（热能工程专业论文）300mw四角喷燃锅炉燃烧及nox排放特性的数值模拟.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文首先对炉内燃烧及n o ，生成的模拟方法进行全面综述及分析，然后采用 c f d 商业软件对山东石横电厂3 0 0 m w 四角切圆锅炉进行数值模拟，得到不同工况 下流场、温度场和组分场，并以此为基础，计算得到了n o 。的生成及分布情况。通 过对结果的进一步分析，得到了燃料型n 嘎和热力型n 仉在总n o 工中所占的比例、 n 仉的生成与温度场和组分场的对应关系、n o ，的生成随负荷的变化情况以及配置 燃尽风的分级燃烧方式对降低n o ，的有效程度。 关键词：四角切暇锅炉，燃烧数值模拟，n o ， a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , m e t h o d sa b o u tc o m b u s t i o na n df o r m a t i o no fn 仉i n u t i l i t yb o i l e ra r e d e s c r i b e da n d a n a l y s i s c dc o m p r e h e n s i v e l y ，t h e nh a v e an u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e t a n g e n t i a l l y f i r e df u r n a c eo f a3 0 0m w p u l v e r i z e dc o a lb o i l e ro fs h i h e n gp o w e rp l a n t 诵t l l c f ds o r w a r e ，a n da c q u i r ed i f f e r e n tf l o wf i e l d 、t e m p e r a t u r ef i e l d 、c o m p o n e n tf i e l di n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s o nt h i sb a s i s ，a c q u i r ef o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f n o ，t h r o u g ht h e f u r t h e ra n a l y s i s 、v i t l lt h ea b o v er e s u l t s ，a c q u i r et h es c a l eo ff u e l n o j 、t h e r m a l - n o xi nt h e t o t a l 。t h er e l a t i o no f n 仉f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l d 、c o m p o n e n tf i e l d ，t h ec h a n g i n go f n o zf o r m a t i o nw i t hl o a d ，t h ee f f c c f i v e n e s sf o rt h er e d u c eo fn 仇e m i s s i o nb yt h ew a yo f s t a g e d c o m b u s t i o nw i t ho v e rf l r ea i r s h ij i n m e i ( t h e r r n a l p o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f l i uy a n f e n g k e yw o r d s ：t h e t a n g e n t i a i y - f i r e db o i l e r , 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 ，n o x 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文首先对炉内燃烧及n o ，生成的模拟方法进行全面综述及分析，然后采用 c f d 商业软件对山东石横电厂3 0 0 m w 四角切圆锅炉进行数值模拟，得到不同工况 下流场、温度场和组分场，并以此为基础，计算得到了n o 。的生成及分布情况。