（动力工程及工程热物理专业论文）煤粉富氧点火器流场的数值模拟及结构优化.pdf

国内图书分类号：tk227.7 学校代码：10213 国际图书分类号：662.6 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 煤粉富氧点火器流场的数值模拟 及结构优化 硕 士 研 究 生：张 燕 导 师：董 芃 教授 申请学位：工学硕士 学科：动力工程及工程热物理 所 在 单 位：能源科学与工程学院 答 辩 日 期：2011 年 6 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index: tk227.7 u.d.c.: 662.6 dissertation for the master degree in engineering the flow numerical simulation and structural optimization of pulverized coal oxygen-rich ignition candidate： zhang yan supervisor： prof.dong peng academic degree applied for：master of engineering speciality： thermal energy engineering affiliation： school of energy science and engineering date of defence： june, 2011 degree-conferring-institution：harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 电站锅炉在运行过程中需要消耗大量的燃油来完成冷态点火启动以及低 负荷稳燃，而近年来，随着燃油价格的不断上涨，开发少油甚至无油点火技 术，降低点火与助燃用油已迫在眉睫。 本文以强化温度水平和供氧条件这两个控制煤粉着火燃烧的主要参数为 依据，提出了高温富氧无油点火技术，设计了一种新型的煤粉无油点火器 煤粉富氧点火器。为了降低耗氧量以减少点火成本，本文设计的点火器分 为一、二两级，在运行时首先利用高温氧气点燃第一级，然后利用第一级富 氧燃烧的高温火炬点燃第二级，进而实现整个煤粉点火器的点火。 本文首先对煤粉富氧点火进行了详细的计算分析，确定了点火器的基本 尺寸和工况参数，之后借助 fluent 软件对煤粉富氧点火器组织的流场进 行了数值模拟，并以此为基础对点火器的结构进行了优化。通过研究发现， 在第一级点火过程中有效地组织流场使之形成面积较大、形状合理的回流区 是保证中心管煤粉气流与高温氧气充分混合继而成功着火的关键；煤粉富氧 点火器第一级优化后结果表明：在运行参数不变的情况下，选用高度为 30mm、顶角 60的圆锥作为导流锥，并将其置于距离一次风粉出口 0mm 的 位置上、中心管喷口扩口半角取 15、高温氧气旋流喷口扩口半角取 25 时回流区最为理想；而在结构参数不变的情况下，高温氧气旋流强度取 1.52.5、中心管煤粉气流速度取 12.5m/s20m/s 时回流区较为理想。而只 要保证第二级风粉气流顺利进入第一级高温氧气形成的回流区，并有充足的 氧气支持点火器第二级即可顺利着火，点火器整体优化结果为：运行参数不 变的情况下，燃尽风旋流喷口扩口半角取 20时最为理想；而在结构参数 不变的情况下，最佳的燃尽风旋流强度为 2.5、第二级风粉气流速度为 15m/s25m/s。 关键词：无油点火；煤粉富氧点火器；数值模拟；结构优化 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract a lot of fuel oil was needed in the boilers operating process to complete cold condition ignition and low-load stable combustion. with the price of fuel oil rising, developing less-oil or oil-free ignition technology to reduce oil consumption in the boilers ignition and low-load combustion becomes imminent in recent years. based on strengthening temperature and oxygen provision which are