（热能工程专业论文）某试验台增压燃烧数值模拟研究.pdf

哈尔滨工程大学硕七学位论文 摘要 增压燃烧技术是船用大型蒸汽动力装置的关键技术之一，本文研究对象 是某增压燃烧试验平台的增压锅炉，其炉膛内的燃烧过程是锅炉设计运行中 的重要环节。 本文根据试验台锅炉设计图纸建立了三维实体几何模型，应用f l u e n t 软件，采用r e a l i z a b l e k 一占湍流模型、“简单化学反应系统模型、简化的p d f 模型和d o 辐射模型对多个稳态工况下的炉内燃烧流场进行了数值模拟。 通过数值模拟，得出了流场主要参数的分布情况，指出增压锅炉炉内空 气动力特性，燃油喷雾流场的分布特性，并提出了利用当量混合分数的分布 来考核火焰长度的方法。当燃烧器对冲布置时，炉内的混合气体分布更均匀， 火焰充满度好，有利于强化燃烧。 数值模拟结果说明：随着稳焰器到调风器出口距离的增大，回流区尺寸 逐渐减小，而调风负荷对其影响并不大。在喷油压力较低时，雾化液滴的索 特平均直径随喷油压力的增大而变大，当达到一定压力时，索特平均直径随 着压力的增大而逐渐变小；同时提高炉膛工作压力对降低液滴粒径有明显的 促进作用。当过量空气系数为1 1 5 时，高温区最大，火焰最长；过量空气系 数为1 3 时，由于氧气量大，火焰最短，高温区最小。炉膛内部的增压燃烧流 场、冷态流场及喷雾流场的数值模拟结果对试验方案选取和试验结果预测具 有一定指导意义。 关键词：增压；燃烧；数值模拟；燃油雾化 哈尔滨下程大学硕十学位论文 a b s t r a c t p r e s s u r i z e dc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yf o rs t e a m p o w e rp l a n t l es u b j e c ti st h es u p e r c h a r g e db o i l e ro nap r e s s u r i z e dc o m b u s t i o n t e s tp l a t f o r m n l ef u r n a c ec o m b u s t i o np r o c e s si st h ei m p o r t a n ta s p e c ti nt h e d e s i g na n do p e r a t i o no fb o i l e r at h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e le n t i t i yw a ss e tu pb a s e do nt e s t - b e d b o i l e rd e s i g nd r a w i n g s c o m b u s t i o nf l o wf i e l d so ft e s tb o i l e rw e r es i m u l a t e df o r s e v e r a ls t e a d ys t a t e sw i t hf l u e n ts o f t w a r e ，t h er e a l i z a b l ek 一占t u r b u l e n c em o d e l ， as i n g l ec h e m i s t r yr e a c t i o n s y s t e m ，s i m p l i f i e dp d fm o d e la n dd ot h e r m a l r a d i a t i o nm o d e l b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ed i s t r i b u t i o no fm a i np a r a m e t e r sf o rf l o wf i e l d w e r eg a i n e d ，t h ep r e s s u r i z e da i rp o w e rc h a r a c t e r i s t i c so fb o i l e ra n df u e ls p r a y d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ep o i n t e do u t , a n dt h em e t h o do fu s i n ge q u i v a l e n t m i x t u r ef r a c t i o nt oa s s e s s l a m e l e n g t h w a sp r o p o s e d t l l eb u m e ro p p o s i n g a r r a n g e m e n t sw a sh e l p f u l f o re n h a n c i n gc o m b u s t i o n , b e c a m eg a sm i x t u r e d i s t r i b u t e dm o r ee v e n l yi nt h ef u r n a c ea n dt h ef