通 过对结果的进一步分折，得到了燃料型n 嘎和热力型n 仉在总n 嘎中所占的比例、 n 仉的生成与温度场和组分场的对应关系、n o ，的生成随负荷的变化情况以及配置 燃尽风的分级燃烧方式对降低n o ，的有效程度。 关键词：四角切暇锅炉，燃烧数值模拟，n o 。 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , m e t h o d sa b o u tc o m b u s t i o na n df o r m a t i o no fn 仉i nu t i l i t yb o i l e ra r e d e s c r i b e da n d a n a l y s i s e dc o m p r e h e n s i v e l y , t h e n h a v ean u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e t a n g e n t i a l l y - f a e df i l r n $ 屺：eo f a3 0 0m w p u l v e r i z e dc o a lb o i l e ro fs h h e n gp o w e rp l a n tw i t h c f ds o i t w a m ，a n da c q u i r ed i f f e r e n tf l o wf i e l d 、t e m p e r a t u r ef i e l d 、c o m p o n e n tf i e l di n d i 仃e r e n tc o n d i t i o n s o nt h i sb a s i s ，a c q u i r ef o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f n 0 ，n l r o u g h t h e f i l r t h e t a n a l y s i sw i t ht h ea b o v er e s u l t s ，a c q u i r et h es c a l eo ff u e l n o 。、t h e r m a l n 仇i nt h e t o t a l 。t h er e l a t i o no f n 仉f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l d 、c o m p o r m n tf i e l d ，t h ec h a n g i n go f n 0 jf o r m a t i o nw i t hl o a d ，t h ee f f e c t i v e n e s sf o rt h er e d u c eo fn q e m i s s i o nb yt h ew a yo f s t a g e d c o m b u s t i o nw i t ho v e rf i r ea i r s h ij i n m e i ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c ep r o f l i uy a n f e n g k e yw o r d s ：t h e t a n g e n t i a l y f i r e db o i l e r , c o m b u s t i o n ，n u m e r i e a ls i m u l a t i o n ，n o x 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文3 0 0 m w 四角喷燃锅炉燃烧及n 晚排 放特性的数值模拟，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的。复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名：21 踅主 日期：丛：l 生 日 期：。塑型：! ：! ! 华北电力_ 人学硕+ 学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 我国是世界上最大的煤炭消费国，煤炭火力发电在发电量中占绝对优势，1 9 9 5 年煤炭火力发电约占我国发电量的7 4 ，2 0 2 0 年将占6 7 7 左右。但煤又是一种 不清沽的能源，其所造成的污染是非常严重的。我国国产火力发电机组大部分没有 配备脱硫、脱氮技术。