（热能工程专业论文）水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究.pdf

大连理工人学专业学位硕十学位论文 摘要 能源是重要的战略资源，是保障经济社会持续快速健康发展的物质基础。随着世界 能源资源的紧缺，环境污染的加重，节能减排已经成为世界经济和社会发展的重大任务。 水煤浆作为一种新型煤基流体洁净环保燃料，既保留了煤的燃烧特性，又具备类似重油的 液态燃烧应用特点，是目前我国一项现实的洁净煤技术。水煤浆作为节约和替代石油以 及洁净煤利用的示范与推广技术，对于发挥中国煤炭资源优势，既符合国情要求，又可保 证能源安全，具有现实和长远意义。 本文首先通过f l u e n t 软件对水煤浆的流变特性进行了数值模拟研究，通过在不 同管径及不同流速条件下对管道内水煤浆流动的模拟，印证了水煤浆的非牛顿流体特 性，同时分析计算了水煤浆管道的阻力损失。 然后，本文介绍了水煤浆的燃烧机理和燃烧技术，对水煤浆的着火和雾化技术进行 了研究，并研究分析了水煤浆锅炉和水煤浆锅炉设备。 本文最后通过分析比较燃煤锅炉、燃油锅炉和水煤浆锅炉的初期投资费用和供暖运 行费用，得出水煤浆锅炉供暖要比其它几种供暖方式运行经济，对水煤浆锅炉供暖的研 究提供了依据和指导。 关键词：水煤浆；数值模拟；f l u e n t ；水煤浆锅炉 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究 f l o wsi m u l a t i o no fc w m a n dr e s e a r c ho na p p l i c a t i o no fc w mb o i l e r a b s tr a c t e n e r g yi sa f ti m p o r t a n ts t r a t e g i cr e s o u r c e s ，i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb a s i cm a t e r i a lt o s o c i e t y a l o n gw i t hs c a r c i t yo fe n e r g yr e s o u r c e s ，a g g r a v a t i o no fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ， e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r eb e c o m i n gs i g n i f i c a n td u t yt os o o e t y a n dt h ew h o l ew o r l d c o a l w a t e r - m i x t u r e ( c w m ) i san e wk i i l do fp u r ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nf u e l ，i tr e t a i n st h ec o a lc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，a n dh a st h es i m i l a rc o m b u s t i o n a p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca so i l ，i ti sa ni t e mo fr e a l i s t i cc l e a n e rc o a lt e c h n o l o g yf o rc h i n a a s b e i n ge n e r g ys a v i n ga n dp e t r o l e u ms u b s t i t u t i o nt e c h n o l o g y , c w mn o to n l yc a nm e e tt h e n a t i o n a lc o n d i t i o nr e q u i r e m e n t ，b u ta l s om a ya s s u r et h ee n e r g ys e c u r i t y , i th a sr e a l i s t i ca n d l o n g - t e r ms i g n i f i c a n c et oc h i n a t h i sp a p e rs t a r t sw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho nc h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i co fc w m t h r o u g ht h ef l u e n ts o f t w a r e i tb e a r so u tt h a tc w m h a sn o n n e w t o n i a nf l u i dc h a r a c t e r i s t i c t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h e so nd i f f e r e n td i a m e t e ra n dd i f f e r e n ts p