u l l n e s so ff l a m ew a sg o o d n l er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e dt h a t ，r e c i r c u l a t i o nz o n es i z e d e c r e a s e dg r a d u a l l yw i t hi n c r e a s eo ft h ed i s t a n c ef r o mt h es t e a d yf l a m ed e v i c et o r e g i s t e r ，w h i l et h er e g i s t e rl o a dd i dn o ta f f e c ti ts om u c h a tal o w e ri n j e c t i o n p r e s s u r e ，t h es m d o fa t o m i z e dd r o p l e t si n c r e a s e d 研廿li n c r e a s eo ft h ei n j e c t i o n p r e s s u r e w h e nac e r t a i np r e s s u r ew a sr e a c h e d ，t h es m dd e c r e a s e d 晰mi n c r e a s e o ft h ei n j e c t i o np r e s s u r e a tt h es a m et i m e ，i m p r o v i n gt h ew o r k i n gp r e s s u r ei nt h e c h a m b e rc o u l dp r o m o t er e d u c i n gd r o p l e ts i z e w h e nt h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n tw a s 1 15 ，t h eh i g ht e m p e r a t u r ez o n ew a st h el a r g e s ta n df l a m ew a st h el o n g e s t w h e n ，e x c e s sa i rc o e f f i c i e n tw a s1 3 ，d u et ot h el a r g eq u a n t i t yo fo x y g e n ，t h ef l a m ew a s 哈尔滨工程大学硕士学何论文 t h es h o r t e s ta n dh i g h t e m p e r a t u r ed i s t r i c tw a st h es m a l l e s t 1 1 1 er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rs u p e r c h a r g e dc o m b u s t i o n ，c o l df l o wf i e l da n dt h es p r a y f l o wf i e l di nt h ef u r n a c eh a dg u i d i n gs i g n i f i c a n c eo nt h es e l e c t i o no ft e s ts c h e m e s a n dp r e d i c t i o no ft e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：s u p e r c h a r g i n g ；c o m b u s t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f u e la t o m i z a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：印料 日期： 抽b 年弓月巧日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 ，、0 仟 作者( 签字) ：【。斛 导师( 签字) ：红王乏 。 q 日期： k 年；月矽日谢? 年 月湘 哈尔滨下程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的目的及意义 锅炉炉膛压力有常压与增压之分，近年来的实验证明，炉膛的燃烧热强 度与炉膛内压力成正比。在炉膛内实现增压燃烧，可降低锅炉的体积与重量， 减少金属和绝热材料的消耗量，并可极大的提高流过受热面的烟气质量流速。 为了进一步减小锅炉的体积和重量，必须提高炉膛的燃烧强度和受热面的传 热强度。增压锅炉由于燃烧压力提高，炉膛的燃烧强度和受热面的传热强度 大大提高，锅炉体积和重量大大减少。增压锅炉以其尺寸小、综合经济指标 好具有广泛的发展空间。 船用增压锅炉是指炉膛中燃料的燃烧过程和受热面的换热过程是在高于 大气压力( 一般达n o 2 0 5 m p a ) 下进行的。