燃煤鍋爐燃燒過程流場及溫度場數(shù)值模擬

1、華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）半披*芳科技學院畢業(yè)設計（論文）燃煤鍋爐燃燒過程流 場及溫度場數(shù)值模擬動力工程系環(huán)境工程班系 別 專業(yè)班級 學生姓名 指導教師二O三年六月摘要數(shù)值模擬是以電子計算機為手段，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題 和物理問題乃至門然界各類問題研究的目的。課題涉及到三維燃燒過程，并帶有兩相流。 綜合考慮，我選擇了目前應用比較廣泛的FLUENT軟件作為數(shù)值模擬的工具。本文對鍋爐爐膛計算域通過GAMBIT軟件構建三維框架結構，從而對其進行網(wǎng)格劃分, 確定合適的數(shù)學物理模型，設置邊界條件，選用適當?shù)淖兞亢蛥?shù)，對爐膛燃燒進行三維 數(shù)值模擬，得出爐膛內(nèi)流場與溫

2、度場分布。最后經(jīng)過簡單的處理，將模擬結果以圖片或圖 表的形式進行百觀的展示。通過對模擬結果的觀察分析得出合理的結論，并分析不足之處。 改變?nèi)急M風風速大小，選擇30m/s、40m/s、49m/s及60m/s三種燃盡風速，研究燃盡風風 速對爐內(nèi)混合特性和爐內(nèi)溫度場的影響。結果表明：燃盡風口風速增大時，爐內(nèi)氣流的旋 轉強度隨之增強，燃盡風的穿透程度隨之加強，和對容易穿透到爐膛中心，從而使得煙氣 與煤粉的混合加劇，有利于增加煤炭燃燒的效率；在一定條件下，隨著燃盡風速的增加， 爐膛中心的高溫區(qū)域面積增加，而且相對集中：隨著燃盡風速的增加，鍋爐煙氣出口的溫 度降低；燃盡風風速為49m/s時爐內(nèi)燃燒狀況最佳

3、。關鍵詞：流場：溫度場：數(shù)值模擬：燃盡風華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）NUMERICAL SIMULATION ON FLOWFIELD AND TEMPERATURE FIELD OFTHE COMBUSTION PROCESS IN THEFIRED PULVERIZED-COAL BOILERAbstractNumerical simulation uses electronic computers as the means. To acliieve the purpose of engineering problems and physical problems as wel

4、l as the nature of various problems, it uses the method of the numerical calculation and image shows. Tlie topic relates to the tliree-diniensioiial combustion process and tlie two-phase flow. Considered. I chose the FLUENT as the tool for numencal simulation.hi this paper, establishing the three di

5、mensional frame constniction with GAMBIT, canying on tlie giid division, then selecting the appropriate model of mathematics and physics and the suitable parameter and the variable, setting up the boiuidary condition, making three-dimensional numerical simulation of fimiace combustion, receiving the

6、 distributions of flow field and temperature field in tlie fimiace. 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.

7、49 and 60 meters per second, then discuss what will happen about mixing characteristics of the fiiniace and temperature field.Study results indicate that As bumout air speed increases, the rotation of the fiiniace air flow intensity increases, and tlie degree of penetiation strength increases, it

8、9;s easy to penetrate into the center of the fiirnace 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 increasesjhe temperahire of fiiniace center area inaeases, mo

9、re concentrated;and the temperature of the boiler flue gas outlet slso reduced： the best overfire air velocity for optimiun combustion fiiniace is 49 meters per secondKeywords：Flow Field;Temperatiire FielcfcNumerical Simulation;Over Fired Air目錄摘要錯誤！未定義書簽。Abstract錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。1緒論11.1課題背景11.2燃燒過程

10、數(shù)值模擬發(fā)展概況113燃煤鍋爐燃燒過程的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀11.4FLUENT軟件21.4.1 簡介21.4.2 優(yōu)點21.4.3局限性21.5燃煤鍋爐燃燒過程流場及溫度場數(shù)值模擬簡介31.5.1氣相湍流流動模型31.5.2氣固兩相流動模型31.5.3輻射換熱模型31.5.4彌散相模型51.5.5煤粉燃燒模型61.6本文主要研究內(nèi)容62模型建立及計算82.1燃煤鍋爐原理82.1.1電廠鍋爐工作原理82.1.2電廠鍋爐發(fā)展概況82.2燃煤鍋爐特性82.2.1鍋爐型號82.2.2鍋爐燃煤煤質(zhì)分析92.3爐膛模型102.3.1爐膛整體模型的選擇1023.2爐膛燃燒器及燃盡風口的分布102.3.3爐膛模

11、型的網(wǎng)格化112.4數(shù)學模型及計算方法132.4.1數(shù)學及兒何模型132.4.2計算區(qū)域132.5FLUENT計算步驟13華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）3.爐膛內(nèi)燃燒過程模擬結果與分析153.1爐膛內(nèi)的流場153.1.1燃燒器橫剖面的速度場153.1.2燃盡風口橫剖面的速度場163.1.3爐膛縱剖面的速度場173.2爐膛內(nèi)的溫度場183.2.1燃燒器橫剖面的溫度場183.2.2燃盡風口橫剖面的溫度場193.2.3爐膛縱剖面的溫度場203.3燃盡風速對爐內(nèi)燃燒特性的彫響213.3.1燃盡風速對爐內(nèi)混合特性的影響213.3.2燃盡風速對爐內(nèi)溫度場的影響26結論28參考文獻29致謝31華北