e e do ff l o wr a t e ， s i m u l t a n e o u s l y , c w mp i p e l i n e sr e s i s t a n c el o s si sa n a l y z e di nt h i sp a p e r t h e n , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb u r n i n gm e c h a n i s ma n dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fc w m c a t c h i n gf i r ea n da t o m i z a t i o nt e c h n o l o g ya sw e l la sc w m b o i l e ra n dc w mb o i l e re q u i p m e n t i sa l s ob e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e r f i n a l l y ，t h r o u g ht h ea n a l y s i sc o m p a r i s o no fi m t i a li n v e s t m e n te x p e n s ea n dt h eh e a t i n g o p e r a t i n gc o s ta m o n gc o a l - f i r e db o i l e r ，o i l - f i r e db o i l e ra n dc w mb o i l e r , i ti sc o n c l u d et h a t c w mb o i l e ri sm u c hm o r ee c o n o m i ci nh e a t i n gs u p p l yc o m p a r e dt os e v e r a lo t h e rk i n d so f w a y s t h i sr e s e a r c hh a sp r o v i d e db a s i sa n dt h ei n s t r u c t i o nt oh e a t i n gs u p p l yo fc w m b o i l e r k e yw o r d s ：c o a l w a t e r - m i x t u r e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l u e n t ；c w mb o i l e r i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 整选盗i 基递盔鱼丝超堑盟盗茎匿兰圭丝豳銎! 砬 作者签名一 衅：日期：哔年丘月型l 日 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工人学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1课题的背景和意义 1 1 1能源问题 能源是重要的战略资源，是保障经济社会持续快速健康发展的物质基础。随着世界 能源资源的紧缺，环境污染的加重，节能减排已经成为世界经济和社会发展的重大任务。 党中央、国务院十分重视节能减排工作，国家“十一五 规划纲要明确提出，将“节约 资源”与“保护环境”这两个约束性指标作为基本国策。 我国能源结构以煤炭为主，煤炭资源蕴藏量丰富，煤炭占全国一次能源消耗的7 0 左右，按中国工程院预测，蔓j 2 0 2 0 年，煤炭将占一次能源消耗的6 0 ，2 0 5 0 年，煤炭仍将 占一次能源消耗的5 0 以上。与此同时，我国石油、天然气资源相对短缺，我国自1 9 9 3 年成为石油净进口国，每年净进口石油7 0 0 0 万吨，产需缺口不断增大。而在未来的1 0 2 0 年，我国经济仍将高速发展，石油需求将呈现强劲增长趋势，供需将继续增加，据预测， 至1 j 2 0 2 0 年左右，石油缺口将超过消费总量的5 0 ，因此煤炭是我国必须长期依赖的主要 能源。就世界能源而言，若按目前的生产水平，煤炭、天然气、石油的可供开采年限分 别为2 0 0 年、6 5 年、4 5 年，据此新华社发文认为煤炭是人类赖以生存的主要能源【l 】。 煤炭内含有较多的灰分、硫分，燃烧利用后会排放出大量飘尘、阻、n o x 等，产 生大气污染及严重的环境问题。因此，寻求一种新型的煤基洁净燃料，同时作为代油燃 料，替代我国大量的燃油锅炉每年消耗的几千万吨燃料油，确保我国能源供应的稳定和 社会经济的可持续发展，是当务之急的重大课题。 1 1 2 水煤浆的定义及特点 水煤浆( c o a l w a t e rm i x t u r e ，简称c w m ) 是一种新型煤基流体洁净环保燃料，既保留 了煤的燃烧特性，又具备类似重油的液态燃烧应用特点，是目前我国一项现实的洁净煤技 术。水煤浆作为节约和替代石油以及洁净煤利用的示范与推广技术，对于发挥中国煤炭资 源优势，既符合国情要求，又可保证能源安全，具有现实和长远意义【2 1 。 所谓水煤浆是对原煤经过洗选、筛分及磨碎，加水( 约为3 0 一- - 3 5 ) 和少量添加剂 ( 1 左右) ，经强力充分搅拌而制成的煤水两相流浆体。