烟气中有害物质无任何控制地向大气排放，造成很大的环境 污染。据资料统计，因燃煤造成的污染物占我国总排放置的比例分别是：s 0 2 9 0 ， c 0 2 7 1 ，n o ，6 7 【2 1 。随着环境保护要求的日益严格，燃煤电站迫切要求发展低污 染煤燃烧技术。 在煤燃烧产生的污染物中，固体污染物包含飞狄、未燃尽微炭粒等，气体污 染物有s o 。n o 。c o 、c 0 2 以及其他微量有机物( 如致癌的多环芳烃) 等。其中， n o ，危害性较大。当n o ，大量排入大气后就会使植物死亡，形成酸雨，还会破坏 臭氧层。锅炉内的温度很高，而且有过量的氧气，因此n o ，的生成是不可避免的， 但如何才能降低它的生成量，保护环境。避免人体受到伤害，是摆在我们面前的课 题。因此根据我国煤质特点研究n o ，的形成与排放特性，具有较强的理论与实践意 义。 众所周知，控制污染气体的排放需要付出昂贵的代价。一个现代电厂的发电成 本在相当程度上取决于污染气体排放控制技术费用的高低。例如【3 】，若采用催化剂 选择法降低n o ，的排放量，按工业发达国家估计，设备改造成本约2 0 $ k w ，一个 3 0 万千瓦锅炉的改造费约达6 0 0 万美元，而采用在燃烧器内降低n o ，技术，其费 用则要少得多。因此，深入地研究污染气体形成机理，研究并丌发低成本、有效地 降低污染气体排放的新技术，无疑是极为重要的。目前，电站锅炉采用低n o ：燃烧 是一投入少，适合我国国情，见效快的发展道路。 四角切向燃烧煤粉锅炉是目前世界上比较常用的电站锅炉类型之一，其燃料适 应性好、风粉混合均匀。目前，四角切向燃烧是我国应用最广、最为成熟的燃烧方 式。研究四角切向燃烧锅炉炉内的流动、燃烧以及污染物的生成特性，具有重要的 工程应用价值。大量的文献报道了对该类型锅炉的研究工作1 ，其中包括实验测定 和数值模拟。 燃煤电站锅炉的n o ，排放特性复杂，受煤种、锅炉、设计结构、操作参数等多 种因素影响，很难采用简单的公式进行估算，往往需采用实炉测试方法加以确定， 并由试验结果摸索降低n o 。的方法，但现场实炉测试工作量大，测试工况有限各 华北电力人学硕十学位论文 参数对锅炉n o 。排放特性都有影响，且互相叠加，导致数据分析困难，而无法根据 测试结果获得估算公式和具体的计算模型，不能将试验结果进步推广。又由于锅 炉燃用煤种和操作参数千变万化，不可能保证在试验工况下运行，从而无法根据试 验工况预测拟操作工况下的n q 排放特性，不利于大型燃煤锅炉通过燃烧调整降低 n o ，排放。 随着计算机技术以及计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学等学科的发展， 计算机模拟技术得到了飞速发展。以c f d 为基础的数值模拟日益成为各国能源动 力领域的研究者们用来研究锅炉炉内过程的重要手段。数值模拟方法速度快，获得 的信息量大，能全面预报炉内的流动、传热和燃烧过程，为锅炉的设计、运行和改 造提供重要的参考依据，具有重要的工程应用价值。因而，通过炉内过程的全模拟 数值计算，分析炉内的空气动力场、温度场，来对燃烧过程中n o ，的生成做出预报 成为可行的研究手段。 1 2 国内外研究动向 煤粉在炉内的燃烧是一个非常复杂的物理化学过程。炉内过程数值模拟是根据 炉内湍流流动、传热传质和燃料燃烧的基本理论建立数学模型，采用合理的算法， 以大中型计算机为工具计算炉内的速度场、温度场、各气相组分的浓度分布以及颗 粒的运动轨迹等。在这些方面，前人已经做了许多工作。 七十年代和八十年代是模型发展、完善和初步开始应用阶段，如s p a l d i n g 的湍 流燃烧模型，c r o w e 等的气固两相模型，p a t a n k a r 的s i m p l e 算法：b e m e c h & k r e m e r ， a b b a s & l o c k w o o d ，和b o y d & k e n t 等对炉内过程中不同方面的初步模拟。从九十年 代起，炉内三维流动、传热和燃烧的模型与方法趋于成熟，炉内过程的模拟也趋于 全面和实用阶段，并推出了许多这方面的商业软件，有英国帝国理工大学教授 s p a l d i n g 等人开发的p h o e n i c s 软件，以及f l u e n t 、s t a r - c d 、c f x 4 、c f x 5 、 c f x t a s e f l o w 等大型软件最具代表性。 我因的研究者也在炉内过程的模拟方面取得了很大的进展，其中代表性的文献 有： 浙江大学钱力庚【6 】对3 3 0 m w 对冲燃烧锅炉炉内的流动、传热和燃烧过程及氮 氧化物( n o ：) 的生成过程、炉内的结渣过程作了详细的数值研究，预报了气相速 度场、温度场和氮氧化物( n o 。) 