1、炉膛仿真过程及其其中的问题一、 （Gambit）几何建模部分1.大体尺寸在本次设计中， （实际标高-5=图中的标高）锅炉的尺寸为：锅炉高度为 26890mm，宽度为 7570mm，深度为 7570mm。燃烧器的高度为 2.105m，最底层的燃烧器低端距冷灰斗距离为 2.1775m。采用四角切圆（顺时针切圆，假想切圆直径 0.8m）的均等配风燃烧方式。其中一次风2 层，二次风 3 层。由低到高燃烧器风口布置依次为二、一、二、一、二。燃烧器宽度为0.4m，一次风口高度 0.2405m，二次风口高度 0.352/0.315m，风口间距为0.21/0.12/0.155m。2.简化处理将水冷壁简化成一个
2、恒温平面；将燃烧器简化成一个平面，各次风口为平面中的一个矩形区域，作为速度入口；忽略屏式过热器，将折焰角上方与水平烟道相连结的平面作为出口（outflow） 。3.几何建模过程及网格划分为了方便锅炉的网格划分，我们将整个计算域划分为 5 个区域：冷灰斗下端至燃烧区域下端、燃烧区域、燃烧区上端至折焰角下端、折焰角区域、折焰角上端至炉膛出口。3.1 点线面的生成几何建模的方法通常可以是自下而上的，即先生成体的各个点（通过坐标确定位置） ；将生成的点依次连接成线；将线围成体的各个面；最后将面组合成一个实体。当然建模时也可以通过设置实体（面）的长宽高（长宽）直接生成。3.2 实体分割块的划分方法如下：
3、先产生一个面，并将该面平移至该实体要切割的位置，split volume 选卡中，split with选择 face（real） ，然后选中要切割的实体（对应 split volume 中的 volume）以及用来切割这个体的面（对应 face 栏） （注意：在切割时需要选中 Connected，保证切割产生的两个体之间的面是公共面，而不是两个重合的面。因为公共面可以通过物质和能量，而重合的面不加定义时是 wall） ，最后点击 APPLY 确定。根据这种方法，我们可以在 Z 方向将燃烧区分为很多层，方便以后设置一、二次风入口的边界条件。同时，在 xy 平面内燃烧区被分为 8 份，如图所示：3
4、.3 网格划分网格划分的最后记结果如图所示：这种网格的特点是：四个角的地方网格比较密，而中间网格比较稀疏。同时网格线的方向与流动合速度方向重合度比较高。这样的网格划分可以很好的抑制伪扩散的发生。这种网格的划分步骤如下：在将区域分块的基础上对实体按照线、面、体的顺序进行依次划分。Edge 的划分：为了形成这种对称的网格，我们需要对 edge 进行划分，如图所示：其中，soft link 采用 maintain 形式，Spacing 选用 Interval count（划分数目） 。在本设计中，将每条线均分为 30 份，即 ratio 为 1，interval count 为 30，其他保持不变。
5、 Face 的划分：由于前面对每条边进行了划分，所以对面的网格划分就只需要设置网格的形式和类型如图所示：其中，Elements 采用 Quad 形式， Type 采用 Map 形式（映射成结构化网格） 。此时不需要对 Spacing 进行设置了。Volume 的划分：对 volume 的划分，我们采用 Cooper（制桶）方式。采用这种划分方式时，有一点需要注意，就是上下两个 Face 的网格划分要完全一样，也就是说组成 Face的 Edge 的划分也要一样。如图所示：其中，Element 采用 Hex/Wedge 形式。Sources 表示需要选择制“桶”的上下两个面。Interval co
6、unt 表示两个面之间划分的数目。本设计中，根据风口和墙面的高度进行划分，每个网格高度在 0.1m 左右。最后依照上面的方法和步骤对燃烧区的每一层进行这样的网格划分。对于除了燃烧器区的其他区域的网格划分，要求就比较低一些了。对我们依旧采用COOPER 的方式对体进行划分。不过其他地方的 Sources 是沿 y 轴方向的两个面（燃烧器区域的 sources 是沿 z 方向的） 。最后的网格为：冷灰斗 30*30*30；燃烧器 30*30*8*（3+2+3+1+3+1+3+2+3） ；燃烧器上端至折焰角：50*50*66；折焰角：50*50*16；折焰角上方：40*50*40。最后网格数目大概在