the main control parameters in the pulverized coal ignition and combustion process, high temperature oxygen-enriched oil-free pulverized coal ignition technology was proposed and the relational oil-free pulverized coal ignition device- pulverized coal oxygen-enriched ignition was designed in this paper. the pulverized coal oxygen-enriched ignition was designed to two parts to reduce the oxygen consumption. the first-part was ignited by high-temperature oxygen firstly in the process of pulverized coal oxygen-enriched ignition, and the whole ignition was completed by igniting the second-part of pulverized coal oxygen- enriched ignition using high-temperature torch of the first-part oxygen-enriched combustion. the basic structure dimensions and work parameters of pulverized coal oxygen-enriched ignition were identified firstly by detailed calculation and analysis, and numerical simulation on flow field of pulverized coal oxygen- enriched ignition was carried out by fluent software and the relational structure optimization was achieved in this paper. the studies indicated that organize the flow field effectively in the first stage ignition process to form a larger and reasonable shape recirculation region is the guarantee of intensive mixing of pulverized coal flow and high-temperature oxygen and the key for success ignition. the optimization about the first stage of the oxygen-enriched coal igniter shows that in stable operating conditions, select the taper with a length of 30 mm and vertex angle 60 degree as the guiding cone and place the cone at the position 0mm from the primary pulverized coal exports, the half angle of center tube nozzles flaring select 15 degree, the half angle of high- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - temperature oxygen swirling jets flaring select 25 degree, the igniter get the best recirculation region in this structure. in the conditions of same structural parameters, when the recirculation region high-temperature oxygen