12、電力大7科技學院木科畢業(yè)設計（論文）1緒論1.1課題背景能源是國民經(jīng)濟重要的物質(zhì)基礎，也是人類賴以生存的基本條件，電力匸業(yè)是能源匸 業(yè)的重要組成部分。中國是煤炭生產(chǎn)和消費大國，目前煤炭提供了一次能源的75%,在可 預見的幾十年內(nèi)煤炭仍是中國主要的一次能源。工業(yè)鍋爐排放大量煙塵以及SOx和NOx等污 染物，成為我國大氣主要煤煙型污染源之一。作為以煤為主要能源的國家，提高燃燒效率, 從而降低燃煤所產(chǎn)生的污染物，是為國家節(jié)能的有效途徑。發(fā)展高效率、低污染的煤潔凈 燃燒技術成為了鍋爐發(fā)展的方向。電力市場需求量在不斷擴增，煤炭消耗最隨之增加。我 國的煤炭利用水平還很低，由于燃燒技術及燃燒設備還比較落后，

13、導致能源的浪費，電廠 的效益降低。因此研究如何預測流場和溫度場的趨勢來對鍋爐的安裝使用和改造利用，是 一個值得重點考慮的問題。直接在鍋爐上應用顯然不切實際，數(shù)值模擬可以形象地再現(xiàn)流 動情景.建立起一個模擬真實鍋爐燃燒的過程，不僅節(jié)省了人力、物力、資金，而且準確 度和效率很高，這對于對鍋爐運行的可行性分析來說是一件很有意義的事。1.2燃燒過程數(shù)值模擬發(fā)展概況二十世紀六十年代后期，Spalding首先在計算機上得到了邊界層燃燒問題的數(shù)值解。 七十年代是模型的發(fā)展與完善階段。其中包括Spalding的湍流燃燒模型，還有Gibson的化 學動力學模型和Grow的氣固兩相流模型的提出。八十年代模型開始應

14、用于爐內(nèi)模擬，各 種模型和計算方法進一步完善。九十年代至今隨著計算機技術與應用的進一步發(fā)展，模擬 開始轉向更具實際應用價值的爐內(nèi)燃燒、污染物、結渣及碳黑的生成模擬。總體來說， 爐內(nèi)燃燒過程數(shù)值模擬逐漸走向成熟。1.3燃煤鍋爐燃燒過程的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀由于爐內(nèi)燃燒過程非常復雜，其過程受流動（包括湍流）、傳熱傳質(zhì)和化學反應的控制。 它涉及到三維的非穩(wěn)態(tài)、多相、多組分，熱量的傳遞等。其中熱量的傳遞過程乂包括對流 換熱、輻射換熱、熱傳導，而涉及到相關的化學反應又包括氣相燃燒、顆粒相燃燒兩部分 。用軟件完全對鍋爐燃燒過程進行數(shù)值模擬是不現(xiàn)實的，所以要做一定的簡化處理，從 而突出主要物質(zhì)的重要過程。經(jīng)過世

15、界各國的諸多學科的專家、學者長期的研究與探索, 根據(jù)實驗事實，對過程作出合理的假設，構造出了各種不同模型。這些模型在模擬精度、 計算最、合理性和經(jīng)濟性上都具有各自的特點，以適用于不同的情況。由于計算機模擬 技術具有很多優(yōu)點，在工程實踐中得到越來越廣泛的應用。FLUENT是流體力學軟件中相 對成熟和運用最為廣泛的軟件之一，所以本文選定FLUENT作為鍋爐燃燒過程數(shù)值模擬的 軟件。1華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）1.4 FLUENT 軟件1.4.1簡介FLUENT軟件是由美國FLUENT公司于1983年推出的計算流體力學軟件，可計算涉 及流體、熱傳遞以及化學反應等工程問題。FLUENT軟

16、件適用于各種復雜外形的可壓和不 可壓流動計算。FLUENT軟件采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術，可以達到最 佳的收斂速度和求解精度。它在轉按與湍流、傳熱與相變、化學反應與燃燒、多相流、旋 轉機械、動/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應用。1.4.2優(yōu)點1）適用面廣包括各種優(yōu)化物理模型，如計算流體流動和熱傳導模型（包括口然對流、定常和 非定常流動，層流，湍流，紊流，不可壓縮和可圧縮流動，周期流，旋轉流及時間相 關流等）：輻射模型，相變模型，離散相變模型，多相流模型及化學組分輸運和反應 流模型等。對每一種物理問題的流動特點，有適合它的數(shù)值解法，用戶可對顯式或隱 式差分格式進行

17、選擇，以期在計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳。2）高效省時FLUENT將不同領域的計算軟件組合起來，成為CFD計算機軟件群，軟件之間 可以方便地進行數(shù)值交換，并采用統(tǒng)一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在 計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動，而可以將主要精力和智 慧用于物理問題本身的探索上。3）污染物生成模型包括NOx和ROx（煙塵）生成模型。其中NOx模型能夠模擬熱力型、快速型、燃料型 及由于燃燒系統(tǒng)里回燃導致的NOx的消耗。而ROx的生成是通過使用兩個經(jīng)驗模型進行 近似模擬，且只使用于紊流。1.4.3局限性由于FLUENT軟件兒乎適用于所有數(shù)值計算問題，其內(nèi)置的模