7、 480000 个，其中燃烧器区域网格为 151200 个。3.4 交接面处的处理在划分计算域的时候会涉及到 interface 的设置。在燃烧区的上下两个端面，我们需要分别将这个面与其相重合的那个面设置成一对 interface。因为燃烧器区与相邻的两个实体并不是通过分割而来，是 3 个独立的实体，为了能让物质和能量通过该重合的面，需要通过设置 interface 来实现，如图所示：由于燃烧器区域上端的 xy 平面被划分为了 8 块，所以需要将这 8 个面一起设置为interface11，然后将与燃烧器区上端重合的面设置为 interface12。对于 interface21 和 22 的设
8、置和上述一样。4.边界条件设置在 gambit 中需要预先设置边界条件。将折焰角上方与水平烟道相连接的那个面设置为 outflow 边界条件。Interface 的设置上面已经说过了，下面我们进行一、二次风入口的设置。根据燃烧器的结构确定各次风口在模型中的位置，然后将边界条件的 Type 设置成 velocity_inlet（速度入口） 。名字格式为 ofa/pa/sa+两位数字，数字前一位表示在 xy 平面所处的象限，后一位表示自高向低同类型风口的层数。如图所示：二、Fluent 仿真过程0.网格导入、Interface 设置以及网格检查在完成 Gambit 中的工作后，需要将生成的.msh
9、 文件导入到 Fluent 中。0.1 网格导入、检查以及解法器设置在 General 中点击 Check 完成网格检查（网格检查中不能出现网格体积为负数的情况，否则会出错，需要重新进行稽核建模） 。点击 Report Quality 进行网格质量检查。在解法器中选择 Pressure-Based、Absolute、Steady 的情况。勾选 Gravity，建立重力场（z=-9.81m/s 2） ，设置如图所示：0.2Interface 设置点击 Mesh Interfaces 中的 Create。在 Interface Zone 1 中选择 interface11，在 Interface
10、Zone2 中点选 interface12，Mesh Interface 名称为 interface1，点击 Create 设置完成。按照同样的方法设置 interface2，如图所示：1.燃料及边界条件参数确定1.1 燃料特性及风煤计算1.1.1 燃料计算工况 符号 单位 3#T-01 7#T-01 8#T-01 适用标准全水分 Mt % 9.1 8.7 8.2 GB/T211-2007空气干燥基水分 Mad % 2.53 1.82 2.17收到基灰分 Aar % 27.87 33.22 36.39干燥无灰基挥发分 Vdaf % 41.01 44.00 39.92GB/T212-2008收到
11、基碳 Car % 51.36 47.50 45.49收到基氢 Har % 3.49 3.43 3.09收到基氮 Nar % 0.82 0.76 0.72收到基氧 Oar % 6.67 6.17 5.86DL/T568-1995全硫 St,ar % 0.69 0.22 0.25 GB/T214-2007收到基高位发热量 Qgr,v,ar MJ/kg 20.48 19.18 18.19收到基低位发热量 Qnet,v,ar MJ/kg 19.55 18.27 17.36 GB/T 213-2008根据表格，我们将元素分析数据转换成干燥无灰基的挥发分的元素组成。由于干燥无灰基无水、无灰，故剩下的成分不
12、受水分和灰分的影响，是表示碳、氢、氧、氮、硫成分百分函数最稳定额基准，所以通常选择转换为干燥无灰基来计算。各种煤不同分析基之间的换算公式为 =0其中，X 0，X 分别为某成分原基准与新基准的质量百分数，%；K 为换算系数。收到基与干燥无灰基之间的换算系数为= 100100利用上述公式将煤的收到基转换为干燥无灰基的元素组成，如下表所示，这些数据也是 Fluent 中计算 PDF 元素分数所需要的。PDF 中元素分析元素分数元素 C H O N元素组成 0.820971 0.055766 0.105757 0.017506PDF 中工业分析分析组分组分 V FC A M组分分数 0.2212 0.