swirl intensity select 1.5 to 2.5, and the speed of pulverized coal flow in the center tube is between 12.5m/s and 20m/s, the igniter get the best recirculation region. it is easy to get fire as long as the second-stage pulverized coal and air flow smoothly into first-stage recirculation zone formed by the high temperature oxygen and have enough oxygen to support the second stage of the igniter. the results of overall optimization of igniter are as follow: under the same operating parameters, the optimization is best when half angle of over-fire air swirling jets flaring select 20 degree. in the case of the same structural parameters, the best over-fire swirling intensity is 2.5, the best air and pulverized coal velocity is between 15m/s and 25m/s. keywords: oil-free ignition, pulverized coal oxygen-enriched ignition, numerical simulation, structure optimization 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外的研究现状及分析 . 2 1.2.1 电站锅炉点火技术的发展现状 . 2 1.2.2 富氧燃烧技术的研究现状 . 5 1.2.3 数值模拟的研究概况 . 6 1.3 本文的主要内容 . 7 第 2 章 流动的数学模型 . 8 2.1 引言 . 8 2.2 计算模型 . 8 2.2.1 基本守恒定律 . 8 2.2.2 湍流模型 . 9 2.2.3 离散相流动模型 . 13 2.2.4 组分质量守恒方程 . 14 2.3 模型的选取及边界条件处理 . 15 2.4 本章小结 . 16 第 3 章 煤粉富氧点火器结构设计 . 17 3.1 引言 . 17 3.2 点火器设计计算 . 17 3.2.1 点火器功率的确定 . 17 3.2.2 煤粉高温富氧点火的计算分析 . 18 3.3 结构设计 . 27 3.4 本章小结 . 32 第 4 章 煤粉富氧点火器第一级数值模拟 . 33 4.1 引言 . 33 4.2 网格划分 . 33 4.3 模拟结果与分析 . 35 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 4.3.1 基本工况下流场分析 . 36 4.3.2 导流锥的影响 . 40 4.3.3 中心管喷口扩口半角的影响 . 46 4.3.4 高温氧气旋流喷口扩口半角的影响 . 50 4.3.5 高温氧气旋流强度的影响 . 53 4.3.6 一次风粉气流速度的影响 . 56 4.4 本章小结 . 58 第 5 章 煤粉富氧点火器整体数值模拟 . 59 5.1 引言 . 59 5.2 网格划分 . 59 5.3 模拟结果与分析 . 60 5.3.1 基本工况下流场分析 . 60 5.3.2 燃尽风通道喷口扩口半角的影响 . 61 5.3.3 燃尽风通道旋流强度的影响 . 64 5.3.4 第二级风粉气流速度的影响 . 68 5.4 本章小结 . 70 结 论 . 71 参考文献 . 72 攻读学位期间发表的学术论文 . 76 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 77 致 谢 . 78 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 引言 当今世界许多国家主要通过燃煤生产电力，劣质煤是我国电站煤粉锅炉 的主要用煤，这些劣质煤大都含有较高的灰分，较低的发热值，燃烧性能 差，故电站锅炉燃用这些劣质煤时存在着稳定性差、燃尽度低、煤耗高等困 难。