的浓度场以及煤粉颗粒的运动轨迹。樊建人【7 】等 对6 0 0 m w 的电站锅炉炉内的流动、传热和燃烧进行了数值模拟，认为引入顶部燃 尽风( o f a ) 可有效控制n 仉的生成。湖南省电力试验研究所的黄伟1 8 】等对3 0 0 m w 四角切圆锅炉合理地模拟了炉内的流动、燃烧和传热过程后，采用后置处理法模拟 计算了n o 。的生成过程。在n o 。的生成模型中，考虑热力n o ，及燃料n o ，的生成， 2 华北电力大学硕士学位论文 忽略瞬态n 仇。对于热力n o ，的生成采用z e l d o v i c h 机理进行计算：对于燃料n o x 的生成，采用d e s o e t e 提出的总体反应速率模型进行计算。由于燃煤锅炉中的流动 是复杂的两相湍流，采用1 3 - - p d f 模型考虑了湍流脉动对燃料n q 生成速率的影响。 模拟预报的热力n o ，及总n o ，在炉膛内的分布是合理的，计算得到的n o 。排放浓 度与试验结果基本吻合。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室徐明厚【9 l 以一台前墙 布髯有2 4 只旋流燃烧器的3 5 0m w 燃煤电站锅炉为研究对象，对锅炉在1 0 0 、9 5 、8 5 、7 0 和5 0 额定负荷下的流动、燃烧和n 晚排放进行了全炉膛数值模 拟。模拟结果与锅炉运行和实测数据进行了全面比较并发现除5 0 负荷外，其余工 况两者符合情况良好。清华大学郭印诚【m 】认为应考虑湍流与化学反应之间的相互作 用，将有限反应速率的二阶矩模型用于封闭湍流流场中n o 生成的时均反应率，并 将热力n o 及煤粉燃烧过程中燃料n o 的生成模型，耦合到煤燃烧的双流体模型为 基础的计算程序中去，和煤粉燃烧的其它子程序一起耦台迭代求解，并应用此模型 模拟了大速差燃烧室内烟煤及贫煤粉燃烧时n o 的排放。 国外方面，b o y d 和l o w e 】对5 0 0 m w 塔式切向燃烧锅炉进行了模拟。气相场 用s i m p l e 方法求解j 一占双方程紊流模型，用拉格朗同颗粒轨道法对煤粉颗粒运动 做了模拟，用随机法对其弥散做了描述，两相耦合用了p s i c 法，并分别计算了煤 热解、挥发份燃烧和焦炭燃烧。炉内辐射换热用了离散辐射法。为了验证模拟计算， b o y d 将其结果与实际炉子的冷念流场进行了比较。f o r t s c h ，d i e t e r k l u g e r 等1 1 2 】建立 了煤粉分级燃烧情况下，n o 排放的动力学模型。c h o ，s m c o n n 等i i 叫对高效动力 系统炉膛在高温下焦炭的燃烧特性进行了研究。r i z k ，t o n y 等1 1 4 1 分析了二次风分稚 对大型电站锅炉n o x 生成率的影响。v i s o n a ，s p s t a n 等【l5 1 以一台2 7 5 m w 电站锅 炉为研究实体，对n o ，的生成进行了三维模拟。 1 3 论文的主要工作 1 对描述煤粉锅炉炉内的流体流动、传热传质和燃烧过程的各种数学模型及数值 模拟方法进行概述、分析和总结。并结合本课题的实际，对模拟炉内过程和n 仉 生成特性的数学模型和数值方法做出合理的选择。 2 结合山东石横发电厂3 0 0 m w 四角切向燃烧锅炉( 最大连续蒸发量1 0 2 5 t h ) 进 行详细研究，根据其结构参数、设计参数、运行参数，对炉膛内的流动、传热 和燃烧进行数值模拟。首先要建立炉膛的三维结构框架，划分网格，设置边界 条件，然后选用不同的模型和方法进行数值模拟，再进行比较，找出最为适用 的模型和方法，根据模拟的结果，描绘出炉膛内的两相流场、温度场、热负荷 分布、颗粒浓度分布等。在此基础上探索该炉的n o ，排放特性。 3 考虑到燃煤锅炉n o ，的排放特性非常复杂，受到如煤种、锅炉负荷、配风方式、 3 华北电力人学硕士学位论文 炉型、燃烧器型式、炉温、过剩空气系数、煤粉细度、风粉分配均匀性等多种 因素的影响，其影响关系较为复杂，本文对3 组工况模拟n o ，的生成与分布， 通过摸索和数据分析，考查n o ，在四角切向燃烧锅炉中的生成规律。重点探讨 炉内空气量、炉温与n 仉生成之间的对应关系并提出可行的措旌。 4 华北电力入学硕士学位论文 2 1 气相湍流流动 第二章炉内燃烧全过程模拟 燃烧是一种带有剧烈放热化学反应的流动现象，它包含着流动、传热、传质和 化学反应以及它们之间的相互作用。