空气进入压气机被压缩后提高 了温度和压力并不断地送入锅炉炉膛，从而使炉膛中燃料的燃烧在高密度的 空气以及较高的助燃空气温度下进行，强化了燃烧过程。燃烧的增强使炉膛 容积热负荷提高，并强化了炉膛内及对流受热面的传热，提高了锅炉热效率， 使锅炉体积减小抬。1 。从锅炉排出的烟气具有足够的能量，可以用来驱动涡轮 机来带动压气机达到较高的压力。因此，它并不消耗锅炉和动力装置所产生 的能量，既提高了锅炉的效率，又提高蒸汽动力装置的经济性。船用增压锅 炉具有尺寸与重量小、热效率高、工作可靠性好、寿命长、自动化程度高、 良好的可维修性和动态特性，是应用于大型舰船蒸汽动力装置中的理想主锅 炉。 国内外专家对增压锅炉有很高的评价。一致认为，增压锅炉的出现使船 用锅炉的各项指标发生根本性的革新，并认为它是船用蒸汽锅炉发展的必然 方向。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 由于国内增压锅炉技术积累较少，且没有供理论研究的大型陆试平台及 实炉样机，不可避免出现了增压锅炉的效率及安全性难以准确确定的重大问 题。由于全船用汽设备众多，系统结构复杂，必然导致系统估算有误，为最 终实现船舶航速及动力系统功率等技术指标带来较大风险n “，。因此建立增压 燃烧试验平台对分析增压燃烧的影响因素，对于运行调优、提高锅炉效率、 节省能源等均具有重要意义。通过大量数值试验得到的计算结果有助于了解 和掌握增压锅炉炉膛内部流场的流动情况，可以得到不同工况下燃烧流场内 部的详细信息，例如火焰高度如何，充满度如何，炉膛出口温度偏高或偏低， 液滴运动情况如何，是否冲刷水冷壁，燃油燃尽情况，氧气浓度分布，以及 水冷壁上热流量分布等等，这些都可以作为分析燃烧情况、预测燃烧过程的 依据。数值模拟相对于试验优点明显，计算结果可作为试验结果的补充，对 试验方案的选取有指导作用。因此，利用数值模拟来研究试验平台内部湍流、 多组分扩散、化学反应等复杂流动现象，可以为增压燃烧机理研究及燃烧的 优化奠定基础，对试验台增压锅炉的冷热态试验具有一定的现实意义。 1 2 国内外研究现状 燃油燃烧过程是受流动、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化 学过程，对于实际生产中的工业加热炉、燃气轮机、柴油机等设备，其主要 燃烧方式为喷雾燃烧。由于这些设备燃烧室内的高温及其结构的复杂性，人 们难以对其进行实测研究，因此，对其内的流动、燃烧和传热细节了解甚少。 近年来，随着c f d 的飞速发展，数值模拟成为研究上述复杂过程的有效手段， 它能提供整个燃烧过程的详细信息哺川。当然，在进行液体燃料燃烧的时候， 数值模拟和实验相结合是很重要的。 1 2 1 喷雾燃烧的国外研究现状 2 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 1 9 7 6 年w u 和f f i k c e r t 町分别用区域法和热流法对圆筒形燃烧室内辐射传热 进行了计算，计算所得的燃烧室水冷壁壁面吸收热流值与s e c l u k 等实验结果进 行了对比，发现两种方法所得的计算结果与实验结果定性上符合的很好，定 量上区域法优于热流法。19 8 6 年英国的l o o k w o o d s 和a b b a 1 对前墙布置燃烧器 和切向燃烧两种类型的锅炉进行了气相燃烧模拟，辐射传热模型采用了离散 传播法。 1 9 8 7 年，s h i e h t ”，等人针对气相湍流流动采用k 一占模型、针对气相湍流燃 烧采用快速反应的p d f 模型、针对液雾相采用随机轨道模型，利用数值模拟 方法对燃烧过程进行了研究，并将模拟结果和s h u e n 的实验结果进行了对照， 所预报的气相和液雾相分布、气相温度等与实验结果符合较好，但是气相湍 动能的计算结果较差。 1 9 9 5 年，a k t o l p a d i n n 对某燃气轮机燃烧室内两相流动进行了数值计算， 气相方程在欧拉坐标系下进行求解，采用液滴喷雾燃烧模型计算两相流，液 体燃料蒸发和运动在拉格郎日坐标系下进行求解。计算在非正交曲线坐标系 下，采用标准k 一占湍流模型，p d f 燃烧模型。为了进行比较，同时计算了燃 料处理为气相的燃烧流场，与两相燃烧的计算结果一起和实验数据进行了比 较，指出两相燃烧的计算结果更接近实验数据。 1 9 9 9 年，a d a t t a 、s k s o m t ”研究了燃气轮机燃烧室中不同压力和旋流条 件下液雾的燃烧和喷射特性，发现了在低压情况下旋流数增加会降低燃烧效 率，高压情况趋势相反。2 0 0 2 年，b z a m u n e r 、p g i l b a n k n 3 1 等人对某圆筒形燃 烧室内两相反应流场进行了数值模拟。燃烧室采用液体煤油作为燃料，煤油 与空气的混合物通过个旋流喷射系统进入燃烧室。研究采用拉格郎日方法 来描述液滴行为，与描述气相流动的欧拉方程耦合计算，考虑了湍流流动引 起的液滴分散，采用k s 双方程湍流模型，指出了旋流密度对整体流场参数 的影响。 