因此电站煤粉锅炉在运行过程中要投入大量的燃油，这些燃油的消耗一 方面是当锅炉点火启动时，用来帮助锅炉达到稳定的燃烧工况，另一方面是 当锅炉运行负荷较低时，帮助锅炉实现低负荷稳燃，防止发生熄火事故。据 统计，50mw机组锅炉启动一次需要耗油5t，125mw机组锅炉启动一次需耗 油15t，200mw机组锅炉启动一次需要耗油50t，300mw机组锅炉每年需点火 用油400t，稳燃用油15000t，2002年我国用于锅炉冷态点火启动以及助燃的燃 料油超过600万吨，直接费用高达100多亿元人民币1。燃油价格的上涨以及 燃油采购、输运、储存等方面费用的消耗给我国经济发展带来了一定的冲 击，所以开发少油甚至无油点火技术，减少锅炉在冷态点火启动以及低负荷 稳燃时的燃油已迫在眉睫。富氧燃烧技术2-5在解决这些问题上有其特有的优 势。富氧技术早在20世纪80年代初就被许多国家关注，尤其以日本最为突 出。日本曾通过富氧应用实验得出以下数据：用23%的富氧助燃节能达 10%25%，用25%的富氧助燃节能达20%40%，用27%的富氧助燃节能达 30%50%6。可见富氧助燃在节能方面的优越性。因此日本十几年前就规定 在一定比例的大、中型工业锅炉、取暖锅炉、船舶动力装置中不得使用普通 空气，需使用富氧空气助燃7。 降低煤粉燃烧器冷态点火启动以及低负荷稳燃用油是煤粉锅炉节油的关 键。目前，我国电站锅炉煤粉无油点火技术主要有等离子点火、电阻加热无 油点火、高温热壁点火和高温空气点火，其中高温空气点火技术受到越来越 多的关注，国内的许多高校和科研院所都对其进行了深入的研究，并做了一 些工程上的应用尝试，取得了不错的应用效果。但是在实际应用中发现，煤 粉高温空气点火技术存在点火不稳定的问题，这影响了该技术的发展和推 广。其点火不稳定的主要原因是煤粉气流的着火温度较高，因此，只有将大 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 量空气加热到足够高的温度才能将煤粉气流顺利引燃，而达到这一高温却十 分困难。近年来由于新型变压吸附式制氧技术的成熟，制氧设备的投资和运 行成本大大降低，为富氧燃烧技术在大型煤粉锅炉点火上的应用提供了可 能。如果将高温空气点火中的高温空气替换为高温氧气，在富氧条件下，煤 粉气流的着火温度将大大下降，燃烧温度将明显提高，同时由于富氧气体中 惰性气体的减少，燃烧生成的烟气温度也将大大提高，使实现煤粉点火的难 度大大下降。为此，本文提出了高温富氧点火技术。 1.2 国内外的研究现状及分析 1.2.1 电站锅炉点火技术的发展现状 电站锅炉传统的点火方式是油枪点火，一般将油枪布置在二次风喷口， 当锅炉启动时首先点燃油枪，通过油的燃烧使整个炉膛温度升高，当炉膛温 度升高到煤粉的着火温度后，投入煤粉进行油和煤的混合燃烧，当锅炉达到 可以保证煤粉独立稳定燃烧的最低负荷后，可以停止供油，整个点火过程随 即完成。但是当电厂峰谷差增大、锅炉低负荷运行时，为使燃烧稳定，还需 要启动油枪进行油煤混燃。使用这项技术，电站锅炉每次启动成本一般都在 20万元以上，启动成本非常高，而且会产生大量的烟尘，造成环境污染的同 时又加剧了引风机叶片的磨损。而近年来，随着燃油价格的不断上涨，各种 节油或无油点火技术得到了快速地发展。 锅炉燃烧器的节油点火技术主要包括：预燃室点火技术、钝体稳燃点火 技术、小油枪点火技术、中心火炬点火技术、抛物线内筒式点火技术、微油 点火技术以及新型煤粉燃烧器。 20世纪70年代末，由于世界能源危机的影响，我国电站锅炉大量采用了 预燃室点火技术和钝体稳燃点火技术，利用煤粉代替燃料油来降低燃油消 耗。预燃室点火技术8主要是以马弗炉和油枪点火技术为基础，通过设置预 燃室使高温烟气与煤粉气流充分混合来完成点火和稳燃，其节油效果非常明 显，但是由于其煤种适应性不强、而且积粉和结渣问题严重，大多已经被淘 汰。不过一些钝体稳燃技术被保留下来，其中以清华大学设计的船形稳燃器 最为著名。该技术的主要思想是在一次风口内加装一个形如船体的火焰稳定 器，并设有中心点火油枪，在点火及运行过程中钝体可以形成较好的回流 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 区，保证煤粉火焰的稳定，但是由于将钝体放置在回流区内，所以磨损、结 渣问题严重。 小油枪点火技术9是将油枪放置在一次风粉气流喷口处，其燃烧释放的 热量全部用于加热煤粉气流。小油枪的容量远远小于二次风喷口处的油枪容 量，节油效果明显、运行稳定可靠，不易造成燃烧器的结渣烧损，而且由于 其系统简单，故投入资金较少。但是，小油枪的横截面积较小极易被杂质堵 塞、运行成本也较高；另外小油枪在燃油负荷的选择上，至今没有公认的标 准。 