水煤浆的热值一般为4 3 0 0 4 7 0 0 大卡( 煤质不同发热值也不尽相同) ，即每使用2 1 - 2 3 吨水煤浆即可替换1 吨重 油，而重油的价格是水煤浆的4 倍以上，因此用水煤浆替代重油具有很高的经济效益。 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应i j 研究 水煤浆具有一定的稳定性( 半年以上不沉淀、不分层) 和流动性( 存放时粘度很大， 而流动时粘度小于1 0 0 0 厘泊) ，可以像重油一样方便地进行泵送、管输、船载、车送 和雾化燃烧。 作为煤水混合物的水煤浆，浓度较小时，一般为牛顿流体，而浓度较大时为非牛顿 流体，特别是添加剂的加入，改变了煤表面的物化性质，使得煤粉和水紧密结合，形成 网状结构，成为均一体，表现为非牛顿流体的性质。对于水煤浆这类非牛顿流体在直管 道内的流动过程，本文将采用f l u e n t 软件进行模拟研究水煤浆的流动性。 从燃烧的操作过程与操作习惯来说，水煤浆的燃烧过程与重油的燃烧过程非常类 似，我国的烧结厂长期使用重油点火，技术人员、特别时岗位操作人员有很丰富的实际 经验，点火燃料改为水煤浆后，操作人员容易适应。 水煤浆可以在常规室燃炉中燃烧，简单说来，水煤浆不过是煤粉中掺进了水分，使 原煤的原有热值降低了，但因原煤发热值高，即使掺水后，其热值足可以维持炉内稳 定燃烧，但水煤浆又不同于高水分褐煤，褐煤的水分经制粉系统处理后排入乏气中，或 呈汽态进入炉瞠，水分对燃烧影响相对较小。由于含有3 0 以上的水分，在着火前必 然有一个蒸发过程，使煤浆的着火热因此而加大，其加大值大约是同类煤种的6 6 一 8 7 。 水煤浆液滴( 或称颗粒团) 在加热和挥发份析出过程中，二次分离破碎和结团现象、 同时存在，结团形成的焦炭颗粒明显大于粉炉焦炭粒子，因而更难燃烧。 水煤浆含灰量低，有利于环境保护。应当指出，目前我国配制水煤浆一般都采用经 过洗选的优质煤，含灰量、含水量均低，燃烧特性较好，以便能尽快解决油炉烧水煤 浆的课题。 1 1 3 水煤浆锅炉的优点 水煤浆锅炉就是使用水煤浆作为燃料进行燃烧的锅炉，这种锅炉由于其须适应水煤 浆燃烧的要求，因此在诸多方面有不同于其它锅炉的特点。与其他锅炉相比，水煤浆锅炉 能产生更多的效益，具有自身的优点。 ( 1 ) 代油效益 工业锅炉燃用低灰分高浓度水煤浆，热值一般在1 8 8 2 - - 2 0 9 1 m j k g ，根据示范工程 锅炉燃用提供的数据，为1 8 , - - 2 i t ，水煤浆可替代油i t 燃料油。当油煤比价为2 3 ：l 时，以水煤浆代油就会有明显的经济效益。 ( 2 ) 节能效益 火连理工大学专业学位硕+ 学位论文 由于制备水煤浆的煤灰分低，粒度细、燃烧充分、完全，燃烧效率一般能在9 5 以 上，水煤浆与煤的层燃方式相比，可以大幅度提高燃烧效率，通常可以提高效率1 5 左 右；而与煤粉的喷吹燃烧相比，则可以大幅度减少车间噪声及粉尘污染，同时也可以降 低粉煤制备及储运过程中的机械不完全燃烧热损失，而且还可以节约风扇磨的磨煤电 耗。 ( 3 ) 环境效益 水煤浆是一种清洁燃料。水煤浆在加工过程中的净化处理，可除去原煤中5 0 - 7 5 的灰分，除去原煤中4 0 - 9 0 的黄铁矿。对于无机硫，可在制浆过程中掺入石灰乳，在燃烧 过程中有效脱硫，因为石灰石微粒均匀分散在浆液中，当水煤浆雾状喷入炉内燃烧时，水分 受热蒸发，分散在水中的石灰石析出附着在煤粒的表面，煤粒燃烧时，煤中的有机硫容易与 石灰石接触，化合生成固态的c a s 而排入炉底渣斗，这样减少了烟气中s 0 2 的含量，除硫效 率可达5 0 - - 8 0 。 由于水煤浆含有约3 0 的水分，燃烧时因水分吸热而使炉内燃烧温度比煤粉炉低1 5 0 左右，比燃油锅炉低2 0 0 。c 左右，可实现低n q 燃烧。另外，蒸汽在燃浇过程中有还原作 用，会使q 还原为。可见，水煤浆和原煤、重油相比较，是一种清洁燃料，具有很好的 环境效益。 ( 4 ) 综合利用效益 一般煤粉炉燃用的煤，灰分大约在3 0 左右，需要占用大量的灰场，且由于粉煤灰综 合利用受技术方面的限制，致使灰场二次扬尘，对大气造成二次污染。而水煤浆中的灰分 只有不到1 0 ，致使除尘、出灰、和排灰量均将下降7 5 。灰分的下降使锅炉受热面的 磨损减轻，使锅炉受热面的寿命延长，节省了燃煤电厂用于磨损的检修维护费用。 水煤浆技术应用于处理水分大，灰分高又粘又稠的煤泥也很有效益。用灰分大于 3 5 的浮选尾煤，制备中高灰分、中低浓度( 浓度为5 0 - - - 6 0 左右) 的煤泥水煤浆，通 过泵送入锅炉内，同样可以良好燃烧。浮选尾煤的有效利用燃烧，变废为宝，解决了煤 泥大量积压，同时还可以改善煤矿的产品结构，提高企业的经济效益。 1 1 4 国内外水煤浆锅炉发展现状 水煤浆锅炉的发展从某种意义上来讲就是各式锅炉改造成水煤浆锅炉的过程以及 水煤浆技术的发展过程。在国外，水煤浆技术在电站锅炉的应用受到普遍重视。美国等 西方国家l o 多年来亦从不问断地进行水煤浆燃烧的研究工作，并作为一种技术储备。 日本、瑞典、意大利、前苏联等国家建立数个水煤浆力n - r - 厂，部分锅炉经过改造后 惆继改烧水煤浆，并已进入商业应用阶段。在美国，电力研究所对1 8 家电力公司的4 2 台 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究 大、中型锅炉进行改烧水煤浆为期一年的现场验证性试验，对7 台代表性锅炉进行了专 门性研究；卡罗来纳州琵齐岛库哈特发电厂在7 5m w 发电机组的锅炉上用容量为7 0 6 2 g j h 的燃烧器进行试烧；波士顿电站在1 2 0 m w 发电机组的锅炉上把2 4 个燃烧器中的 两个改烧水煤浆，每支燃烧器容量为2 t h ，共烧5 0 0 t ，累计运行3 天；苏厄德发电站在 1 4 7 m w 发电机组的锅炉上将煤泥水煤浆与煤粉混合燃烧。