2 0 0 5 年，f z s i e 玎a 和j k u b i a k n 町等人用f l u e n t 软件对某燃烧室内部的燃 烧场进行了的数值模拟，采用标准k 一湍流模型、部分预混燃烧模型、用控 3 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 制容积法求解守恒方程。通过对多个不同的压力进口边界条件下燃烧场的数 值计算表明：在联焰管周围有一高温区存在，这个高温区可能是由于空气进 口和一次射流孔处的压力波动造成的。同年，a s a a r i o n 刚等人对柱状燃烧室内 的重油燃烧进行了数值模拟，分别对湍流模型和r s m ( 雷诺应力模型) 进行 了比较，发现标准k s 湍流模型并不适合模拟燃烧室内高强度旋流流场，而 r s m 模型则适用于模拟燃烧室内的高强度旋流流动，模拟得到的燃烧室内烟 气各种成分浓度的分布与试验测得的结果基本吻合。 1 2 2 喷雾燃烧的国内研究现状 近年来，国内对燃烧场的研究也取得了较好的成绩。1 9 9 8 年，杨振中n 卅 对不同燃烧室几何形状下的压缩流场进行了计算分析，指出了挤流口燃烧室 可以增强流场的均匀性和增大流场速度，从而有利于油膜雾化燃烧方式。 2 0 0 1 年，姚寿广、马哲树n ”等人针对选配文丘利型油燃烧器的燃油锅炉 中液雾燃烧的特点，提出了一种数值模拟分析模型及处理方法，据此数值模 拟了某单只文丘利油燃烧器出口的气液两相流动与燃烧，给出了流场中的速 度场、温度场以及浓度场的分布信息，这些结论为该型燃油锅炉的进一步设 计和运行以及燃烧室的布置提供了有益的依据。 2 0 0 2 年，张毅勐、刘敏飞、张鹤声“砌采用k 一占双方程湍流模型、p d f 燃 烧模型及d o 辐射模型对w n s 型卧式内燃燃油( 气) 锅炉炉内的流动、传热、 传质进行了数值模拟，分别采用天然气和轻柴油为燃料，对炉膛内的热流分 布，温度分布进行了比较分析。数值计算得到，在相同的锅炉供热量情况下， 燃油炉膛出口烟温比燃天然气炉膛出口烟温低3 0 。c 7 0 ，旋流强度对炉内 温度分布和热流密度分布有显著的影响，壁面温度对炉内温度分布及辐射换 热的影响较小，但对烟气与炉壁间的对流换热影响较大。这些结论为w n s 型 锅炉的开发和设计提供了有效的研究手段。 2 0 0 4 年，周桂娟、毛羽“引等人对燃油加热炉的燃烧过程进行了三维的数 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 值模拟。其中，对燃烧器的复杂几何形状没有进行任何简化，实现了包括炉 膛的结构化网格划分。在前人的基础上发展了计算燃油燃烧过程完整的数学 模型，气相湍流流动采用k 一占模型，液雾颗粒相湍流流动采用随机轨道模型， 湍流燃烧采用e b u a r r h e n i u s 模型，辐射传热采用离散坐标模型。计算得到了 炉内流场、温度场、液滴分布、组分分布的详细信息，并对炉内的燃烧特性 进行了分析和解释。该计算结果为燃油加热炉的设计和优化提供了很好的参 考依据。 2 0 0 6 年，大连理工大学的刘亚琴、李素芬n 哪等人将燃油锅炉改烧瓦斯气， 利用f l u e n t 软件对炉内流动及燃烧状况进行三维数值模拟。带旋流的湍流 流动采用r e a l i z a b l e k s 模型，湍流燃烧采用p d f 模型，辐射模型采用p 1 模型。 计算给出了炉内流场、温度场及热流密度沿高度分布。计算结果对于燃气锅 炉运行及锅炉改造有很好的理论指导意义。同年，哈尔滨工程大学的冀光、 张文平妇”等人用f l u e n t 软件对某型燃气轮机燃烧室的燃烧流场进行了数值 研究，模拟过程中采用“简单化学反应系统”模型、“快速化学反应 的假 设和r n g k 一占湍流模型。模拟结果表明，控制过量空气系数和燃油雾化粒径 对提高燃烧室工作性能和降低污染物排放具有重要意义。 下面介绍一下实验研究的当前现状。1 9 9 1 年，范仲华n 2 讨文丘利燃烧器 的结构特点及在工业锅炉上的应用作了研究。从试验结果中看出，文丘利燃 烧器具有单独烧油和燃气的功能，不但使锅炉出力达到了设计指标，而且锅 炉效率均有明显的提高。燃烧器阻力小，一、二次风配置合理，空气与油雾 混合良好，燃烧完全，消除了水冷壁及炉墙结焦现象，节能效果明显。此种 燃烧器结构简单，操作使用方便，是一种理想的燃烧器。 2 0 0 4 年，张蒙正、李鳌，等人通过实验方法，研究气液同轴离心式喷嘴 的流量特性及气液之间的相互影响，研究压降及缩进长度对喷嘴雾化特征的 影响。研究表明，液喷嘴流量受气喷嘴压降影响，流量增大或减小取决于缩 进室内气喷嘴对液喷嘴产生的是引射还是堵塞作用；同一喷嘴，液膜破碎长 度及液滴尺寸随压降增大而减小；液滴尺寸分布沿喷嘴横截面呈马鞍型分布， 哈尔滨下程大学硕十学位论文 曲线的最高点和分布宽度随喷嘴几何特性及压降变化；提高气液之间的相对 运动速度，可提高雾化质量；随着缩进长度增大，雾化质量明显变好。 2 0 0 5 年，朱锡锋、郭涛n 帕等人研究了自热式生物质热解液化工业小试装 置获得的生物油的雾化燃烧特性，试验在自制的高压内混式雾化燃烧装置上 进行。由试验结果可以看出，生物油不做任何品质提升即可实现稳定的燃烧， 且火焰温度达1 4 0 0 以上，可以满足工业窑炉和燃油锅炉等热力设备的使用 要求。 