中心火炬点火技术10是设置一个前置油燃烧室，在燃烧室内形成一个高 温火炬，当一次风粉气流投入后可以在燃烧室内着火，其抗干扰能力较强， 抗结焦的效果较好，煤种的适应能力强，同时节油率也较高。 抛物线内筒式点火器11,12的主要设计思想是将点火器内筒设计为抛物线 式凹面，从而其焦点附近就会形成着火有利区，与此同时，通过旋流方式给 入的一次风卷吸部分高温烟气形成回流区，二者共同作用为新煤粉提供着火 热和环境温度，最终实现点火；另外在抛物线内筒壁面上常常设置二次风吹 扫冷却内筒，保证其不积灰、不结焦、不烧损。 微油点火技术13,14是利用高速的压缩空气射流击碎燃油、使其雾化成液 滴，并在短时间内蒸发汽化燃烧。微油点火具有较高的燃烧效率及火焰温 度，主要适用于直流燃烧器，其煤种适应性强、投资少、改造方便、不易结 焦、不需要日常维护；需要注意的是要防止微油点火器过热爆炸。 除此之外，为了更好地实现锅炉燃用劣质煤时冷态点火启动以及低负荷 稳燃，很多新型煤粉燃烧器应运而生，例如：ihi-wr旋流燃烧器、变异浓度 燃烧器等，通过合理的风粉配比与良好的流场组织，从而实现节油点火的目 的。 锅炉燃烧器的无油点火技术包括：高能电弧无油点火技术、等离子无油 点火技术、电阻加热无油点火技术、激光加热无油点火技术、高温空气无油 点火技术。 高能电弧无油点火技术15是已知出现最早的无油点火技术，其适用范围 小，对煤质、煤粉浓度及一次风速度的要求都较高，现在已经很少使用。 等离子无油点火技术16,17是利用阴阳两极之间的高压电场电离流过其间 的工作气体，使之形成等离子体（所谓的等离子体是指物体被电离后产生 正、负对等的电荷，它是除固、液、汽以外的另一种形态），使射流在燃烧 器内达到5000k以上的高温，形成温度梯度极大的高温区，可将通过其中的煤 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 粉气流迅速引燃，是目前最受关注的无油点火技术之一。等离子无油点火技 术在国内外都有相当数量的应用，早在18世纪60年代初kinnersly和franklin就 开始研究电弧等离子体冶金技术；美国、前苏联等国于20世纪70年代开始对 等离子体点火技术进行研制开发；我国在等离子体技术方面的研究开始的也 比较早，从20世纪70年代中期开始，我国清华大学等高校以及科研单位都曾 对其进行过研究；我国烟台龙源电力技术有限公司于1998年开始着手研究等 离子体技术，并于2002年完成了等离子体无油点火启动，现在采用该技术点 燃煤粉燃烧器已成功通过了锅炉的无油点火启动以及机组滑停、调峰的考 验，实现了工业应用。虽然该技术具有易于掌握、维护、点火时间短等优 点，但是其仍然存在一些不足：初期设备投资较大、运行复杂、阳极易受污 染、阴极消耗过快及引弧不稳定、煤种要求高、中心筒温度过高易结焦以及 低负荷运行时不能点燃煤粉气流造成灭火事故等，因此需要进一步的研究改 进。 电阻加热无油点火技术18是一种利用发热电阻作为高温稳定热源的点火 技术，根据发热电阻的位置可分为中心加热和管壁加热两种，其中管壁加热 应用相对较多。该技术具有加热速度快、点火系统简单、运行和维护成本低 等优点，但由于其存在着加热元件易烧损、运行可靠性差等缺点，制约了该 点火方式的推广应用。 高温空气无油点火技术19-21是在冶金工业已经成熟的高温空气燃烧技术 的基础上发展起来的，该技术在加热方式、着火机理及性能等方面均有着自 己的特点，而通过感应加热高温空气流作为稳定的着火源是其最显著的特 点，所谓中频感应加热系统，即其水冷线圈通电后产生强的交变磁场，感应 管在交变磁场中产生感应电动势，其内部形成交变感应电流-涡流，涡流克服 感应管自身电阻产生热量并迅速升温。高温空气无油点火技术的主要思路是 通过中频感应加热系统加热冷空气，然后将煤粉气流与温度高于800的高温 空气混合，进而引燃煤粉气流，被引燃的煤粉气流通过火焰峰面传热引燃其 他煤粉，形成高温火炬。现有的高温空气无油点火技术常与局部煤粉浓缩技 术和分级点火技术相结合，加热方法稳定可靠、加热介质简单易得、点火过 程中煤粉的燃尽率高、在冷炉点火和低负荷稳燃中调节方便、设备安全性 高、运行成本低且容易控制是其主要优点，但还存在着点火不稳定的缺点。 激光加热无油点火技术22-24是近年来新出现的一种无油点火技术，通过 非接触方式对煤粉进行加热是这一技术的主要特点，美国、日本、澳大利亚 等国家已经对这种点火技术进行了研究，其测量方便、易于控制煤粉着火和 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 燃烧、不易结焦，非常适合应用于实验室研究，最关键的是激光加热仅仅针 对煤粉自身，对周围环境不产生影响。