在瑞典，s y d k a f l 电站的5 0 m w 发电机组的锅炉上改烧水煤浆，每支燃烧器容量为3 t h ，蒸汽雾化喷嘴试烧了5 0 t 煤浆。 在日本的东京电力勿来发电站，两台容量分别为7 5 m w 和6 0 0 m w 的锅炉改烧水煤浆。 在加拿大的c h a r l o t t e - t o w n 电站两台2 0m w 锅炉试烧水煤浆，其中一台是前墙燃烧器， 另一台是四角燃烧器，燃烧器喷嘴每支2 t h 煤浆，空气预热至2 1 6 ，共烧6 0 0 0 t 水煤浆， 运行约2 0 0 0h 。在俄罗斯，新西伯利亚电厂6 台水煤浆锅炉采用四角燃烧器，每支 8 t h ，1 9 8 9 年正式投产，成为一示范工程。在法国，爱米丽于歇电厂的l1 5m w 发电机 组的锅炉试烧煤泥水煤浆成功【3 5 1 。 我国于2 0 世纪8 0 年代初开始水煤浆的研发工作，并于1 9 8 3 年5 在浙江大学试验 台架上首次实现水煤浆稳定燃烧。经过近2 0 年的摸索和发展我国的水煤浆产业已取得 了长足的进步，对各式锅炉的改烧水煤浆都进行了试验，包括工业锅炉( 1 - 6 0 t h ) 、电站 锅炉( 2 3 0 t h ) 等多种燃用水煤浆技术的工程试验和建设。我国现已成为世界上水煤浆炉 型最多的国家，其中在电站锅炉上燃用的水煤浆占全国水煤浆生产量的约9 0 。全国目 前共有山东白杨河电厂、广东茂名热电厂、北京燕山石化第三热电站、广东汕头万丰热 电厂、广东南海发电一厂等5 家企业在电站锅炉上燃用水煤浆。汕头万丰热电厂2 号 炉是燃油设计锅炉直接改烧水煤浆的，是我国首台真正意义上按燃油设计锅炉改烧水煤 浆的锅炉。茂名热电厂按燃油设计的3 号和4 号炉( 4 l o t h ) 也已改烧水煤浆成功，并带 1 0 0 负荷。2 0 0 5 年1 0 月广东南海发电一厂配2 0 0 m w 机组的6 7 0 t h 水煤浆专用锅炉 投运成功，这是国际上首台最大的水煤浆专用锅炉。目前，水煤浆在工业锅炉上应用较好， 应用面较宽的是在山东省和三大油田，如在山东省枣庄、新纹、青岛等地约3 0 台各种 工业锅炉使用水煤浆，胜利油田也有2 0 余台锅炉在使用。 1 2 本文课题研究内容 我国是石油资源相对短缺的国家，以煤代油是国家的一项基本能源政策。水煤浆技 术是现阶段适宜的代油、环保、节能技术。发展水煤浆技术，用煤制取清洁燃料，以煤 代油，不仅符合国家能源产业政策，更是我国能源长期稳定发展的战略选择和现实选择。 本文主要的研究工作包括： 大连理丁人学专业学位硕士学位论文 ( 1 ) 通过f l u e n t 流体力学通用模拟软件对水煤浆在水平直管内的流动过程进行模 拟分析，考虑不同流速条件下和不同管径条件下水煤浆流动的速度分布及表观黏度分布 等情况，分析计算了水煤浆的管道阻力损失； ( 2 ) 研究了水煤浆燃烧特性的基本理论和水煤浆锅炉设备相关知识； ( 3 ) 分别对水煤浆锅炉与燃油锅炉、燃煤锅炉的供暖经济性进行了比较分析，得出一 定的结论。 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究 2 水煤浆流变特性数值模拟研究 2 1f l u e n t 数值模拟介绍n 卅 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是近年来的- - n 热门的学科，它最早 于2 0 世纪7 0 年代诞生在美国，但真正得到较广泛的应用是在近几年。它是建立在经典 流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，它与计算机技术的发展密切 相关。随着c f d 学科的发展，c f d 商业软件应运而生。c f d 软件现已成为解决各种流 体流动与传热问题的强有力工具，成功应用于水利、航天、船舶、环境、食品、流体机 械与流体工程等各种技术科学领域。 我国c f d 商用软件起步较晚，但近年来发展迅猛，国内现有多种商用软件，如 p h o e n i c s 、f l u e n t 、s t a r d 、c f x 等。其中f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司 于1 9 8 3 年推出的c f d 软件，它是继p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有 限体积法的软件。f l u e n t 是目前在流体，热传递及化学反应等有关的工业方面功能 最全面、适用性最广、使用最广泛的c f d 软件之一。它具有丰富的物理模型、先进的 数值方法以及强大的前、后处理功能，在航空航天、汽车设计、船型优化、涡轮机设计 等方面都有着广泛的应用。 f l u e n t 的软件设计基于c f d 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复 杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、 稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。 