2 0 0 6 年，王建志、王永堂嘧，等对增压锅炉用蒸汽机械雾化喷油器的流量 特性进行了试验研究，同时应用欧拉模型进行了数值模拟计算，提出了采用 折算阻力系数的边界条件修正方法。通过研究数据可以看出，在同等压力条 件下，雾化气的存在导致喷油器流量减小，且应用文中提出的计算方法所得 出的计算结果与实验数据吻合得很好。 目前国内外关于燃烧器及炉内流场的实验研究和数值模拟做了大量的工 作，主要集中在煤粉燃烧器和燃气轮机燃烧室方面，常压燃油锅炉燃烧器的 数值模拟也有一定的研究，然而对于增压燃油锅炉这方面的研究尚处于探索 阶段。 1 3 课题研究内容 本文以增压燃烧试验平台中的增压锅炉炉膛作为模拟的对象，通过给出 炉膛湍流流动模型、湍流燃烧模型、离散相模型和辐射换热模型等数学模型， 深入地描述了在增压情况下锅炉炉膛内流体动力特性、燃油雾化和燃料燃烧 等方面的特性，从而更好地研究增压锅炉炉膛内的烟气流动、传热和燃油燃 烧的机理。 本文研究内容包括以下几个方面： 1 、对具有单只调风器的炉膛模型进行冷态气相流场的数值模拟，分析炉 内空气动力场，考察调风器负荷及稳焰器位置对回流区大小的影响。 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 2 、采用d p m ( d i s c r e t ep h a s em o d e l ) 模型对燃油雾化进行冷态喷雾过程的 数值模拟，分析雾化的燃油颗粒随时间的变化情况，并且考察不同工况下燃 油雾化的特性。 3 、对单只燃烧器和燃烧器对冲布置的炉膛结构分别进行增压燃烧流场的 数值模拟，分析速度、温度、组分等重要流场参数的分布，考察过量空气系 数对火焰形态的影响。 7 哈尔滨下程大学硕七学位论文 第2 章数学物理模型及求解方法 增压锅炉内部燃料的燃烧是一个非常复杂的物理化学过程，炉膛内存在 两相流体流动过程，雾化燃料液滴在运动过程中有加热与蒸发，燃料液滴与 气相之间有力的耦合、质量、动量及能量的迁移等等。炉膛内同时存在强烈 的气体与气体之间、气体与壁面之间、气体与燃油液滴之间的对流换热、辐 射换热和热传导。因此，在对增压锅炉内部燃烧过程进行模拟时，上述各种 因素都要考虑在内。本章给出描述增压锅炉炉膛内部燃烧流场的数学模型， 并介绍其求解方法。 2 1 基本控制方程 对于增压锅炉炉膛内部三维湍流反应流场，从输运定律出发，基于连续 介质假设，其守恒型基本控制方程组的一般形式描述如下慨引： 连续性方程： 詈+ 去( 删= ( 2 1 ) 式中，p 为混合气体的密度；为混合气体的速度；最为从离散相加入到连 续相中的质量( 比如液滴的蒸发) 和自定义源项。 动量守恒方程： 知) + 毒( 嗍卜詈+ 毒( 砂刚巧沿2 ， 式中，p 为混合气体的压力；腮和e 分别为f 方向上的重力体积力和外部体 积力( 如连续相与离散相作用产生的升力) ；为混合气体的粘性应力张量， 乃= 考+ 玺) - 詈考岛 c 2 书， 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 式中，为混合气体的动力粘性系数；岛为二阶单位张量。 组分方程： 昙( 肌) + 毒( 川= 考( 厂，善) + 玛+ 墨幺， ( 2 删 式中，m ，为组分z 的质量分数，m ，= p , p ；岛为组分，的质量密度；r j 为化 学反应中组元，的质量生成率；s i 为由质量源加入的组元z 的质量生成率。 能量守恒方程： 昙( 叫+ 昙( 例，办) = 考卜考 + 詈+ 苦 盯， ，瓦a t 7 1 1 + c u - r d 旦a x jf ，t 丝2 ) 、1 j + ( 2 - 5 ) 式中，h 为混气的总焓，h = y m , h , + i 1 甜2 ；历为j 组分的静焓， 岛= q ，d t + 岛，。；岛，。为温度为写时，组分的焓值；正为，组分的交换系数， 厂，= d ，p ；巴，为，组分的等压比热；口为混和气体的扩散系数；l 为混和 气体的热交换系数，l = 。吒；z 、o h 分别为混和气体的粘性系数、普 朗特数，o - h 0 9 ；、1 1 分别为辐射热流和组分数。 状态方程： p = 艺p m ，r t i m j ( 2 6 ) 式中，m 为歹组分的质量分数，m j 为组元的摩尔质量，r 为通用气体常 数。 经过适当的模化处理后，气相和固相的上述各个时均守恒方程都可以写 成如下的通用形式： 9 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 昙( 删+ 毒( 艘，) = 毒( _ 母罢) + & c 2 剞 式中，表示任意独立变量；r o 为湍流交换系数；& 为源项。 方程各项的物理含义对应为：非稳态项+ 对流项= 扩散项+ 源项，本文研 究的是稳态过程，非稳态项为0 。 2 2 湍流模型 在调风器和锅炉炉内的气流流动几乎都是湍流流动，湍流是一种高度复 杂的三维非稳态、带旋流的不规则流动。在湍流流动中的各种物理参数，如 速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化，要确定每一瞬间的湍 流流动参数值是很困难的，目前通常处理湍流所采用的基本方法是雷诺时均 方程法。其基本思想是：湍流量的瞬时值总可以分解为该量的平均值和脉动 值的线性叠加，也就是所谓的雷诺分解啪一。