18、型具有一定的通用性。 所以對于一些特殊的和比較專業(yè)的問題，用其H帶的模型己經(jīng)不適用。比如煤粉燃燒模型, 它所需計算的對流擴散方程很多1（b121，采用FLUENT f|帶的燃燒模型、顆粒運動模型等 所計算出的結果與實際有較大的出入。這是需要考慮的問題，為了解決這個問題，必須深 入分析FLUENT軟件處理煤粉燃燒的機理，并在此基礎上通過用戶白定義函數(shù)（即User Defined Function,簡稱UDF）進行二次開發(fā)，深入研究煤粉燃燒模型中顆粒跟蹤數(shù)計算的 方法、過程之間的切換、過程與規(guī)則之間的關系、顆粒生命周期內(nèi)和多調(diào)用白定義規(guī)則的 數(shù)目及過程規(guī)則的調(diào)用機理。根據(jù)實際工況以及實驗數(shù)據(jù)，重新

19、編寫部分計算程并和燃燒 華北電力大7科技學院木科畢業(yè)設計（論文）模型【呵，本文只對爐膛燃燒做簡單模擬，因此選擇FLUENT R帶模型即可，在這里不去深 入研究用戶自定義函數(shù)，只做簡單介紹。1.5燃煤鍋爐燃燒過程流場及溫度場數(shù)值模擬簡介1.5.1氣相湍流流動模型鍋爐爐內(nèi)的氣流流動幾乎全部都是湍流流動，所有物理量都是空間和時間的隨機變量, 但爐內(nèi)氣相流動仍遵循連續(xù)介質(zhì)的一般運動規(guī)律，并具有一定規(guī)律的統(tǒng)計學特征。流場中 任意空間點上的流動參數(shù)都滿足粘性流體流動的納維斯托克斯（N-S）方程組，因此可用 瞬時參數(shù)的連續(xù)方程、動最方程和能最方程表示同。方程組雖為封閉的方程組，但由于其 具有高度的非線性，目

20、前科學技術的發(fā)展水平還得不出理論解，故只能采用數(shù)值模擬的方 法進行求解。1.5.2氣固兩相流動模型燃煤鍋爐爐內(nèi)的燃燒過程涉及到煤粉顆粒和燃燒產(chǎn)物氣體的兩相流動，煤粉的運動和 彌散對爐內(nèi)燃燒反應的影響很大，因此為了正確預測燃燒過程，必須對氣固兩相流動有正 確的描述。研究氣固兩相流動基本上有兩種不同的方法，一類是把氣體與顆粒都看成共同 存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì)（即把顆粒當作擬流體），都在歐拉坐標系內(nèi)加以描述，常用 的數(shù)學模型有單流體模型（無滑移模型）、小滑移模型、雙流體模型（多流體模型或多連 續(xù)介質(zhì)模型）；另一類是把氣體當作連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標系內(nèi)加以描述，而將顆粒視為 離散體系，在拉氏坐標系內(nèi)加

21、以描述，常用的數(shù)學模型為顆粒軌道模型O鍋爐中的煤粉 顆粒的運動軌跡用拉格朗11法進行模擬。顆粒的分散是由于氣體湍流模擬采用的隨機追蹤 模型，這種模型考慮了氣體瞬間速率的變化對顆粒軌跡的影響。在流體流動中，每迭代25 步，就認為氣體和煤粉間相互影響一次。離散坐標（DO）輻射模型被用來模擬輻射傳熱。 氣體吸收系數(shù)用WSGGM模型進行計算1.5.3輻射換熱模型對于大型電站鍋爐高溫爐膛，輻射換熱是最為重要的換熱方式，因此需要對爐內(nèi)輻射 傳熱過程進行盡可能合理準確的計算。但由于輜射換熱的求解十分復雜、困難，很難根據(jù) 輻射傳遞方程求出解析解，因此在解決輻射換熱問題時，一般要做一定的簡化處理，形成 不同的簡

22、化模型，然后選取適當?shù)臄?shù)值方法進行求解。目前針對不同的適用條件，已發(fā)展 了很多輻射換熱計算模型，主要用于模擬爐內(nèi)傳熱過程的輻射換熱模型閭。分別是離散換 熱輻射模型（DTRM）、P-1輻射模型、Rosseland輻射模型、表面輻射（S2S）模型和離 散坐標（DO）輻射模型。爐膛內(nèi)的溫度很高，爐內(nèi)高溫火焰和水冷壁之間的傳熱以輻射換熱為主，占總換熱最 的90%左右。輻射傳輸方程求解的精確度大大取決于對燃燒產(chǎn)物氣體和煤粉顆粒、灰粒、 煙煤的輻射性質(zhì)精確了解。因為通常液滴迅速蒸發(fā)，對輻射傳熱不會影響很大，而燃燒的 氣體產(chǎn)物的影響則集中在很窄的離散波段中。由于顆粒在整個光譜中連續(xù)的發(fā)射、吸收、 散射能量，

23、因此顆粒的輻射強度占主導地位呦。FLUENT中可以用5種模型計算輻射換熱問題?？梢杂嬎愕膯栴}包括火焰輻射，表面輻 射加熱或冷卻，輻射、對流和熱傳導的耦合換熱問題，空調(diào)、通風設備中通過窗口的輻射 換熱，汽午車廂內(nèi)的熱交換分析，玻璃加工、玻璃纖維拉絲和陶瓷加工過程中的輻射換熱 等等。輻射換熱是高溫換熱的主要機制，因此在計算高溫換熱問題時應該采用輻射換熱模 型。A. DTRM模型DTRM模型的優(yōu)點是比較簡單，通過增加射線數(shù)量就可以提高計算精度，同時還可以 用于很寬的光學厚度范圍。其局限包扌亞1）DTRM模型假設所有表面都是漫射表面，即所有入射的輻射射線沒有固定的反射 角，而是均勻地反射到各個方向。2