现已将其应用于气体燃料的点火，但 是激光器成本昂贵、功率较低，目前还不具备实际应用的可能。 1.2.2 富氧燃烧技术的研究现状 顾名思义，富氧燃烧25(oxygen enriched combustion，简称 oec)是指用 比普通空气（含氧 20.95%）含氧浓度高的富氧空气作为助燃剂进行的燃烧。 富氧燃烧技术作为一种行之有效的节能技术渐渐成为世界各国的研究热点。 最早使用富氧燃烧的燃料是气体燃料。与使用普通空气燃烧相比，富氧燃烧 具有燃烧强度大，燃料着火温度低、燃烧速度快、火焰温度和黑度高、空气 过量系数低的特点26,27。 1981 年 home 和 steinburg 最早提出了富氧燃烧技术28，最初主要是在 工业锅炉上使用富氧燃烧技术。近 20 年，随着新型氧气制备技术的逐步发展 成熟，富氧燃烧技术也受到更加广泛的关注。1994 年，加拿大能源技术中心 为了研究煤粉燃烧火焰的传热及污染物的排放等特性，建成了一个功率为 0.3mw 的煤粉炉富氧燃烧试验系统；联邦德国将 27%的富氧应用于一座马蹄 型蓄热炉上，试验结果显示能耗下降了 20%，而熔化率增加了 56.2%，熔化 温度提高了 10029-31。日本石川岛播磨公司将富氧燃烧技术应用在 100mw 示范电站中，并采用了排烟热交换器，试验结果显示脱硝和脱硫效率分别达 到了 70和 90以上，占地面积也只有原来的约 5032。20 世纪 80 年代 中期，我国开始研究富氧燃烧技术，目前我国清华大学等十多家科研机构都 对其进行了积极地探索。 氧气的制取是富氧燃烧技术在工程应用过程中的关键因素，工业制氧技 术可分为物理制氧、化学制氧两大类，化学制氧技术33主要可分为三种：电 解水制氧技术、超氧化物制氧技术、氯酸钠氧烛制氧技术。但是由于化学制 氧方法的制氧量较小、制氧成本较高、化学药品储存以及使用过程中容易发 生危险等问题，故工业上很少使用。物理制氧技术34主要可分为三种：低温 精馏法（深冷法）制氧、薄膜分离法（膜法）制氧、变压吸附分离法（psa 法）制氧35-39。深冷法制氧原理主要是精馏液体空气，根据氧、氮沸点不同 实现氮、氧分离，由于其投资大、能耗高、操作复杂，常在高氧浓度和较大 规模情况下使用；膜法制氧始于 20 世纪 80 年代，主要是利用氧气、氮气、 氩气透过有机聚合物膜速度不同的特性实现氧、氮分离，当制取的氧气浓度 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 较小时，膜法更为经济，其缺点是有机聚合物膜易于损坏，且中纤维膜国内 无法制造、需要进口；变压吸附（psa）技术的发展要追溯到 20 世纪 60 年 代，由美国埃索公司首次开发成功，其制氧原理是利用吸附剂对氮气和氧气 的作用力不同，干燥的压缩空气以一定的压力和时间间隔进入吸附塔内，有 极性的氮气分子首先被沸石吸附，氧分子被输出。psa 技术主要用于氧浓度 在 60%93%的中小规模情况下，psa 技术的优点是：设备简单、沸石分子 筛材料易得、制氧浓度高达 90%以上、但是其依然存在着缺点，例如：沸石 分子筛使用寿命短、制氧含尘量大等。我国于 1966 年初对使用沸石分子筛分 离空气制氧技术进行了研制开发，20 世纪 70 年代变压吸附技术制氧已经成 功应用到钢铁冶炼等工业领域，20 世纪 90 年代 psa 技术逐渐发展成熟起来 40。 1.2.3 数值模拟的研究概况 最初由美国 fluent inc 公司于 1983 年推出的 fluent 软件是目前国 际上广泛应用的 cfd 软件包之一，常利用其模拟和分析复杂几何区域内的 流动与传热问题。该软件以三大流动基本方程为基础研究流场的数值状况， 其具有网格特性灵活、支持网格多样、物理模型丰富等特点。可以自由选择 使用结构化或非结构化网格。为了能达到最佳的求解精度和收敛速度， fluent 在非结构化网格中采用了多种求解方法以及多重网格加速收敛技 术 。 1998 年 fluent 公 司 推 出 了 自 行 研 制 的 前 处 理 网 格 生 成 软 件 gambit，用于模拟对象的几何模型以及网格生成。到目前为止，数值模拟 已经成为学术研究及工程实践上的重要方法，fluent 在航天、汽车、船 舶、能源、动力、机械、材料等多领域有着广泛的应用。 fluent 最初用于求解流场的流动问题，可以直接求解所有尺度的湍 流结构高雷诺数湍流流动 n-s 方程，但是直接模拟对计算机的要求很高， 模拟复杂物理域的湍流流动时会有很大的难度，不过随着计算机计算能力的 提高，利用直接模拟法计算湍流流动将会受到广泛的关注41。