13、3329 0.3639 0.0821.1.2 风煤计算锅炉实际燃煤量 t/h 26.015 设计值一次风流速 m/s 24.3 设计值一次风份额 % 28.28 设计值一次风温 K 303温风份额 % 64.09 设计值二次风温 K 600一次风口面积 m2 4*0.1924二次风口面积 m2 4*0.4075注：由于不知道乏气送粉的位置，将乏气份额归并到二次风中，即二次风份额为 71.72%。根据克拉伯龙方程 和表格数据可知：=标况下一次风速 10=21.894；再根据一、二次风的份额和面积可以得到：二次风速 20=10二、一次 风 份 额 之比 一、二次 风 口面 积 之比 =26.216
14、；根据克拉伯龙方程可知：实际二次风速 2=57.62；根据煤量，可以知道每个一次风口煤的质量流量： =26000360042=0.903根据切圆直径和炉膛尺寸可以知道风煤的入口方向：夹角 =40.55；cos=0.76；sin=0.65.1.2 边界条件设置现以一次风 pa11 为例，介绍对流场数据的设置。在 Fluent 中 Boundary Conditions 菜单下找到 pa11 项目，如图所示。然后这个风口进行设置。点击 Edit 进入设置页面，如图所示。在 Velocity Specification Method 选项中选择 Magnitude and Direction（速度大
15、小和方向） ；在 Velocity Magnitude 中填入 24.3m/s；在 Coordinate System 中选择 Cartesian（X,Y,Z）笛卡尔直角坐标系，然后在下面依次填入流体流动的方向（X 轴为 -sin40.55，Y 轴为-cos40.55 ） 。在第一象限的风口方向为（-sin40.55， -cos40.55） ；在第二象限的为（cos40.55，-sin40.55） ；第三象限的为（sin40.55 ，cos40.55 ） ；第四象限的为（-cos40.55，sin40.55） 。在设置湍流参数时，我们选用 Intensity and Hydraulic Dia
16、meter（湍流强度和水力直径）方式。湍流强度 I 我们设置成 10%，为强湍流状态，水力直径 D 的设置根据公式设置成 0.3m（二次风口的水力直径为 0.374m/0.352m） 。=4在 Species 选卡中将 Mean Mixture Fraction 设置为 0（氧化剂入口） ，Mixture Fraction Variance 设置为 0，如图所示。在 DPM 选卡中将 DP BC Type 设置成 reflect（反射）其他设置保持不变。依照上面的方法，可以完成对 PA 和 SA 流场参数设置。2.与流动和燃烧相关的模型设置在 Fluent 中我们打开 Models 选项。在中
17、意菜单中，我们可以设置包括流动、传热、燃烧等方面的模型。2.1.气相流动模型本文采用标准 k-e 双方程湍流流动模型，同时采用标准壁面函数处理近壁面的流动问题，其中的流动参数保持默认参数。其设置如下：2.2 气相湍流燃烧模型模拟气相湍流燃烧过程的关键在于如何模化湍流燃烧反应率。针对扩撒火焰的模型有k-g 模型，混合数-概率密度函数模型。为了减少计算量，采用但混合数 PDF 模型。对于煤粉燃烧，我们在 Models-Species中选用 Non-Premixed Combustion（非预混燃烧）模型，然后再弹出的菜单中进行相关的参数设置，如图所示。在 PDF Table Creation 栏目
18、中点击 Chemistry 选卡。在 State Relation 中选择Equilibrium（化学平衡法） ， Energy Treatment 中选择 Non-Adiabatic（非绝热）形式，Stream Options 选择 Empirical Fuel Stream（经验燃料流） 。点击 Coal Calculator 会弹出对燃料特性进行设置的对话框，根据燃料特性表的中数据，可以设置完燃料工业分析和元素分析的参数。其中物料的名称为 coal-particle，HCV 为1.819e+07j/kg，其他的保持默认数值，点击 Apply 和 OK 确认，我们可以看到 Model Se
19、ttings 中的数据发生了相应的变化。如图所示。点击 Boundary 选卡将燃料温度设置为 303K，氧化剂的温度设置为 600K。点击 Table 选卡中的 Calculate PDF Table 进行燃烧的计算。计算完成后，我们可以点击 Display PDF Table 查看关于煤粉燃烧的数据，如图所示。计算结果显示燃烧形成的成分有 20 种，点击 Control 选卡可以查看成分名称，如图所示。设置完成后点击 Apply 和 OK。同时我们可以看出 Models 中的 Species 变成了 Non-Premixed Combustion 模型。2.3 煤粉燃烧模型煤粉燃烧可分为煤
20、粉预热、挥发分析出和燃烧过程、焦炭燃烧等过程。在本设计中，挥发分析出模型采用单速率析出模型，焦炭燃烧模型选用扩散-动力控制模型。在 Fluent 中首先需要对煤粉颗粒的喷射进行相关的设置。在 Models 菜单中点击 Discrete Phase，弹出对话框，如图所示。在 Interaction 中勾选 Interaction with Continuous Phase（对连续相的影响，但是在仿真时候需要先建立无颗粒相的流场，即在仿真开始时不勾该选项） 。在 Trackking 选项中，Max. Number of Steps 设置为 3000，勾选 Specify Length Scale，
21、其中， Length Scale 设置为 0.01m；在 Physical Models 选项和 Numerics 选项中的参数和选项均为默认设置。为了让煤粉能够喷射入炉膛，我们需要进行对颗粒相的设置，点击 Discrete Phase Model 中的 Injections 弹出对话框，如图所示。点击 Create 对煤粉颗粒进行参数设置。以某一次风口进入的煤粉为例，如图所示。在 Injection Type 中选择 surface，然后在 Release From Surface 中选择相应的煤粉喷射地点。在 Particle Type 中勾选 Combusting（燃烧） 。在设置 Di
