒的运动状态、燃烧产物的生成和传输等。
数值模拟需要建立相应的数学模型，以描述和求解这些物理过程。
3. 湍流模型在数值模拟中的应用在水平浓淡煤粉燃烧器内，流体的运动状态往往处于湍流状态，因此需要采用湍流模型来描述流体的湍流运动。
常用的湍流模型包括k-ε模型和RANS模型等，在数值模拟中，选择合适的湍流模型对于准确描述气固两相流的运动状态至关重要。
4. 燃烧模型在数值模拟中的应用燃烧是水平浓淡煤粉燃烧器内最为重要的物理过程之一，燃烧模型的选取直接影响到数值模拟的准确性。
常用的燃烧模型包括简化化学反应模型、进一步细化的半简化模型以及详细化学动力学模型等。
在数值模拟中，需要选择适合燃烧过程特点的模型，以准确预测燃烧产物的生成和传输过程。
气固两相流体力学模型在燃煤发电中的应用引言燃煤发电是目前世界各国主要的电力供应方式之一。
然而，燃煤发电过程中产生的煤烟气排放对环境和人体健康带来了巨大的挑战。
为了更好地理解燃煤发电过程中的气固两相流体行为，研究人员对气固两相流体力学模型进行了广泛的应用。
本文将介绍气固两相流体力学模型在燃煤发电中的应用及其意义。
气固两相流体力学模型的基本原理气固两相流体力学模型是研究气固两相流体行为的基本工具之一。
它基于流体动力学方程和颗粒运动方程，描述了气相和固相在空间和时间上的运动规律。
常用的气固两相流体力学模型包括欧拉-拉格朗日方法、欧拉-欧拉方法和多尺度方法等。
欧拉-拉格朗日方法将气相和固相视为两个不同的相，分别采用欧拉方法和拉格朗日方法描述其运动。
其中，欧拉方法假设气相和固相是均匀连续的流体，通过质量守恒、动量守恒和能量守恒方程描述其运动；拉格朗日方法则将固相中的颗粒视为相互独立的个体，通过颗粒的运动方程描述其运动。
欧拉-欧拉方法将气相和固相都视为均匀连续的流体，通过质量守恒、动量守恒和能量守恒方程描述其运动。
多尺度方法则将气相和固相的微观和宏观尺度结合起来，通过不同的尺度转换关系建立它们之间的联系。
燃煤发电中的气固两相流体力学模型应用煤燃烧过程中的气固两相流体行为研究煤燃烧是燃煤发电中最主要的过程之一，其燃烧特性对发电效率和煤炭利用率有着重要影响。
通过气固两相流体力学模型，研究人员可以深入分析煤燃烧过程中气相中的燃烧反应、物质传输和能量转化等过程，以及固相中的煤炭颗粒的燃烧和热解过程。
粉煤灰颗粒在燃煤发电中的传输和分离研究在燃煤发电过程中，粉煤灰是煤燃烧产生的主要固体产物之一。
通过气固两相流体力学模型，研究人员可以模拟粉煤灰颗粒在烟气中的传输和分离过程。
这对于合理设计燃煤发电厂的除尘设备以及减少粉煤灰排放具有重要意义。
气固两相流体行为对燃烧控制和污染物排放的影响研究气固两相流体力学模型还可以用于研究气相和固相之间的相互作用对燃烧过程和污染物排放的影响。
气固两相流在燃烧器中的应用
1、气固两相流的基本理论
不管何种型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。
因而，要改进燃烧器，必须对气固两相流动的规律有深入的理解。
2、气固两相流的基本特点
单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗粒，而且各处的固体颗粒浓度存在差异，这就使得炉内的燃料颗粒流动变的相当复杂。
一般来说，有以下主要的特点:
(1)气体分子分布均匀，而燃料颗粒是分散的、且直径大小不同，为了简便起见，人们通常仅仅考虑一个平均尺寸。
(2)燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。
(3)颗粒相的惯性较大，气体和颗粒间存在着速度的滑移，因而各自运动规律相互会产生影响。
(4)颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。
在不等温的热流中还存在着热泳现象。
(5)由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。
(6)在有压力梯度、速度梯度存在的流场中，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定状态，颗粒间及与管壁间相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产生升力效应。
(7)颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。
小颗粒的扩散速率比大颗粒的扩散速率大。
3、气固两相流的分类
工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相两相流和浓相两相流。
这是以颗粒在气相中的含量多少来区分的，通常认为稀相两相流中颗粒的浓度不大，使得颗粒的存在对气相运动的影响不大，颗粒相的运动规律基本与相一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修正就可以了。