正是如此，f l u e n t 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流 体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成 技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同。其各软件模 块包括g a m b i t 、f l u e n t 、f i d a p 等通用软件和i c e r a k 、a i r p a k 、m i x s i m 、 p o l y f l o w 、p a k s i - e 、p a k s 卜- t m 、q f i n 等专用软件。其中g a m b i t 是专用的 c f d 前处理器，f l u e n t 系列产品皆采用f l u e n t 公司自行研发的g a m b i t 前处理软件 来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合、建构模型能力之前处理器。 2 1 1 前置处理器g a m bit 介绍 g a m b i t 是面向c f d 的前处理器软件( 几何网格生成器) ，它包含全面的几何建 模能力和功能强大的网格划分工具，可以生成f l u e n t 等c f d 软件所需要的网格。 大连理工大学专业学位硕十学位论文 g a m b i t 软件将功能强大的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术集成在一起，将大 大减小c f d 应用过程中建立几何模型和计算区域网格划分所需要的时间。 g a m b i t 通过几何体生成、区域划分、网格生成、网格检查、定义边界、区域设定、 输出网格文件等几个步骤为f l u e n t 等c f d 软件的计算提供网格文件。几何体生成后， 根据问题的需要可在各区域生成之前生成边界层工或在计算关心的区域通过自定义网 格间距或网格点数来加密边、边界层、面或体来实现局部网格加密。 网格生成后，用网格检查器来检查网格的质量。g a m b i t 的可视化网格检查技术， 可以直观的显示网格质量，用户可以浏览单元畸变、扭曲、网格光滑性等质量参数，可 以根据需要细化和优化网格，从而保证c f d 的计算质量。 g a m b i t 软件具体功能介绍如下。 ( 1 ) 完整的建模能力 g a m b i t 拥有自己的绘图器，可以完成复杂外形的二维仨维建模，并提供了强大 的布尔代数运算功能，能够准确模拟出分析对象的几何外形。为了满足一些特定的功能， g a m b i t 集成了一些特殊模块，例如g a m b i t t u r b o 是集成在g a m b i t 2 0 里的针对旋 转机械的专用前处理模块，提高了分析计算的效率。由于g a m b i t 需要非常准确的建 立模型，因此，对于模型建立的质量要求很苛刻，为了方便应用，实际中，我们对实际 问题的模型须进行必要的简化，以达到分析目的为目标，忽略一些结构条件，这样有利 于提高分析计算的效率。 ( 2 ) 强大的网格生成能力 g a m b i t 软件提供了功能强大、灵活易用的网格划分工具，可以划分出满足c f d 特殊需要的网格。 完全非结构化的网格能力 g a m b i t 之所以被认为是商用c f d 软件最优秀的前置处理器完全得益于其突出的 非结构化的网格生成能力。g a m b i t 能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六 面体的非结构化网格及混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强 的自动化能力，因而大大减少了工程师的工作量。 网格的自适应技术 f l u e n t 采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网 格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在c f d 技术中提高计算精度的最重要的技 术之一。尤其对于有波系干扰、分离等复杂物理现象的流动问题，采用自适应技术能够 有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精度。如采用自适应网格后可以 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究 有效地分析汽车后视镜附近的气流分离现象，汽车尾部的旋涡区域及发动机水套的温度 场等复杂问题。 f l u e n t 软件具有多种自适应选项，可以对物理量值、物理量的空间微分值( 如压 力梯度) 、网格容积变化率、壁面值等进行自适应。 混合网格与附面层内的网格功能 g a m b i t 提供了对复杂的几何形体生成附面层内网格的重要功能。( 附面层是流动 变化最为剧烈的区域，因而附面层网格对计算的精度有很大影响) 。而且附面层内的贴 体网格能很好地与主流区域的网格自动衔接，大大提高了网格的质量。另外，g a m b i t 能自动将四面体、六面体、三角柱和金字塔形网格自动混合起来，这对复杂几何外形来 说尤为重要。 ( 3 ) 丰富的c a d 接口 g a m b i t 包含全面的几何建模能力，既可以在g a m b i t 内直接建立点、线面、体的 几何模型，也可以从p r 0 忸、u g i i 、d e a s 、c a t 认、s o l i dw o r k s 、a n s y s 、p a t 凡 等主流的c a d c a e 系统导入几何和网格。