雷诺方程的一般形式为： 昙( 却) + 咖( 妒) = d v ( 删一p u ；u - 万) + 薯 ( 2 8 ) 其中，一p u l u i 表示湍流应力，也称为雷诺应力。湍流模型就是为了求解雷诺 方程中引入的雷诺应力这一未知项而引入的。 目前，用于模拟湍流流动的模型有好几种，比如：标准七一占双方程模型、 r n g k 一占模型、r e a l i z a b l e 七一s 模型及雷诺应力模型等，这些模型和方法各 有其适用范围和优缺点m ，。r e a l i z a b l e k s 模型较标准七一占模型有以下的特 点： 1 、湍动粘性系数发生了变化，引入了与旋转半径和曲率有关的函数； 2 、f 方程发生了很大变化，方程中的产生项不在包含有七方程中的产生 项q ； ， 2 3 、方程中的c 2 p 三产项不具有任何奇异性，既使七值很小或为零， 一七+ 垤 分母也不会为零。 l o 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 在增压锅炉炉膛内，气流从调风器喷入炉内，在调风器出口形成一股强 烈的旋转气流，切向叶片旋流调风器旋流强度s 。的近似表达式： 铲赢赫 9 ) 式中，z 为叶片数目，z = 2 4 ；为叶片倾斜角度，= 4 0 。；b 为叶片的宽 度，b = 0 1 7 4 m ；九为当量直径，丸= 0 2 8 6 m 。 由式( 2 9 ) ，得出s n = 0 8 5 6 ，所以本文模拟的调风器和炉膛内的流动 是一个强旋流动。 对于调风器流场结构具有三维强旋流动这一特征，本文采用 r e a l i z a b l ek 一模型来进行气相湍流流动的模拟。与标准k s 双方程模型和 r n g k 一占模型不同，r e a l i z a b l e k s 模型能够满足对正应力的数学要求，反 应出湍流的物理特性协”。 在不可压缩流动中，雷诺正应力可用b o u s s i n e s q 和涡流粘性来表示： 一以以= 一专蛾+ k ( + q ，) ( 2 1 0 ) ：丝 ( 2 11 ) p 鸬= 孵等 ( 2 1 2 ) 式中，z ，为混合气体的湍流粘性系数；c 芦= 0 0 9 ；磊为二阶单位张量；k 为 湍流动能；占为湍流耗散率。 当时均应变率特别大时，用( 2 - 1 2 ) 来计算( 2 1 1 ) ，此时有可能导致 正应力为负值，这种情况是不可能实现的。为保证计算结果的可实现性，使 流动符合湍流的物理定律，需要对正应力进行某种数学约束。为保证这种约 束的实现，最直接的方法是利用平均流动和湍流特性( k 、s ) 将c ，表示为 变量，与应变率联系起来。r e a l i z a b l e k 一占模型中k 方程和占方程表示为： ；丝篁堑鳖丝型塑璧一 掣+ 掣= 就+ 等崩峥胪 挈+ 掣= 考陋+ 等) 考 + 以豇一g p 熹c 2 州， 式中，为混合气体的动力粘性系数；q 是由于平均速度梯度引起的湍流动 能k 的产生项， q = 鸬( 考+ 当b u j 考 - 1 5 ) lo 畸 与标准七一s 双方程模型不同，在该模型中c l 、巳不再为常数， q = 一( 0 4 3 ，专) ，q = 不硒1 丽( 2 - 1 6 ) 刁：( 2 西秽冬，儿再雨瓦 ( 2 _ 歹 ，= 一2 c “k c o k ，= 瓦一魄 ( 2 1 8 ) 这里的歹 ，是从角速度为啤的参考系中观察到的时均转动速率张量，对于无 旋流场，u 计算式根号中的第二项为零，该项专门用以表示旋转的影响，也 是本模型的特点之一。在模型中， 枷c o s 川扣( 廊) 一黔- - - - i 2 啼牾引 常数值为：仃。= 1 0 ；仃，= 1 2 ；e 2 = 1 9 ；, 4 0 = 4 0 。 2 3 离散相模型 炉膛内的喷雾混合过程是一个伴随传热、传质的复杂气液两相流动过程， 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 需要分别求解气液两相流的控制方程。在离散液滴模型( d p m ) 的框架内， 气相控制方程一般用e u l e r i a n 坐标系中n - s 方程描述，而液相控制方程则在 l a g r a n g i a n 坐标系中对单个液滴的行为进行描述，两相间的耦合作用则用气液 相互作用的源项来考虑。 1 、雾化模型 本文所选用的气液同轴喷嘴的雾化过程是极其复杂的，一般认为，在这 个过程中起主要作用的是气、液两相组元间的相对高速运动。这种高速运动 在液体表面产生不稳定的表面波，进而在气动力的作用下液体表面不稳定波 不断增长直到破碎成液雾，或者是气相不断将微小液团从液相表面剥离从而 实现雾化m ，。 ：彳= ；毛亍= = 丢= = 亏亍书霉- 弗囊 图2 1 喷嘴内部流动转变为喷雾状态的理论步骤 f l u e n t 提供了五种雾化模型，包括：平口喷嘴雾化、压力一旋流雾化、 转杯雾化、空气辅助雾化和气泡雾化。本文采用了压力一旋流雾化喷嘴模型 进行了数值模拟，流体通过旋流片被加速后，进入中心旋流室。在旋流室内， 旋转的液体被挤压到固壁，在流体中心形成空气柱，然后，液体以不稳定的 薄膜状态从喷口喷出，破碎成丝状物及液滴。