fluent数值模拟例子

∂ ( ρ uφ ) ∂ ( ρ vφ ) ∂ ( ρ ∂x
+
∂ ∂φ ∂ ∂φ Γφ + Γφ + Sφ + S pφ ∂y ∂y ∂z ∂z
（1）
式中 φ 分别代表速度 u , v, w 、湍流动能 k 、湍流动能耗散率 ε 、混合分数 f 及其脉动均方值 g 和 焓 h ，当 φ = 1 时为连续性方程， Sφ 是由气相引起的源项或汇项， S pφ 是由固体颗粒引起的源项。 式（1）中源项及扩散系数的具体形式示于表 1。 O2、N2、CO2、CO、H2O 及气相燃料的质量分数由混合分数 f 及其脉动均方值 g 求得，气体 温度由焓 h 及各组分的质量分数计算。 颗粒的动量方程：
∂p ∂ ∂u ∂ ∂v ∂ ∂w + µeff + µeff + µeff ∂y ∂x ∂y ∂y ∂y ∂z ∂y
v
−
S pv
w
−
∂p ∂ ∂u ∂ ∂v ∂ ∂w + µeff + µeff + µeff ∂z ∂x ∂z ∂y ∂z ∂z ∂z Gk − ρε
dm p dt
H reac
（3）
式（3）中右边依次为对流传热、辐射传热、热解挥发份析出热和反应放热。
2 计算实例和网格处理
2.1 计算实例
本文以太原第二热电厂某台 DG670-140/540-8 型锅炉为计算实例，结构示意图如图 1（a） 。燃 烧设备为四角布置切向燃烧， #1、 #3 角形成对冲， #2、 #4 角在炉膛中形成φ736 假想切圆如图 1(b)。 整组燃烧器设置四层一次风喷口、六层二次风喷口和一层三次风喷口，二次风和一次风间隔布置， 每角燃烧器分为上下两组，整组燃烧器高 8.821m。 锅炉实际燃用的煤种为当地小窑煤，其煤质成分分析示于表 2 。煤粉细度： R90=14.5% ， R200=1.2%。 表 2 燃料分析 Car 57.97 Har 2.45 Oar 2.70 Nar 0.99 Sar 4.94 Aar 23.27 Mt 7.68
S pz
0 0
k
ε
f
ε ( C1Gk − C2 ρε ) k
0
S pφ
0
g
h
∂f 2 ∂f 2 ∂f 2 Cg1µ eff + + − Cg2 ρε g / k ∂x ∂y ∂z
−QR
S ph S pYs
φ
1
Γφ
0
Sφ
0
S pφ S pm
S pu
u
µeff
µeff
µeff µeff σ k µeff σ ε µ eff σ f µ eff σ g
µ eff σ h
−
∂p ∂ ∂u ∂ ∂v ∂ ∂w + µeff + µeff + µeff ∂x ∂x ∂x ∂y ∂x ∂z ∂x
FLUENT 第一届中国用户大会
670t/h 四角切圆燃烧煤粉炉炉内过程的数值模拟
670t/h 四角切圆燃烧煤粉炉 炉内过程的数值模拟1
范贤振 郭烈锦 高 晖 聂剑平2
西安, 710049 西安交通大学多相流国家重点实验室,
摘
要
借助 FLUENT CFD 软件平台， 应用 Eulerian / Lagrangian 方法， 对 670t/h 四角切向燃烧煤粉锅炉 3 种不同工况 下炉内的流动、传热及燃烧进行了数值模拟。为减小数值伪扩散的影响，本文采用了改进网格系统的措施。通过 计算分析炉内的速度、温度和气相浓度场以及颗粒的运动轨迹，为锅炉的运行和改造提供了参考依据。
-3
(c)
CO2 浓度分布
3
图7
炉膛竖直中心截面的气相各组分浓度分布(单位 10 ㎏/m ，工况 1)
42
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图 5 给出了工况 1 下的炉膛三个横截面上的速度分布，从下至上三个横截面依次为燃烧器第 二层一次风截面、介于折烟角与燃烧器之间的炉膛中间位置截面和炉膛出口中间位置截面。从图 中可以看出，从下至上大部分炉膛空间均存在强烈的旋转流场，旋转强度从弱到强，然后再逐渐 减弱，但到炉膛出口仍存在残余旋流。这都是四角切圆燃烧煤粉炉的固有特点。 图 6 示出了工况 1 下从#1 和#3 角燃烧器的第一层一次风喷口喷出的煤粉颗粒的轨迹。 可以看 出，绝大部分煤粉颗粒随着气流向炉膛上部运动，在上升的过程中逐渐燃尽；有少数煤粉颗粒由 于重力的作用落向灰冷斗而未燃尽，造成飞灰未燃尽损失。 图 7(a)、(b)和(c)分别表示在工况 1 时，炉膛竖直中心截面上 CO、O2 和 CO2 的浓度分布。浓 度图表明，炉内 CO、O2 和 CO2 的浓度分布与温度分布有很大关系，高温区对应着高的 CO 浓度 和低的 O2、CO2 浓度，在炉膛高温区煤粉与氧气发生剧烈燃烧反应，消耗大量的 O2 而主要生成 CO；然后在低温区 CO 再与过剩的 O2 反应生成 CO2，消耗高温区生成的 CO。由图 7(a)可以看出， 在接近折烟角处 CO 的浓度已经非常低了，表明在炉膛出口处的烟气中，CO 基本不存在。
