燃烧学 第3版 PPT课件 第9章 燃烧科学技术发展中的几个科学问题.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 9.6.3 化学链燃烧系统与其他系统耦合 化学链燃烧燃气轮机循环示意图 CLC 联合中间化学冷却燃气轮机循环系统示意图 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * cμ c1 c2 σK σε 0.09 1.44 1.92 1.0 1.3 其中 K-ε模型中的系数 (2)、基本算法 燃烧过程的控制方程组通常用SIMPLE算法进行求解，对复杂形状的计算区域用“区域扩充法”进行处理，固体壁面上的边界条件用高Re数模型的“壁面函数法”。 (3)、网格剖分 对一个300MW煤粉锅炉的炉膛进行数值模拟，整个网格体系使用交错的非均分网格。 计算区域与网格剖分示意图 (4)、边界条件 1）壁面条件 用高Re数的壁面函数法，将第一个内节点布置到旺盛湍流区，假设其速度分布为对数分布，计算出当量壁面扩散系数?t。? 2）进口条件 3）出口条件 为防止出口截面出现回流区引起发散，使用“出口流速提升法”来设定速度场的出口条件，而其它物理量如温度等使用“充分发展条件”。 (5)、燃烧过程的数学模型和控制方程 1）气体组分的化学反应模型 气体的组分可划分为：O2、N2、可燃物(FUEL)和CO2 4种成分。 气体组分的化学反应的模型就是要确定K-ε方程中通用变量?为组分f和温度T时的普通源项Sf和ST。? 气体的燃烧模型 有限燃烧速率模型 极大燃烧速率模型 PDF 涡旋破碎模型(EBU) 时均Arrhenius模型 EBU模型：本质是体现湍流混合的微观输运作用对湍流燃烧速率的影响，但与温度和化学反应动力学参数无关。 时均Arrhenius模型：可以很好的考虑煤种和燃烧温度对燃烧速率的影响，却不能体现湍流混合的作用。 故采用EBU-Arrhenius混合模型 ST= wFUELQFUEL ， wFUEL—燃料的消耗速度。 ? , ? —反应指数，?/?为氧气与燃料的化学当量比 fFUEL—燃料的摩尔分数。 fO2 —氧气的摩尔分数。 SFUEL—燃料的普通源项。 SO2 —氧气的普通源项。 ST —温度的普通源项。 2）煤粉颗粒的运动和化学反应模型 半随机轨道模型：在进行两相流动模拟时选用加入湍流扩散修正的固定轨道模型。 半随机轨道模型颗粒运动方程在拉格朗日坐标系下给出。 ? 为正态分布的随机数，在涡旋生成期?1内? 值保持不变，当该涡消失后(或者颗粒穿越了该涡后)，? 变化为一新值。 脉动速度 假设湍流各向同性，则有： 运动方程用四级四阶的标准Runge-Kutta法求解 颗粒的运动速度 颗粒的运动轨迹 积分 挥发分析出速率和固定碳燃烧速率 可以得到连续方程的颗粒源项和温度方程的颗粒源项 V0—颗粒中初始的挥发份含量。V—颗粒中当前的挥发份含量。 Kv, Ev—颗粒中挥发份析出的频率因子和活化能。 KC, EC—颗粒中固定碳燃烧反应的频率因子和活化能。 —颗粒中固定碳燃烧反应的速度。 ? —氧气与固定碳的化学当量比。 CC—颗粒当前的固定碳含量。 CO2 —颗粒所处位置的氧气含量度。 SFUEL,p—燃料的颗粒源项。 SO2,p —氧气的颗粒源项。 SCO2,p —CO2的颗粒源项。 式中： 3）辐射传热的模型 辐射传热的模拟方法由热流法、区域法、Monte-Caelo法和离散传播法等。 1）用SIMPLE算法求解K-ε方程和气相方程组，达到粗收敛； 2）求解颗粒的运动轨迹、挥发分析出和固定碳燃烧，求出各颗粒源项； 3）求解整个计算区域内辐射传热过程的温度源项； 4）返回到1，反复进行气相场、颗粒相和辐射传热之间的耦合，直到收敛。 4）燃烧过程的求解流程 (6)、数值模拟工况安排 燃烧器喷口风速及风温为：一次风风温90℃，风速19.5m/s，二次风风温360℃，二次风Ⅰ风速29.8 m/s，二次风Ⅱ风速35.6 m/s。工况1和工况2的主要差异是各燃烧器出口气流的旋转方向不同。 工况1 工况2 9.4.2 数值模拟的结果 (1)、流场图谱 工况1 工况2 右图为第一列燃烧器平面x方向流场图谱。 从图中可以看出，工况1和工况2第一列燃烧器平面x方向流场图谱存在差异，工况1在炉膛出口的速度分布大致是“两边低，中间高”的形状，而工况2则在两边和中间共出现3个速度的峰值，速度分布的均匀性稍好。 右图展现了工况2?前墙y方向流场图谱的三维放大图样。图中清晰地显示了前墙燃烧器喷口的喷射状况。工况1的射流旋转方向驱动整个前墙的流体向上流动，而