浓相两相流动就是颗粒相浓度增加到一定数值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流动方程就很难准确的加以描述。
一般来说，颗粒的浓度小于lkg/kg空气时，可以认为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。
对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略，这种情况称为双向祸合(Two-Way Coupling)。
稀相两相流的颗粒相对气相影响很小，可以忽略不计，但是气相场决定这颗粒的轨迹和其他参数的变化，这种情况称为单向祸合(One-Way Coupling)。
4、气固两相流的特性参数
由于气固两相流中增加了颗粒相，流动中存在着一个形状与分布随机可变的相界面。
而各个相之间又存在着一个不可忽略的相对速度，导致了流经管道的分相流量比和分相所占的管截面比不相等。
因此描述气固两相流的流动特性参数比气体单相的流动特性参数要复杂很多。
主要的参数有:两相浓度(各相所占的相对容积，重量等)、空隙度(流体所占的体积与整个两相流体的总体积之比)、两相密度(各相的总重量与总体积的比)，比面积(分散颗粒相的表面积与其体积之比)、以及两相粘度、两相比热、两相导热系数和颗粒的松弛时间等。
除此，还有其他的一些参数，如两相流体的密度，颗粒平均尺寸等。
5、工程气固两相流模化实验的原理
气固两相流进行模化时，首先要做到几何相似，其次要使雷诺数相等或者气流达到自模化区，另外，还要做到单值条件相似，即达到流动相似。
为了使模型与原型中的两相流动相似，还必须要遵循一定的准则。
气体湍流流动时的相似准则
用于描述两相运动的相似准则有:
当分散相用平均直径来模化的时候，还应该遵守以下条件:n1=idem, Ce=idema。
n1是和颗粒粗细分布性质有关的系数，Ce是固体粉体浓度。
要同时满足以上的所有准则是很困难的，应该根据实际情况采取近似模化的方法，通常作如下的简化:
(1)如果炉内流动过程是稳定的，可以不考虑均时性准则。
(2)在几何相似的条件下，当气流流动达到自模化以后，湍流准则也基本上达到了自模，如果此时满足阻力处于同一区域，那么气流脉动对燃烧颗粒的影响也可以近似得到相似。
(3)如果能满足进口条件相似，则意味着，w p/w g = idem和Ce = idem能得到遵守;n1=idem 也能得到遵守。
(4)要求遵守准则ρp/ρg= idem，在等温模化中用相同的物质就可以做到。
综上所述，简化可得到两相流动的近似模化中，应遵守的相似准则为:Fr, St和Re(或者处于相同的流动阻力区)。
6、气固两相流的试验测试技术
在锅炉的调试和运行过程中，常会遇到两相流的取样和测量的问题。
如果想知道各种燃烧器内部的煤粉颗粒和空气的温度、速度浓度等，就必须对两相流进行采样测量和分析。
目前已经有很多的测量两相流的方法，例如可以利用灰粒对光线的光谱吸收特性制成光学测量装置，可以利用静电效应、超声波、激光或者其他的方法测量。
需要测量的两相流参数主要有:颗粒和气流的速度、浓度及温度.颗粒粒径等物理量。
常见的颗粒速度测量方法有取样法、动量法、相关法和激光多普勒法。
可以用各种气力探针、热电风速仪和叶轮风速计以及激光测速的方法来测量气流速度，还可以用飘带法和示踪法来得知速度的方向。
流量的测量包括速度法、节流法、示踪法、质量流量法和温度法。
目前的测量气固两相流的方下去很多，大多是利川颗粒的各种物理性质，例如比色法、光电法、电容法、静电法、超声法γ射线法等等。
日前工业上用的主要测温装置，有辐射式温度计和接触式温热电偶两种:可以用PDA测量颗粒的粒径分布。
7、煤粉燃烧器内气固两相流的研究现状
从80年代后期开始，国内的很多高校和研究机构对燃烧器内的气固两相流动进行了研究，清华大学、浙江大学、华中理工大学和哈尔滨工业大学等，都对气固两相流动的研究做出了很多卓有成效的工作。
近年来由于计算机技术日新月异的发展，给数值模拟带来了无限生机，气固两相流数值模拟的对象和深度都达到了一个崭新的台阶。
在对湍流气相场进行数值模拟时，得到最广泛应用的是k-ε模型。
在能满足工程需要的前提下，它也是最简单有效的双方程模型。
但是在许多流动较复杂的工程实际中，k-ε模型的计算结果会和实际情况产生较大的误差。
所以，很多学者又提出了对k-ε模型的改进和修正。
对于气固两相流动，在模拟时或者把颗粒群当作拟连续介质或者拟流体，或者把颗粒群看作离散体系。
颗粒拟流体模型的核心问题是颗粒湍流模型，目前一般采用两种方法:一种是基于颗粒追随流体脉动概念的Hinze-Tchen颗粒湍流代数模型(A p模型);第二种是颗粒湍动能方程模型(k p模型)。
除此之外，还有统一的二阶矩模型(USM) 及基于统计方法的PDF模型。
综上所述，尽管许多研究人员对燃烧器的气固两相流问题做了研究。
但这些工作中，对于气相场模拟的时候，采用的大多数都是基于“有效粘度”的湍流模型。
由于强旋的两相流动呈现出典型的各向异性，即使对k一二模型进行过修正，模拟的结果仍然不能让人满意，特别是对回流区的预报。