24、）計算中沒有考慮輻射的散射效應。3）計算中假定輻射是灰體輻射。4）如果采用大星射線進行計算的話，會給CPU增加很大的負擔。B. P-1模型相對于DTRM模型，P-1模型有一定的優(yōu)點。對于P-1模型，輻射換熱方程（RTE）是一 個容易求解的擴散方程，同時模型中包含了散射效應。在燃燒等光學厚度很大的計算問題 中，P-1的計算效果都比較好。P-1模型還可以在采用曲線坐標系的情況下計算復雜兒何形 狀的問題。P-1模型的局限如下：1）PT模型也假設所有表面都是漫射表面。2）P-1模型計算中采用灰體假設。3）如果光學厚度比較小，同時幾何形狀乂比較復雜的話，則計算精度會受到影響。4）在計算局部熱源問題時，P

25、-1模型計算的輻射熱流通量容易出現(xiàn)偏高的現(xiàn)象。C. Ros sei and 模型同P-1模型相比，Rossland模型的優(yōu)點是不用象P-1模型那樣計算額外的輸運方程， 因此Ros sei and模型計算速丿空更快，需要的內(nèi)存更少。Ros sei and模型的缺點是僅能用" 光學厚度大于3的問題，同時計算中只能采用分離求解器進行計算。D. DO模型DO模型是適用范圍最大的模型一一它可以計算所有光學厚度的輻射問題，并且計算范 圍涵蓋了從表面輻射、半透明介質(zhì)輻射到燃燒問題中出現(xiàn)的介入輻射在內(nèi)的齊種輻射問題。 DO模型采用灰?guī)Ｐ瓦M行計算，因此既可以計算灰體輻射，也可以計算非灰體輻射。如果

26、網(wǎng)格劃分不過分精細的話，計算中所占用的系統(tǒng)資源也不大，因此成為輻射計算中被經(jīng)常 5華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）使用的一個模型。E. 表而輻射(S2S)模型S2S模型適用于計算沒有介入輻射介質(zhì)的封閉空間內(nèi)的輻射換熱計算，比如太陽能集 熱器、輻射式加熱器和汽車機箱內(nèi)的冷卻過程等。同DTRM和DO模型相比，雖然視角因數(shù) (view factor)的計算需要占用較多的CPU時間，S2S模型在每個迭代步中的計算速度 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而。2) S2S模型采用灰體輻射模型進行計算。3) 內(nèi)存等系統(tǒng)資源的需求隨輻射表面的增加而激增。計算中可以將輻

27、射表面組成集 群的方式減少內(nèi)存資源的占用。4) S2S模型不能計算介入輻射問題。5) S2S模型不能用于帶有周期性邊界條件或?qū)ΨQ性邊界條件的計算。6) S2S模型不能用于二維軸對稱問題的計算。7) S2S模型不能用于多重封閉區(qū)域的輻射計算，只能用于單一封閉兒何形狀的計算。1.5.4彌散相模型FLUENT用彌散相模型計算散布在流場中的粒子的運動和軌跡，例如在油氣混合汽中, 空氣是連續(xù)相，而散布在空氣中的細小的油滴則是彌散相。連續(xù)相的計算可以用求解流場 控制方程的方式完成，而彌散相的運動和軌跡則需要用彌散相模型進行計算。彌散相模型 實際上是連續(xù)相和彌散相物質(zhì)相互作用的模型。在帶有彌散相模型的計算過

28、程中，通常是 先計算連續(xù)相流場，再用流場變量通過彌散相模型計算彌散相粒子受到的作用力，并確定 其運動軌跡。彌散相計算是在拉恪朗口觀點下進行的，即在計算過程中是以單個粒子為對象進行計 算的，而不象連續(xù)相計算那樣是在歐拉觀點下，以空間點為對象。比如在油氣混合汽的計 算中，作為連續(xù)相的空氣，其計算結果是以空間點上的圧強、溫度、密度等變量分布為表 現(xiàn)形式的，而作為彌散相的油滴，卻是以某個油滴的受力、速度、軌跡作為表現(xiàn)形式的。FLUENT在計算彌散相模型時可以計算的內(nèi)容包括：1) 彌散相軌跡計算，可以考慮的因素包扌舌彌散相慣性、氣動阻力、重力，可以計算 定常和非定常流動。2) 可以考慮湍流對彌散相運動的

29、干擾作用。3) 計算中可以考慮彌散相的加熱和冷卻。4) 計算中可以考慮液態(tài)彌散相粒子的蒸發(fā)和沸騰過程。5) 可以計算燃燒的彌散相粒子運動，包括氣化過程和煤粉燃燒過程。6) 計算中既可以將連續(xù)相與彌散相計算相互耦合，也可以分別計算。7) 可以考慮液滴的破裂和聚合過程。8）因為彌散相模型計算中可以包括上述物理過程，所以可以計算的實際問題也非常 廣泛。彌散相模型的使用限制：在粒子的體積密度小于1012%時可以使用彌散相模型進 行計算。需要注意的是，體枳密度小于1012%時，粒子的質(zhì)量密度可能遠遠大于這個比 例，其至大于連續(xù)相的質(zhì)最密度。彌散相模型適用于計算有出口和入口的流動問題，即適 用于彌散相粒子