g a m b i t 与c a d 软件之间的直接接口和强大 的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大的方便。 2 1 2f l u e n t 软件介绍 f l u e n t 的最大特点是可以模拟复杂几何区域的流动和热传导，网格生成能力很 强。f l u e n t 所用到的网格单元包括二维的三角形、矩形、四边形和三维的四面体、六 面体、金字塔形和楔形。f l u e n t 还可在计算结果的基础上，对网格进行优化，如对流 场中存在的较大梯度的网格进行细化从而减少梯度。f l u e n t 软件是用c 语言编写的， 它充分的利用了c 语言的动态内存分配和高效率等特性，并且可以插入用c 语言编写 的用户自定义函数( u s e rd e f i n ef u n c t i o n ) 来加入新的边界条件、源项和物性等。在 f l u e n t 中，输运现象的数学模型与所模拟的几何图形的复杂情况是结合在一起的。为 了与工业应用相结合，f l u e n t 提供了很多有用的功能。 由于f l u e n t 软件的强大功能，研究者可以减少在计算方法、编程、前后处理等 方面投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化 算法选用，参数的设定，因而可大大地提高工作效率，其必然会获得越来越多的应用， 应用效果也必将越来越好。 f l u e n t 提供三种不同的解算器：分离解算器r ( s e g r e g a t e ds o l v e r ) 、隐式耦合解算器 ( c o u p l e di m p l i c i ts o l v e r ) 、显式耦合解算器( c o u p l e de x p l i c i ts o l v e r ) 。三种解算器都在很大 流动范围内提供准确的结果，但是在不同的情况下它们也各有优缺点。分离解算器和耦 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 合解算器的区别在于，连续性方程、动量方程、能量方程以及组分方程的求解步骤不同， 分离解算器是依次求解这些方程的，耦合解算器是将这些方程同时解的。两种解算器都 是在求解了前面的方程后再求解其他的标量方程( 比如：湍流或辐射) 。隐式解法和显式 解法的区别在于线化耦合方程的方式不同。 f l u e n t 默认使用分离解算器，分离解算器一般用于不可压或轻度耦合的流动，或 者在非常精细的网格上的流动，隐式耦合解比较适合。这一解法是将流动和能量方程耦 合求解的，常常很快便可收敛，但所需要内存大约是解算器的1 5 到2 倍，选择时可以 通过这一性能来权衡利弊，显式耦合解算器也耦合了流动和能量方程，但它比隐式耦合 解算器需要的内存少，因此其收敛性相应地差一些。分离解算器中提供的以下物理模型， 在耦合解算器中是没有的：多项流模型、混合组分p d f 燃烧模型、预混合燃烧模型、 污染形成模型、相变模型、r o s s l a n d 辐射模型、指定质量流的周期流动模型、周期 性热传导模型。本问采用f l u e n t 模拟时，选用分离解算器。 f l u d 汀软件中常见的数值计算方法包括有限差分法、有限容积法以及有限元法 等。本论文所描述恒温下管道内流体流动问题可以用流体流动时所满足的偏微分方程组 来描述，给定边界条件和初始条件后，通过求解这一组偏微分方程能够确定在计算区域 内各位置的流场。直接对这些偏微分方程进行解析求解，在现在几乎是不可能的，目前 都是通过数值计算方法求得偏微分方程的数值解，用离散点上的数值解表示和代替连续 解。所谓的数值解法就是对一组离散化后的偏微分方程进行代数求解，现今的离散化方 法主要有有限差分法、控制体积法和有限元方法。 控制体积法及其离散格式：控制体积法又叫有限体积法，其基本思路是将计算区域 划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积。将待解的微分 方程对每一个控制体积积分而把微分方程化为差分方程，便得出一组离散方程。其中的 未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之 间的变化规律，即假设值的分段分布剖面。从积分区域的选取方法看来，控制体积法属 于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，控制体积法属于采用局部近似 的离散方法。简言之，子区域法属于控制体积法的基本方法。 控制体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义， 就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的 控制体积中的守恒原理一样。控制体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任 意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是控制体积法吸引 人的优点。有一些离散方法，例如有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足 积分守恒，而控制体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。