现在工程上 应用最多的是雷诺时均法，雷诺时均法是采用湍流模型描述所有尺度的湍流 流动，通过将 n-s 方程时均化来求解平均流动量。雷诺时均法中比较有代 表性的模型有 boussinesq 模型和雷诺应力模型。boussinesq 模型综合考虑了 雷诺应力与平均速度梯度之间的联系，具体包括 s-a 模型、k- 模型及改进 的 k- 模型等，目前研究常规的湍流流动问题中最常用的是 k- 模型及改进 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 的 k- 模型42。雷诺应力模型则是对雷诺应力张量中各项的输运方程进行求 解，其计算精度取决于各向异性占主导的程度，程度越高，结果越精确。该 模型通用性较好，但计算时间较长、工程应用较为复杂。 fluent 除了能求解流动连续相的输运方程外，还可以求解离散相的 问题，求解多相流问题时一般有两种方法：欧拉-欧拉法与欧拉-拉格朗日 法。欧拉-欧拉法，又称为双流体模型法或多流体模型法，该方法不仅将气 体、液体作为连续相处理，而且还将离散相（如固体颗粒、液滴、气泡）当 作连续相处理，并使用欧拉坐标系对其进行描述；而欧拉-拉格朗日法，又 称为颗粒轨道法，其只把气体、液体作为连续相在欧拉坐标系内进行描述， 而离散相则作为离散体系在拉格朗日坐标系内进行描述。 fluent 提供的离散相模型（discrete model）是处理存在粒子流动问 题时最直观、最容易理解的模型。首先将粒子看成存在于流场内的离散颗 粒，在连续相流场计算完成之后再计算各个颗粒速度，进而追踪颗粒轨道。 一般来说离散相模型中要求颗粒相的体积分数小于 10%20%，但颗粒质量 载荷可以大于 10%12%。选用离散相模型时具有一定的限制43： （1）使用离散相模型后，不能使用周期性边界条件。 （2）因为离散相粒子所在平面不能随动网格一起移动，所以当离散相 被设定为从一个表面进入流场时，不能使用动网格技术。 1.3 本文的主要内容 本文提出了高温富氧无油点火技术，设计了一种新型的点火器煤粉 富氧点火器，同时借助 fluent 软件平台，对点火器出口处的流场进行了 分析，进而优化了煤粉富氧点火器的结构尺寸。本文主要的研究内容及研究 思路为： （1）进行点火器的结构设计计算，确定点火器的基本尺寸和工况参 数。 （2）利用 fluent 软件对煤粉富氧点火器第一级等温流场进行数值模 拟，得到煤粉富氧点火器等温流场分布，优化点火器第一级结构尺寸。 （3）对煤粉富氧点火器的整体等温流场进行数值模拟，分析数据，优 化点火器整体的结构尺寸。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 第2章 流动的数学模型 2.1 引言 实验方法是研究流体运动规律方面的重要方法，它具有直观、准确的优 点，但是往往很难观察到较复杂的流动现象；近年来，随着计算机技术的迅 猛发展以及流体力学研究的不断深入，数值模拟结果的准确性不断提高，数 值方法相较于传统实验手段在研究成本上的优势已经显现出来。因此人们越 来越多的将计算流体力学方法与实验研究结合起来用于流体运动规律的理论 研究中。 2.2 计算模型 2.2.1 基本守恒定律 流体的流动必须符合三大守恒定律：质量、动量、能量守恒定律。基本 守恒定律的控制方程形式如下43： 质量守恒方程： 0 i i u tx += (2-1) 式中 i u i 坐标方向的雷诺时均速度； 混合物的密度(kg/m3)。 动量守恒方程： () () ii ijiji jjji uup u uuug txxxx +=+ (2-2) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 式中 i u i 坐标方向的脉动速度； 动力粘度系数(pas)； p 混合物的压力(pa)； i g i 方向的重力加速度分量(m/s2)。 能量方程： () () p pjpjfr jjj c t t c u tc u tss txxx +=+ (2-3) 式中 i u i 坐标方向的平均速度(m/s)； i u i 坐标方向的脉动速度； 动力粘度系数(pas)； i g i 方向的重力加速度分量(m/s2)； t 平均温度(k)； 导热系数； s 源项。 2.2.2 湍流模型 流体流动分为层流和湍流两类。通常以为，在圆形管道内，当 re 数小 于某一临界值（rere 临 1 时，流动处于混乱的状态、流动速度 等流动特性随机变化，这种流动称为湍流流动。湍流是自然界常见的现象， 它出现在有速度变动的地方，其运动的特征是流体质点不断随机的掺混。随 着 re 增大，流动的紊乱程度变化较大，但 re