30、不是長時間地停留在計算域內(nèi)，而是從入口處飛入，再從出口處飛出的問 題。另外彌散相模型不能與質(zhì)屋流入口或壓強降低條件配合使用，不能與適應性時間推進 同時使用，同時彌散相模型中的粒子與連續(xù)相之間沒有化學反應。在彌散相粒子是從一個 表面進入流場時，不能使用動網(wǎng)格技術，因為彌散相粒子所在半面不能隨動網(wǎng)格一起移動。 1.5.5煤粉燃燒模型煤粉進入爐膛后將經(jīng)歷復雜的過程，主要包括煤粉預熱析出水分，同時不斷熱解析出 揮發(fā)分，揮發(fā)分析出后剩余被稱之為焦炭的固體；揮發(fā)分將在焦炭顆粒外用空間燃燒，形 成氣相湍流燃燒火焰，而焦炭將與氣相氧化劑在顆粒表面發(fā)生異相燃燒反應。焦炭燃燒在 煤粉的燃燒過程中起著主導作用，但揮

31、發(fā)分對煤的著火及焦炭的燃燒具有舉足輕重的作用, 不可忽視。因此，煤粉燃燒模型主要是揮發(fā)分熱解模型、氣相湍流燃燒模型及焦炭燃燒模 型叭非預混燃燒計算使用的化學反應模型包括火焰層近似（flame sheet approximation） > 平衡流計算和層流火苗（flamelet）模型三種模型。火焰層近似模型假設燃料和氧化劑在相 遇后立刻燃燒完畢，即反應速度為無窮大，其好處是計算速度快，缺點是計算誤差較大， 特別是對于局部熱量的計算可能超過實際值。平衡流計算是用吉布斯自由能極小化的方法 求解組元濃度場，這種方法的好處是既避免了求解有限速率化學反應模型，同時乂能夠比 較精確地獲得組元濃度場。層

32、流火苗模型則將湍流火焰燃燒看作山多個層流區(qū)裝配而成， 而在各層流子區(qū)中可以采用真實反應模型，從而大大提離計算精度。非預混燃燒計算中湍 流計算采用的是時均化NS方程，湍流與化學反應的相干過程用概率密度函數(shù)（PDF）逼近。 計算過程中組元的化學性質(zhì)用FLUENT提供的預處理程序prePDF進行計算處理。計算中采 用的化學反應模型可以是前面所述三種模型中的一種。1.6本文主要研究內(nèi)容本文的最終目標是對燃煤鍋爐燃燒過程流場及溫度場進行數(shù)值模擬。主要完成以下兒 個步驟：1）確定研究對象，即選擇耍研究的鍋爐類型并去確定其基本信息（鍋爐型號、基本 尺寸、燃煤種類等）。2）用FLUENT前置網(wǎng)格處理軟件GAM

33、BIT畫出鍋爐爐膛的物理模型，并且選擇合理 的方法對其進行網(wǎng)格劃分，設置各邊界條件后將網(wǎng)格化好的模型保存。3）啟動FLUENT軟件，導入GAMBIT軟件中做好的模型，對其進行檢査。確認網(wǎng)格 劃分合理后對網(wǎng)格進行優(yōu)化處理。選擇合適的求解方法和模型，并輸入需要的計算數(shù)據(jù)。 然后進行迭代計算，并通過圖像及殘差判斷數(shù)據(jù)的收斂性。4）對計算結果進行優(yōu)化，倘若出現(xiàn)較大偏差則需要尋找問題，例如網(wǎng)格劃分不合理、 計算模型選擇錯誤、數(shù)據(jù)輸入錯誤等。需要重新調(diào)整計算，直至得到比較符合實際的結果。5）對結果進行處理，并且展示計算結果及圖像。6）改變?nèi)急M風口風速大小，研究燃盡風速對爐內(nèi)混合特性和對爐內(nèi)溫度場的影響，

34、并且總結出結論。7華北電力大7科技學院木科畢業(yè)設計（論文）2模型建立及計算2.1燃煤鍋爐原理2.1.1電廠鍋爐工作原理電廠鍋爐的作用是將燃料的化學能轉變?yōu)闊崮?，并利用熱能加熱鍋?nèi)的水使之成為具 有足夠數(shù)量和一定質(zhì)量（汽溫和汽壓）的過熱蒸汽，以供汽輪機使用。燃燒過程是激烈的高速化學反應過程，同時放出熱和光。燃燒反應過程是在很復雜的 條件下，與一系列過程有關，例如湍流流動過程、輻射傳熱過程、擴散過程等，它們同時 進行著并且互相影響。對于氣體燃燒過程，燃料與氧化劑均處于同一種狀態(tài)，稱之為均相 燃燒。固體顆粒和液滴燃燒，燃料與氧化劑處于不同物態(tài)，稱之為異相燃燒切。目前火電廠的特點是鍋爐容最大、參數(shù)高、

35、技術復雜、機械化和白動化水半高，燃料 主要是煤，并且煤在燃燒之前需先制成煤粉，然后送入鍋爐在爐膛中燃燒放熱。鍋爐的主 要工作就燃料的燃燒、熱量的傳遞、水的加熱與汽化和蒸汽的過熱等過程。2.1.2電廠鍋爐發(fā)展概況大型超臨界機組自20世紀50年代在美國和徳國開始投入商業(yè)運行，今天超臨界機組己 大量投運，并取得了良好的運行業(yè)績，同時，超超臨界機組又是不斷發(fā)展的技術麗?？谇拔覈娬久悍坼仩t基本采用四角布置切圓燃燒方式、W型火焰燃燒方式和曲后墻 布置對沖燃燒方式。四角切向燃燒鍋爐由于其燃料的適應性及風粉混合均勻等特點決定其 是我國電站應用最廣、最成熟的燃燒方式，應用的鍋爐容量從小到大不等。使用從優(yōu)度煤