有限单元法 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究 必须假定值在网格点之间的变化规律( 既插值函数) ，并将其作为近似解。控制体积法只 考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如何变化。控制体积法只寻求结点值，这 与有限差分法相类似。但控制体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定值在网格点之 间的分布，这又与有限单元法相类似。在控制体积法中，插值函数只用于计算控制体积 的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数：如果需要的话，可以对微分方程中不 同的项采取不同的插值函数。 采用控制体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数的物理 意义明确，是目前流动与传热问题的数值计算中应用最广的一种方法。而f l u e n t 就 是基于控制体积法的软件，为了取得较好的模拟效果，故本文采用有限体积法。 2 1 3 流场计算的s im p l e 算法 s i m p l e 算法是目前工程上应用最为广泛的一种流场计算方法，它属于压力修正法 的一种。s i m p l e 是英文s e m i - - i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u 陀一l i l l l ( e de q u a t i o n s 的缩写， 意为“求解压力耦合方程组的半隐式方法”。该方法由p a t a n k a r 与s p a l d i n g 于1 9 7 2 年 提出，是一种主要用于求解不可压流场的数值方法( 也可用于求解可压流动) 。它的核心 是采用“猜测一修正 的过程，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量 方程( n a v i e r - - - s t o k e s 方程) 的目的。 s i m p l e 算法的基本思想是：对于给定的压力场，求解离散形式的动量方程，得出 速度场。因为压力场是假定的或者不精确的，这样，由此得到的速度场一般不满足连续 方程，因此，必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是：与修正后的压力场相对应 的速度常能满足这一迭代层次上的连续方程。据此原则，把由动量方程的离散形式所规 定的压力与速度的关系代入连续方程的离散形式，从而得到压力修正方程，由压力修正 方程得出压力修正值。接着，根据修正后的压力场作为给定的压力场，开始下一层次的 计算。如此反复，直到获得收敛的解。 这里介绍的s i m p l e 算法是基于非结构网格的。在二维非结构网格中，控制体积可 以是任意的多边形，所有物理量( 速度u 、v 、压力p 、温度t 和密度p 等) 均在控制体积 中心节点上定义和存储。设控制体积p 的中心为节点p ，控制体积e 的中心为节点e ， 控制体积p 与控制体积e 相邻，且为n 边形，两个控制体积的界面为e 。则在非结构网 格上稳态问题( 或瞬态问题的一个时间步) 的s i m p l e 算法的计算步骤如下： ( 1 ) 根据经验假设一个压力场的初始猜测值，记为p ； ( 2 ) 将p 代入动量离散方程，求出相应的速度u 、v ；其中动量离散方程为： 人连理丁大学专业学位硕士学位论文 n 3 咋材p = e = l m 口p v p = e = l ns - z 8 ( a y ) 。+ 吒 p = i n s 一( 缸) ：+ e = l ( 3 ) 根据动量插值公式，计算界面流速虻和虻；计算公式为： 2 屹。 + e = j 胤( w ) 一( 最刊 ( 4 ) 根据下式计算压力修正方程中的系数及源相； 吒= 降+ 爿l n | 郎= e ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) = 霉 ( 。缈) 。一( 缸) 。 + 鱼云硅矿 ( 2 ns ( 5 ) 求解压力修正值方程牟= 砭+ ，得到节点上的压力修正值耳； ( 6 ) 通过插值方式计算各界面上的压力修正值厄，然后依据下式计算节点速度修j 下 值“：与吒； 以= 州矧 泣8 ) + f 口 m 蒯 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究 讳= 扎e = ll 酬p j ( 7 ) 根据下式计算修正后的速度u 、v 和压力p ； 甜p = 甜j 口+ u p = ，；+ 吒 p p 2p p + pp ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 8 ) 检查计算结果是否收敛。若不收敛，重新返回到第( 2 ) 步，开始下一层的迭代 计算，直到得出收敛解。 2 1 4 f l u e n t 的求解过程 计算流体动力学的求解过程可用图2 1 表示。 ( 1 ) 确定控制方程对于恒温下管道流动问题，一般假定没有热交换发生，则可直接 将连续方程与动量方程作为控制方程使用。当然，由于管道输送时的流动大多是处于层 流范围，因此，本文中控制方程均采用层流模型。 ( 2 ) 确定边界条件和初始条件初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提，控 制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成了对一个物理过程完整的数学描述。 f l u e n t 中边界条件可以在g a m b i t 建模过程中设定，也可在f l u e n t 求解器中 重新设定。其边界条件类型有： 速度入i ( v e l o c i t r l n l e t ) ：给出入口边界上的速度及其他相关标量值，适用于不 可压缩流动问题，对于可压缩问题不合适，否则该入口边界条件会使入口处的总温或总 压有一定的波动。 压力入口( p r e s s u r e - - - i n l e t ) ：通常用于进口流量未知而压力已知的情况，可压或 不可压均适合，还可以用来处理自由边界问题。 质量入口( m 2 u s s - n o 妒1 n l e t ) ：给出入口边界上的质量流量，主要用于可压缩流 动。质量入口条件包括两种：质量流量和质量通量。给定入口边界上的质量流量，此时 局部进口压力总是变化的，用以调节速度，从而达到给定的流量，这使得计算的收敛速 度变慢。所以，如果压力边界和质量边界条件都适用时，应优先选择用压力入口边界条 件。对不可压缩流动，由于密度是常数，可选择用速度进口边界条件。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 压力出i 二1 ( p r e s s u r e - - o u t l e t ) ：给定流动出口边界上的静压，只能用于模拟亚音速 流动。对于有回流的出口，该边界条件比o u t f l o w 边界条件更容易收敛。 无穷远压力边界( p r e s 鳓l r - a r f i e l d ) ：无穷远压力边界条件是一种不反射边界 条件。如果知道来流的静压和马赫数jf l u e n t 提供了无穷远压力边界条件来模拟该类 问题，适用于可压缩流动，用于理想气体定律求解密度问题。 自由出流( o u t f l o w ) ：用于出流边界上的压力或速度均为未知的情形，不需要给 定出口条件，除非计算分离质量流、辐射换热或包括颗粒稀疏相问题。下列情况不能用 该边界条件：包含压力进口条件、可压缩流动问题、有密度变化的非稳态流动问题( 即 使是不可压缩流动) 。 进口通风( i n l e tv e n t ) ：需给定入口损失系数、流动方向和进口环境总压和总温。 对于进口通风模型，假定进口风扇无限薄，通风降压正比于流体动压头和用户提供的损 失系数。 进1 2 1 风扇( i n l e tf a n ) ：进口风扇边界需给定压降、流动方向和环境总压和总温。 出口通风( o u t l e tv e n t ) ：用于模拟出口通风情况，并给定一个损失系数和环境( 出 口) 压力和温度。 排气扇( e x h a u s tf a n ) ：排风扇给定压降，环境静压，用于模拟外部排风扇。 对称边界( s y m m e t r y ) ：适用于流动和传热场是对称的情形。对称边界上，垂直 于边界的速度分量为0 ，任何量的梯度也为0 。 o 周期性边界( p e r i o d i c ) ：适用于流动的几何边界，流动和换热都是周期性重复的。 f l u n e t 提供两种周期性边界：一类是流体经过周期性重复后没有压降( c y c l i c ) ； 另外 一类是有压降( p e r i o d i c ) 。 o 固壁边界( w a l l ) ：对于粘性流动问题，f l u e n t 默认设置是壁面无滑移条件。 ( 3 ) 划分计算网格采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区 域上进行离散，然后求解得到的离散方程。要想在空间域上离散控制方程，一般采用网 格。目前，网格分结构网格和非结构网格两大类。结构网格在空间上比较规范，网格往 往是成行成列发布的，行线和列线比较明显。而非结构网格在空间分布上是没有明显的 行线和列线的。目前各种c f d 软件都配有专用的网格生成工具，如f l u e n t 使用 g a m b i t 作为前处理软件来划分网格和初步定义边界条件。 ( 4 ) 离散控制方程通过数值的方法把计算域内有限数量位置( 即网格节点或网格中 心点) 上的因变量当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程， 然后通过求解代数方程组来得到这些点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点位置 上的值来确定。由于因变量在节点之间的分布假设及推导离散方程的方法不同，就形成 水煤浆流动模拟及水煤浆锅炉的应用研究 了有限差分法、有限元法和有限体积法等不同的离散方法。有限体积法是目前c f d 领 域广泛使用的离散化方法，f l u e n t 就采用该方法离散控制方程。 垂蔓嘲 图2 1c f d 流程图 f i g 2 1f l o wc h a r to fc f d ( 5 ) 离散初始条件和边界条件前面所确定的初始条件和边界条件是连续性的，现 在需要针对所生成的网格将连续性的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，这样 连同上一节在各节点处所建立的离散的控制方程，才能对方程组进行求解。 大连理丁大学专业学位硕士学位论文 像f l u e n t 这样的商业c f d