在气体透平、燃油炉、直接喷 射点火式汽车内燃机的液体燃料燃烧中，压力一旋流雾化喷嘴使用很广泛。 液体从内部流到完全雾化的过程可分为三个步骤：液膜形成、液膜破碎及雾 滴形成。”。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 、液滴碰撞及破碎模型 碰撞模型假定碰撞发生的频率远小于颗粒计算的时间步长。如果时间步 长太大，计算结果将依赖于此时间步长，用户必须相应地调整颗粒的长度标 尺( 特征尺寸) 。此外，此模型比较适合于低韦伯数碰撞，在这种情况下碰撞 的结果是合并或反弹，而当韦伯数大于1 0 0 时，碰撞将引起液滴的破碎。 o r o u r k e 的方法用碰撞体积的概念来计算碰撞概率。此方法计算小液滴 在碰撞体积内的概率，而不是看是否小液滴轨迹中心线的位置处在碰撞体积 内。碰撞次数的概率分布服从泊松分布： 尸( 疗) 玎”丢( 2 - 1 9 ) 其中，刀为集合液滴管( 即大液滴) 与其它液滴的碰撞数。 一旦两个液滴发生碰撞，就需要确定碰撞的结果。一般说来，如果是正 碰的情况，结果倾向于液滴的合并；如果是侧碰，则倾向于反弹。临界值是 碰撞韦伯数耽及集合液滴管与小液滴的半径的函数，表达式为： 包= ( ，i + r 2 ) ( 2 - 2 0 ) 其中为r 。r 2 函数，实际碰撞参数b 为“+ 吃) 4 - ，其中j ，为平均偏差。 若b a ，则认为油滴破碎。也就是说，当液滴的振荡达到某一临界值后，“父 液滴将破碎成“子”液滴。本文采用的就是t a b 破碎模型。 3 、离散相与连续相间的耦合 当计算颗粒轨道时，f l u e n t 跟踪计算颗粒沿轨道的热量、质量、动量 的获得与损失，这些物理量可作用于随后的连续相的计算中去。于是，在连 续相影响离散相的同时，也应该考虑离散相对连续相的反作用。交替求解离 散相与连续相的控制方程，直n - 者均收敛( 二者计算解不再变化) 为止。这 样，就实现了双相耦合计算。 1 ) 质量交换 当颗粒穿过每个f l u e n t 模型的控制体时，通过计算颗粒的质量变化来 求解连续相传递给离散相的质量值。颗粒质量变化值可简写为： m ：- - 砌 p , 而p ，o ( 2 - 2 1 ) = 。() m p ，o 2 ) 动量交换 颗粒动量变化值为： 肚【- 带叫+ k 卜 2 2 ， 2 流体粘度，砟2 颗粒密度，砟2 颗粒直径，r = 相对雷诺数，甜p = 颗粒 速度，u = g i 体速度，c o = 曳力系数，砟= 颗粒质量流率，缸= 时间步长，e 岍= 哈尔滨工程大学硕七学位论文 其它相间作用力。 3 ) 热量交换 当不存在化学反应时，热量交换的计算式为： q 2 l - 去勺乙+ 等( 一+ + 刀) 卜 沿2 3 ， 其中，m p 5 控制体内的颗粒平均质量，m p , o = 颗粒初始质量，c p 2 颗粒比 热容，乙= 控制体内颗粒的温度变化，a m p = 控制体内颗粒的质量变化，吆2 挥发分析出潜热，2 挥发分析出时热解所需热量，0 ，2 析出挥发分的比 热，= 离开控制体颗粒的温度，2 焓所对应的参考温度，r a p , 0 = 跟踪颗粒 的初始质量流率。 这个质量交换、动量交换和热量交换作为质量“源”、动量“源 和热量 “源作用到随后的流体相质量、动量、热量平衡计算中。 4 、液滴的扩散模型 液滴在气流中的湍流扩散用随机轨道模型处理。其基本思想是：在计算 液滴的随机轨道时，考虑了气相脉动随机速度对颗粒运动的影响，即由颗粒 瞬时动量方程出发，随机地给定气体的瞬时速度，用m o n t e c a r l o 法计算随机 瞬时流场中颗粒的随机轨道以计入流体湍流对颗粒的作用，。气流的速度采 用气流涡团的瞬时速度，而不是气流的平均速度。这瞬时速度由平均速度加 脉动速度得出。脉动速度的表达式为： “= ( 2 k 3 ) 尼e r r 一( r ) ( 2 2 4 ) 其中，k 为湍流动能，e r f 1 为反误差函数，r 是随机数，一1 灭l 。 液滴与气流涡团的作用时间取涡团的生存期和液滴穿越涡团所需时间中 较小的一个，即= m n g ，) 。随机涡团生存期取为随机涡尺寸与脉动速 度之比， t = l ，乙：蟛譬 1 6 ( 2 - 2 5 ) 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 液滴穿越随机涡团的时间由运动方程的简化形式得出， 社h 1 - ( 南 ，f 弓店司d 两 协2 6 ， 当彘 l 时，上式无解，表示液滴被涡团捕获，此时k = 乙。 f i u v l 随机轨道模型主要优点是计算简单，当颗粒有较复杂的变化经历时，能 较好的追踪颗粒的运动，数值计算时也不会产生伪扩散；还有就是考虑了流 体湍流脉动对颗粒的影响。其缺点是难以完全模拟颗粒湍流的输运过程，也 难以给出能与实测的颗粒欧拉场特征相对应的颗粒速度及浓度空间分布的相 近数据。 2 。4 湍流燃烧模型 湍流燃烧化学反应是一个十分复杂的过程，即使是纯燃料( 如氢、一氧化 碳或甲烷) 其燃烧反应也是包含几种至几十种的中间产物，几个至几百个中间 反应的复杂反应。由于计算机条件和燃烧模型的限制，若考虑如此复杂的链 反应过程，要解出各种中间产物和最终产物在空间各点的分布是相当困难的 t 。