36、到劣質(zhì)煤幾乎所有的煤種。在我國，這種鍋爐占機姐總容量的80%左右創(chuàng)。2.2燃煤鍋爐特性2. 2.1鍋爐型號本文選擇東方鍋爐廠的一款600MW超臨界火電機組鍋爐作為研究對象，其型號和尺寸 如下：表2-1 DG1900/25.4TI1型鍋爐型號名稱單位數(shù)據(jù)鍋爐深度（從K1排柱中心至K5排柱中心）Mm44500鍋爐寬度（外排柱中心距）Mm44000大板梁高度Mm82800爐膛寬度Mm19419.2爐膛深度Mm15456. 2頂棚拐點標高Mm72800水平煙道深Mm5486. 4尾部豎井前煙道深Mm6604尾部豎井后煙道深Mm8331. 2水冷壁下集箱標高Mm5800超臨界參數(shù)變壓直流本生型鍋爐，一次

37、再熱，單爐膛，尾部雙煙道結構，采用擋板調(diào) 節(jié)再熱汽溫，固態(tài)排渣，全鋼構架，全懸吊結構，平衡通風，露天如置。鍋爐主要參數(shù)如 下：表2-2鍋爐主要參數(shù)名稱單位BMCRECRBRL過熱蒸汽流量t/h19001660. 81807. 9過熱器出II蒸汽壓力MPa (g)25.425. 125. 3過熱器出II蒸汽溫度c571571571再熱蒸汽流量t/h1607. 61414. 11525.5再熱器進II蒸汽壓力MPa (g)4.714. 154. 47再熱器出II蒸汽壓力MPa (g)4.523. 984.29再熱器進II蒸汽溫度C322307316再熱器出II蒸汽溫度C569569569省煤器進I

38、I給水溫度C2842752802. 2. 2鍋爐燃煤煤質(zhì)分析燃用晉南、晉東南地區(qū)貧煤、煙煤的混合煤種。其煤質(zhì)分析如下:表23鍋爐用煤煤質(zhì)分析項目單位設計煤種校核煤種校核煤種工業(yè)分析收到基地為發(fā) 熱值KJ/Kg243602310026290收到基全水分%5.886. 293.53收到基灰分%22. 2221. 9219. 34可燃基揮發(fā)分%14.4420. 1510. 84空氣干燥基水 分%0.510. 731.38元素分析收到基碳%64. 2561. 7071.08收到基氫%3.553.412. 71收到基氧%2. 625. 051.81收到基氮%1. 151. 191.05收到基全硫%0.3

39、30. 440. 48可磨性系數(shù)717360灰分Si02%44.9841. 1045.55AL0,%36. 2933. 8635.41%4.074. 124. 65CaO%6. 606. 736. 10Ti02%1.972. 720.21K.O%0. 201. 281. 12Na,0%0.530. 550.44MgO%1. 192. 191.96SO,%3.335. 263.05PA%0. 191. 330. 15其他%0. 650. 861.362. 3爐膛模型2. 3. 1爐膛整體模型的選擇本文研究的是燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過程及污染物生成的數(shù)值模擬，主要針對的是燃燒過 程，而燃燒主要發(fā)生在鍋爐

40、爐膛內(nèi)，所以本文只選擇爐膛作為研究對象。爐膛寬為 19419. 2mm，深度為15456.8mm,高度為67000mm,整個爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐 膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁兩個不同的結構組成，兩者間由過渡 水冷壁轉換連接，爐膛角部為R150mm圓弧過渡結構。爐膛冷灰斗的傾斜角度為55°，除渣 口的喉口寬度為1243. 2mmo由丁用FLUENT進行三維模擬比較復雜，模擬計算也相對較慢， 為了節(jié)省時間，需要適當?shù)膶δＰ瓦M行簡化。選擇物理模型是整個爐膛，爐膛部分僅考慮 燃燒器以及燃盡風口的布置，其他部分（如再熱器、過熱器、水冷壁等）均不畫入模型。 簡化之后設

41、計出來的模型不僅大大減少了計算量，而且基本符合模擬要求。2.3.2爐膛燃燒器及燃盡風口的分布此鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式。24只HTNR3燃燒器前后對沖分三層布置在爐膛前 后墻上，沿爐膛寬度方向熱負荷及煙氣溫度分布更均勻。燃燒器一次風噴口中心線的層 間距離為4957. 1mm,同層燃燒器之間的水平距離為3657. 6mm,上一次風噴口中心線距屏底 距離為27322.3mm,下一次風噴口屮心線距冷灰斗拐點距離為2397. 7mmo最外側燃燒器與 側墻距離為4223. 2mm,能夠避免側墻結渣及發(fā)生高溫腐蝕。燃燒器上部布置自燃盡風（0FA）風口，12只燃盡風風口分別布置在前后墻上。中間4 只燃盡風