39
Qnei,v,ar (MJ/kg) 23.370
Vdaf 11.67
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（a） 炉膛结构尺寸
（b） 燃烧器切圆
图1
炉膛结构尺寸和燃烧器切圆示意图
图 2 燃烧器区域某水平截面上的网格分布
图 3 第 4 层一次风水平截面的温度分布 (单位 K，工况 1)
(a) 工况 1（标准工况）
(b) 工况 2
(c) 工况 3
图4
各工况下炉膛竖直中心截面的温度分布(单位 K)
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图 5 各横截面上的速度分布（工况 1）
图6
煤粉颗粒的轨迹（工况 1）
(a)
CO 浓度分布
(b)
O2 浓度分布
du p dt
= FD ( u − u p ) + g x ( ρ p − ρ ) + Fx
（2）
方程（2）右侧依次为气相阻力、重力（包括浮力）和其他作用力。 颗粒的能量方程：
mpcp
dTp dt
4 = hAp (T∞ − Tp ) + Apε pσ (θ R − Tp4 ) +
dm p dt
h fg − f h
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辐射传热、颗粒运动和气相流动及湍流燃烧，涉及到多相流动、传热传质和燃烧等多个学科。通 过试算比较，本文采用了适用范围广的 Standard k-ε 紊流模型模拟气相湍流运输，用混合分数概率密度函数 (mixture-fraction/PDF)[8] 模型模拟气相湍流燃烧，用 P-1 辐射模型 (P-1 radiation model)[9] 计算辐射传热，对煤粉挥发份的释放采用了双匹配速率模型 (the two competing rates model)，煤粉颗粒的跟踪采用了随机轨道(stochastic tracking)方法。 表 1 气相守恒方程中的源项和扩散系数
2.2 网格处理
在四角切向燃烧锅炉的炉内流动计算中，炉膛四个角上的燃烧器的风口速度方向一般与直角 坐标的网格边界成约 45O 夹角，容易产生伪扩散，从而影响计算的准确性。为减少因网格而引起 的伪扩散的影响，本文对计算网格的划分进行了改进，使流动方向与网格边界的角度远离 45O，尽 可能以垂直于网格边界的方向进入计算微元体。图 2 示出了燃烧器区域某一截面上的网格。由图 可以看出绝大多数的网格满足流体流动方向以垂直于网格边界的方向进入计算微元体的要求。整 个计算区域使用 38×40×133（分别对应炉膛宽度、深度和高度方向）的非均匀网格，燃烧器区域 和燃烧器喷口附近的网格相对较密，以模拟该区域各物理量的剧烈变化。
1 数学模型和基本方程
1.1 数学模型
煤粉在炉膛内的燃烧是一个很复杂的物理、化学过程，它包括挥发份的释放、焦碳的燃烧、
1 2
国家 973 项目 G1999022308 项目和重点实验室访问学者基金资助项目内容 国家电力总公司西安热工研究院高工，多相流国家重点实验室访问学者 37
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表 3 锅炉不同工况下的运行参数 工 况 1（设计工况） 2 3 燃煤量(kg/s) 24.06 21.65 16.84 一次风风速(m/s) 22.0 19.8 15.4 二次风风速(m/s) 33.95 30.56 23.77 三次风风速(m/s) 43.73 39.36 30.61
µeff = µ + µt ， µt = Cµ ρ k 2 / ε ，
Cµ = 0.09, C1 = 1.44, C2 = 1.92 ， σ k = 1.0, σ ε = 1.3 ， σ f = σ g = σ h = 0.7 ,
σ s = 1.0 , Cg = 2.80, Cg = 1.92
1 2
Ys
µeff σ s
Ws
∂u 2 ∂v 2 ∂w 2 ∂u ∂v 2 ∂v ∂w 2 ∂w ∂u 2 Gk = µeff 2 + + + + + + + + ∂x ∂y ∂z ∂y ∂x ∂z ∂y ∂x ∂z