在对锅炉炉内燃烧过程的模拟中，需要考虑的重点问题往往是燃烧的气 动力效应( 如速度的大小及分布) 和热效应( 如效率、温度和热流强度等等) ， 而且化学反应对流动过程的影响也主要是由它的热效应引起的。基于这个特 点，本文采用了可以绕过化学反应详细机理，而又基本满足实际需要的“简 单化学反应系统 和“快速化学反应”的模型和假设。 1 、简单化学反应系统假设 1 ) 简单化学反应是指燃料与氧化剂按一定比例，进行化学反应，产生一 定的燃烧产物： l k g 燃料+ s k g 氧化剂叶( 1 + s ) k g 燃烧产物 这意味着忽略了化学反应各中间过程以及中间产物，把化学反应简化为 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 单步不可逆反应。式中，s 为理论氧气量，即完全燃烧l k g 燃料在理论上所 需的氧化剂量，也可称为化学恰当比，s 仅与燃料和氧化剂种类有关，而与 状态无关拍”。 2 ) 系统中各组分的交换系数r 序、r 甜及r 矿( 下标 指燃料、嬲指氧 化剂、指燃烧产物) 彼此相等，而且设f ，= f 。( r ，是，组分交换系数、l 是 热交换系数) ，即路易斯数l e = l 。在流场中同一点上所有的r 值均相等，但 r 值是空间的函数。 3 ) 系统中各组分的比热相等，而且与温度无关，这个假设仅是为了简化。 但因燃烧流场中，随着气流温度增加，比热也增加，因此在流场计算中，比 热是随温度和成分而改变的，不是常数。 虽然简单化学反应系统的假设与实际情况差别较大，但是它可大大减少 计算工作量。为了提高其计算精度，在使用中可针对具体情况，去掉部分假 设。 “快速化学反应 假设反应速度无限大，燃料和氧化剂一旦混合，它们 之间的反应立刻完成，火焰区收缩为一个极薄的火焰面，燃料和氧化剂不共 存。从化学动力学的观点来看，快速反应意味着化学反应速率无限大，从化 学热力学的角度看，快速反应意味着体系处于热力学平衡状态。 2 、混合分数 在气相扩散火焰中，燃料和氧化剂是处于不同流中。在其发生反应之前， 两者的接触必须达到分子水平。当混合时间尺度比反应时间尺度大得多时， 必须详细考虑湍流混合过程，但可以假设是瞬时化学反应( 快速化学反应) ， 可以采用平衡算法来计算反应过程。在综合燃烧模型中有一种基于此假设的 方便的应用广泛的方法，即混合分数法m “，。由于混合分数法无需求解大量的 物质传输方程就可以模拟湍流反应流动中中间产物的形成、湍流与化学反应 的相互作用，并且其计算效高，比有限速率法得出更精确的流体平均密度。 对扩散火焰，引入混合物分数厂的概念 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 厂善兰丑( 2 2 7 ) ，= 一 6 i ， 。 爿l x 2 其中，x 。、石，分别代表燃料侧及氧化剂侧的x 值。 混合物分数厂也是个守恒标量，其守恒方程为 昙+ 号b i s ) = 旦o x jf ( , 加笪o x jj ( 2 哪) 厂表示混气的综合质量成分，是一个守恒量。凡是守恒量均有这样的性 质，即都是无因次的量，而不是物理量，它是由每千克混气的某物理量所组 成的一个综合变量；守恒量不随时间而变，但可随空间而变。 在燃烧室中经常是由两股气流组成的混气，一股气流是燃料( 这里假定 是已蒸发或气态燃料) ，另一股是空气。如果设燃料气流的流量为厂蚝，空 气流量为( 1 - f ) k g ，混合后混气的流量f f ；j l k g 。又假设燃料流中全部为燃料， 即m i f 。f = 1 ，空气中氧质量分数为，4 ，燃料与氧气混合后发生化学反应， 在反应过程中燃料和氧的质量分数都会发生变化，混合前后气流总流量都是 l 埏，但燃料由f k g 减少到肌，i l 蚝( 下标m 表示混合气体，彳表示空气) ， 氧由( 1 一厂) 。一k g 减少到朋k g ，按化学反应规律，其变化关系为： 厂一，= ( 1 一f ) m o 。，4 一m o x 】s 经过整理得：厂基! 塑二丝兰k 三塾：生兰( 2 - 2 9 ) j 1 + m 叫| s 其中所序，和m ，分别为燃料、氧气和燃气的质量：s 是燃烧l k g 燃料所需的 氧气的质量；下角标彳表示空气，朋表示混合物。 在式( 2 2 9 ) 中厂也是一个守恒量，因为它也能满足式( 2 - 2 9 ) 的条件， 这个厂是混气的混合分数，& p l k g 混气中含有厂k g 未燃的燃料，导出式( 2 2 9 ) 时只假设混气中的化学反应是均匀的，无其它假设。因此，该式具有普遍意 义。厂的实际意义在于，它可以度量混合进行的程度。由式( 2 - 2 9 ) 可知， 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 当f = 0 时，混气中只有；当厂= 1 时，混气中只有坍庸，所以厂= 0 或f = 1 都表示未混合状态。当燃料与氧混合时，厂值在o n l 之间。 3 、湍流扩散火焰模型 把燃油燃烧所需要的时间分为两部分：燃烧化学反应的时间记为f ，除 此以外如油滴蒸发、混合、加热、燃烧等过程所需时间称作物理过程所需时 间，记为f pt 柚“，。如果认为这两个过程依次衔接地进行，那么，总