22、ameter Distribution 时，可以选择 uniform（均匀）形式，当然最好选择rosin-rammler 形式。在 Point Properties 中设置好速度方向（与空气速度矢量一致） 、颗粒直径（1e-06m） 、颗粒温度（303K） 、质量流量（ 0.903kg/s）等参数；在 Turbulent Dispersion 中的 Stochastic Tracking 选择 Discrete Random Walk Model（随机轨道模型） ，如图所示。依照上述方法对其他的煤粉喷射源进行参数和模型的设置选择。煤粉喷射设置完后可以发现 Models-Materials 选卡
23、中多了 Combusting Particle（coal-particle）一项。接下来我们对这个成分进行相关设置，如图所示。在弹出的对话框中的 Properties 中设置 Devolatilization Model（挥发分析出模型）为single-rate（单速率） ；同时设置 Combustion Model（焦炭燃烧模型）为 kinetic/diffusion-limited（扩散-动力控制） ；对于该颗粒相的其他物性参数保持默认参数。2.3 辐射传热模型炉内的能量主要通过辐射的形式进行传递。Fluent 软件提供了多种辐射模型，在本设计中，我们选用 P1 模型，如图所示。在 Mod
24、el 中点选 P1 即可。P1 模型考虑了辐射散射作用，更适用于光学厚度较厚以及几何结构复杂的燃烧设备。但是该模型也有缺点，包括对来自内部热源的辐射热通量有过高估计的趋势等。在选用 P1 模型后，Models 中 Energy 选卡自动开启。2.4 边界条件的设置在 Boundary Conditions 中设置 Supersonic/Initial Gauge Pressure 为 0pascal；一次风入口温度为 303K；二次风入口温度为 600K；DP BC Type 为 reflect。墙壁为固定无滑移壁面；热力条件为很稳壁面 600K，内部发射率为 1，壁厚及生热率均为 0；壁面材
25、料为 Al（铝） ；DPM 边界条件数类型 BC Type 为 reflect。其他保持默认设置。出口边界条件设置为 outflow，保持默认设置。3 求解过程（Solution）3.1Solution Methods点选 Solution-Solution Methods。压力-速度耦合采用 SIMPLE 格式；空间离散方法中，梯度采用格林-高斯单元法（Green-Gauss Cell Based） ；压力采用 Standard 方法；其他均采用二阶迎风格式（Second Order Upwind） 。3.2Solution Initialization初始化方法采用 Standard In
26、itialization 方法；初始温度为 600K；其他保持默认参数和设置，点击 Initialize 完成初始化，如图所示：3.3 求解在求解时，需要先建立连续相的流场，然后再加入颗粒相耦合修正流场，即在开始时Models-Discrete Phase 中不勾选 Interaction with Continuous Phase，迭代 100 步先建立连续相流场；迭代完成后，勾选 Interaction with Continuous Phase，其他保持默认设置，然后进行迭代，如图所示：三、仿真结果中出现的问题在迭代步数为 2670 步基础上的仿真结果1.炉膛内切圆直径与假想切圆直径相差
27、不大，说明有可能迭代步数不够，如图所示：2.在燃烧器上端至出口的区域内，温度变化不大，所散点图所示：3.现场测试数据显示乙侧温度都高于甲侧温度，根据经验表明是顺时针切圆；但在仿真中采用顺时针切圆，结果却是乙侧温度低于甲侧温度，标高 24.2m 处温度情况如图所示：标高 27.5m 处温度情况如图所示：4.各标高所在平面温度等值图4.1 下二次风4.2 下一次风4.3 中二次风4.4 上一次风4.5 上二次风4.6 标高 24.2 处温度X=-1.685 处Y 坐标（m ） 温度（K）-3.785 600-3.6336 1449.03-3.4822 1511.38-3.3308 1522.37-
28、3.1794 1530.99-3.028 1538.02-2.8766 1543.94-2.7252 1549-2.5738 1553.35-2.4224 1557.08-2.271 1560.24-2.1196 1562.91-1.9682 1565.17-1.8168 1567.08-1.6654 1568.69-1.514 1570.07-1.3626 1571.25-1.2112 1572.24-1.0598 1573.07-0.9084 1573.77-0.757 1574.35-0.6056 1574.83-0.4542 1575.22-0.3028 1575.52-0.1514
29、1575.75-7.35393e-18 1575.910.1514 15760.3028 1576.020.4542 1575.960.6056 1575.780.757 1575.470.9084 1575.041.0598 1574.441.2112 1573.631.3626 1572.611.514 1571.331.6654 1569.761.8168 1567.851.9682 1565.542.1196 1562.782.271 1559.532.4224 1555.752.5738 1551.372.7252 1546.332.8766 1540.573.028 1533.933.1794 1526.223.3308 1517.183.4822 1506.053.6336 1449.113.785 6004.6 标高 27.5 处温度