42、風口距最上層一次風中心線距離為7004. 6mmo兩側靠前后墻2只燃盡風風口距最 13華北電力大*7：科技學院木科畢業(yè)設計（論文）上層一次風中心線距離為4272. 3mmo在HT-NR3燃燒器中，燃燒的空氣被分為三股，它們是：直流一次風、直流二次風和旋 流三次風。一次風由一次風機提供。一次風管內(nèi)靠近爐膛端部布置有一個錐形煤粉濃縮器。 燃燒器風箱為每個HT-NR3燃燒器提供二次風和三次風。每個燃燒器設有一個風量均衡擋板, 該擋板的調(diào)節(jié)桿穿過燃燒器面板，能夠在燃燒器和風箱外方便地對該擋板的位置進行調(diào)整。 三次風旋流裝置設計成可調(diào)節(jié)的型式，并設有執(zhí)行器，可實現(xiàn)程控調(diào)節(jié)。調(diào)整旋流裝置的 調(diào)節(jié)導軸即可調(diào)

43、節(jié)三次風的旋流強度。燃盡風風口包含兩股獨立的氣流：中央部位為非旋 轉的氣流，它直接穿透進入爐膛中心；外圈氣流是旋轉氣流，用于和靠近爐膛水冷壁的上 升煙氣進行混合。本文設計中，一次風攜帶煤粉以彌散相模型的形式進入爐膛內(nèi)部。對于 二次風可以再定義邊界條件是設置其入射速度、角度以及溫度等問題。至于三次風，由于 是旋流，而且?guī)缀文Ｐ徒r為了方便計算不考慮燃燒器的兒何模型，因此對三次風模擬 起來不是很方便，因此只能對三次風進行簡化，使其與二次風合并，一同從燃燒器入口進 入爐膛內(nèi)。2. 3. 3爐膛模型的網(wǎng)格化如圖2-1、2-2所示，由于整個爐膛結構稍顯復雜，上部有折焰角，下部有冷灰斗。因 此將爐膛劃分

44、為三個部分，分別是冷灰斗、爐膛主體、折焰角周圍部分。由于冷灰斗與折 焰角周恫部分不是燃燒主體區(qū)域，所以對這兩個部分網(wǎng)格劃分要求可以適當降低，一般用 默認的方式劃分即可，并且為了減少計算負擔可以將網(wǎng)格設置的稍微疏一些。對于爐膛主 體區(qū)域，分割后此區(qū)域為長方體，結構相對來說比較簡單，可以直接用八面體網(wǎng)格進行劃 分，但是需要注意因此部分為燃燒發(fā)生的區(qū)域，因此是重點研究對象，可以根據(jù)需要適當 的加大網(wǎng)格密度。由于燃燒器與燃盡風口是物質(zhì)的進口，所以可以的話需要對其進行更為 細致的網(wǎng)格劃分。山于時間問題，并且考慮到三維模擬計算的復雜性，故劉爐膛進行簡單 合理的網(wǎng)格劃分，總共劃分723619個網(wǎng)格。完成對爐

45、膛物理模型的網(wǎng)格劃分后，要設置燃燒器、燃盡風口、煙氣出口和冷灰斗出 口的邊界條件。24個燃燒器入口以及12個燃盡風口所在的面定義為速度入口，將煙氣出口 和冷灰斗出口定義為一般出口，其他面默認為壁面。華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）XGM/獷 3ver4URdT5陽 E> C kreo 08Operationr®-劄i翌iGeometryS uLlS 0| 恕IGlobal CoatrolActive fB 1 已 1 田 I ES I A 1TrontcrptComBnd> viMdov Mdlty hid*GPAFH1CS

46、 WIKDCW- LOWER LEF-? QUA DRAM r圖2J爐膛模型網(wǎng)格劃分三維視圖DescriptionXGAMWT_ iUXKT V6 100 kee E “ Edit Solv«r HI qOperation®養(yǎng)|鶴I砧ijCtometry尋|戶|日|目|總;|圖2-2爐膛模型網(wǎng)格劃分直觀圖華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）2.4數(shù)學模型及計算方法2.4.1數(shù)學及幾何模型本文數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計算，氣相湍流流動的模擬采用可實現(xiàn)的k吒模型，方程 組的通式為刪：div(pv0) = div(r V0)+ S©(1)式中:0為通用因變暈：甲為輸運系

47、數(shù)；S©為源項；p為氣流密度；v為速度矢量。采用非預混燃燒模型，用標準k£紊流模型模擬爐內(nèi)三維湍流運輸：爐內(nèi)采用P1輻射 模型計算輻射傳熱；采用混合分數(shù)概率密度函數(shù)(probability density function, PDF)法模 擬氣相燃燒模型：對煤粉揮發(fā)分的釋放采用了雙匹配速率模型：對固體顆粒相的求解則采 用隨機的顆粒軌道模型。本文為了提高計算穩(wěn)定性及加快收斂速度，在計算中對初始速度場的給定采用了一維 流動的處理方法，在PDF中編制了一個簡短的子程庠，根據(jù)質(zhì)量連續(xù),給出全場速度初值。 這樣的話，進口條件一開始就可按實際情況給出，既保證了計算的穩(wěn)定性，提高了計算的

48、 收斂速度，乂免去了人工為全場賦初值的工作，提高了程序的通用性。流場的計算受質(zhì)最 連續(xù)的限制，一般在迭代計算過程中，中間速度都不能很好地滿足連續(xù)性方程。若出口邊 界條件僅用導數(shù)為零的話，就會造成迭代過程中進入爐內(nèi)的質(zhì)量與流出的質(zhì)屋不相等，極 易引起迭代的發(fā)散，從而達不到預期結果。對出口邊界采用速度導數(shù)為零條件的同時，對 出口邊界進行了質(zhì)量連續(xù)性校正。此外，還對爐膛中若干橫截面進行了質(zhì)量連續(xù)校正，取 得了良好的收斂效果。2.4.2計算區(qū)域守恒方程采用控制容積法，對于離散方程組的斥力和速度采用SIMPLEC算法求解， 收斂標準各項均小106o為了簡化計算，選取爐膛下部的冷灰斗到爐膛上部的折焰角之

49、間的區(qū)域作為計算區(qū)域，采用非結構化的六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖24、圖2-2所示，共 劃分723619個網(wǎng)格。對三維爐膛的實踐表明，在用FLUENT軟件進行迭代計算的時候，選擇SIMPLEC算 法比SIMPLE算法收斂快得多，SIMPLEC松弛因子可取得更大，所以對氣相流場采用非錯 列網(wǎng)格的SIMPLEC方法來求解更合適。2. 5 FLUENT計算步驟1) 打開FLUENT軟件，導入GAMBIT軟件生成的網(wǎng)格文件。檢査網(wǎng)格，只要觀察 niiiiiniuiii volume保證此項必須大丁零，方可進行下一步，否則需重新用GAMBIT劃分網(wǎng)格。2) 對網(wǎng)格進行優(yōu)化處理，并調(diào)整計算單位。3) 定義求解

50、方法，打開能最方程，選擇標準k吒湍流模型，輻射采用P1輻射模型，燃燒 采用非預混燃燒模型并配合用彌散相模擬。在彌散相模型中可以設置燃燒器的進粉星和速 度等條件。4）定義材料和邊界條件類型，再此可以設置燃燒器進風的速度方向和進風的溫度等5）選擇計算方法，對數(shù)據(jù)進行初始化，選擇好模擬的監(jiān)視器，最后選擇迭代次數(shù)然后 開始迭代計算。計算收斂后即可停止計算。6）建立模型的觀察面，顯示模擬圖像。圖3-2中層燃燒器剖面速度場#華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）3爐膛內(nèi)燃燒過程模擬結果與分析3.1爐膛內(nèi)的流場3.1.1燃燒器橫剖面的速度場鍋爐爐膛每層分布8個燃燒器，三層燃燒器的橫剖而速度場的分布規(guī)律大體

51、上一致。 圖中燃燒器出口處速率最大，最大達到50m/s,越往爐膛中心方向速度逐漸降低，域低速 率范圍是0 in/s到3. 8m/so且由爐膛四周向中心速度也呈現(xiàn)降低的趨勢。?28e*015.89e*015.5W*O15 7心015 3teO1<9«e<014«te*014 21g*O1383e*O13.4W33 06e*012 30e*011 9le*011 53eOl1 15e*01 ?66e*00 3.8 如 00 D0te*00Contours of Velocity Magnitude (m/s)May 29. 2013FLUENT 6 3 (3d, p

52、bns, pdf20 ske)圖3-1上層燃燒器剖面速度場a autNT ra h7«Je<0l1 28e*01 6.8&e*0l 6.51e*0l6 l3e*01 5 74e*O1 5 36e*01 4 9501 4 60*01 4 2W*O1 3 «3e01 3 45e«O1 3 0te*01 2.6H2 30*01 1 91e*01 1 5 如 0 1 15e*017 66G*003 83e*00 00e*00Contours of Velocity Magnitude (m/s)May 29. 2013FLUENT 6.3 (3d. pbns

53、, pdf20. ske)圖3-2中層燃燒器剖面速度場15華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）圖3-2中層燃燒器剖面速度場#華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）7.66e*01 卩28©01 5 899*01 S 510*01 B 13©*01 5 74e*01 5 36©»01 IMe>01 4 6<toW1 4 2W<01 3 83b>01 330, 3O6g*O1 2 68e)1 2 3CteW1 19ie*oi 153e*01 1 15e*01 F66e*00 383e*OO OOOeOOContours of V

54、elocity Magnitude (m/$)May 29, 2013FLUENT S3 f3d一 obns odf?0 ski圖33卞層燃燒器剖面速度場3.1.2燃盡風口橫剖面的速度場觀察圖3-4、3-5,圖中可以清晰地看到各個燃盡風入口風速最大，達到35m/so上層燃 盡風II剖面爐膛中心風速為3. 8m/s到7. 6m/s,下層燃盡風11剖面爐膛中心風速為Om/s到 3.8m/so并且速度由燃盡風口向爐膛中心呈逐漸降低的趨勢，并且平面整體速度明顯低丁 燃燒器的出口。7 66e*0l 7?8e*0i 0 89q*01 0.51q*016 l3e*015 74e<01S36e*014

55、98014 00e*014 21e*013 83G*013 45e*O1 3O6e*O12 6fle*012 30e<011 910*011-53©*011 301 7««©*003 83eOO 0 0(te*00Contours of Velocity Magnitude (m/$)May 29. 2013FLUENT 6 3 (3d pbns. pdf20. ske)圖3-4上層燃盡風【I剖面速度場圖3-2中層燃燒器剖面速度場17華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）華北電力大學科技學院本科畢業(yè)設計（論文）7««g*01 7280*01 0.89g*01 6.51x36 13e*01 5 74e*O1 S36e*O1 4 969*01 4 60e*01 4 2le*01 3 83e*O1 345o01 3 06e*01 2.3012 30e*01 1 91e*01 1 530*01 1 15e*017 66g*003 83e*00 0 00e*00Contours of Vetocity Magnitude (m/s)Ma