燃烧室内的燃烧气体流动一般为湍流，反应速 度以及热量和质量的传递都与湍流特性密切相关，因此计算湍流燃烧场时流场必须 作为湍流来处理。对手气相湍流运动的研究是对进一步研究整个燃烧过程打下基 础。 湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动。在湍流中流体的各种物理参数，如速 度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。湍流问题是目前计算流体动力 学中困难最多因而研究最活跃的领域之一。 2 1 1 控制方程组【1 州 一、连续性方程 连续性方程体现的是流体力学中的质量守恒。对于任何一个化学组分k ，其组 分连续性方程为： 昙c 眺，+ 毒胪毒眠挈喁 ， 式中m 。一组分k 的质量分量，定义为： = 岛n ( 2 _ 2 ) r ，一由于化学反应引起的组分k 的产生( 或消耗) 率以及多相反应产生 的本组分的质量源。 t 一化学组分k 的输运系数： l = p q ( 2 _ 3 ) 其中，o k 为化学组分k 对应混合气体的扩散系数。 将式( 2 1 ) x c e g + k 进行相加，即得到整个流体的连续性方程 竺+-。a，(m)a = (2-4)t “。7 “ p=风(2-5) 式中，既为颗粒反应引起的质量总源项，当无颗粒相反应时 华北电力大学硕士学位论文 r 。= 0 ( 2 6 ) 二、动量方程 动量方程的般形式可写为： 型+导(胛，)-挈+sv,(2-7)ot 舐，“良 式中 = 鸸一c 考+ 鼍，+ 詈喀岛 c ： 其中 瓯为克罗内克占函数 岛= 潍努 ， 爵为应力张量，p f l 包括了各种体积力与阻力在f 方向的分量。在考虑多相流 动时，多相流动间的作用力也反映在此项中。 三、能蹙方程 流体的能量方程可写为： 耖) + - - 毒j ( p v j h ) 2 毒( 喏仉毛_ o 鹎m k ) + q ( 2 _ l o ) 其中，方程等号左边：表示单位时间内单位流体总能量对时间的变化率；方程等号 右边：第1 项为热传导引起的单位体积能量变化，第2 项为作用在表面上的力( 正 应力和切应力) 在单位时间内单位质量流体做的功，第3 项为外界以热辐射、化学 反应或其他方式传入的热量，第4 项为外力( 如体积力) 等做功。 对于燃烧问题，流体为气体，还将涉及到气体的状态方程； p = p ( p ，r ) ( 2 - 1 1 ) 对于以上所述的基本方程，其未知数与方程数相等，理论上说该方程组是封闭的。 只要适当地描述边界条件和初始条件，应能够找到任何流动状态下的解。但事实上， 在实际的自然界和工程装置中，流动往往是湍流流动，而湍流是在一个很小的湍流 尺度上进行的。因此。求解这样组方程就必须在湍流尺度的网格尺寸上进行，然 而这是目前计算机容鬣及速度尚不能实现的。因此，求解湍流n a v i o r s t o k e s 方程的 方法必须从其他方面进步寻求，这就是以下将要说的湍流模型的方法。 2 1 2 湍流的模拟方法 华北电力大学硕士学位论文 对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态三维n s 方程的 全模拟，此时无需引入任何模型。然而目前的计算机容量及速度尚难以达到要求。 另一种要求稍低的办法是亚网格尺度模拟即大涡模拟，也是由n - s 方程出发，其网 格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但由于计算量仍很大， 只能模拟一些简单情况，不能直接用于工程实践。目前常用的模拟方法是由雷诺时 均方程出发的模拟方法，就是目前常说的“湍流模型”。其基本点是留用某些模拟 假设，将雷诺时均方程或者湍流特征量的输运方程中高阶的未知关联项用低阶关联 项或者时均项来表达，从而使雷诺方程组封闭。、 2 1 2 1 时均湍流运动方程的导出 为了求解一s 方程，将方程中的任一物理量用平均量和脉动量之和的形式来表示， 并对上节的方程组进行时均，就获得了一组时均方程式，即 ( 1 ) 时均连续性方程 昙而+ 两) + 毒( p v j m k 。+ ；丽+ 巧而+ 瓦万+ 丽) 一 ( 2 - 1 2 ) ：o ( r 。婴) + 瓦 呶iu x l 总连续性方程为： 百o p + 昙面+ 万) = 瓦 陋1 3 ) ( 2 ) 时均动量方程 瓦a 【- - pv + 万) + 砉( 万百+ 而+ 一v , 一p v f + 一v ，一p v i + 而) 一 。 ( 2 1 4 ) = 一+ 鼠 吼j 其中 = 确一互c 要+ 蔷，+ 吾i 吾气+ 吾霹o x i 一互c 善+ 鲁，c z ， ( 3 ) 时均能量方程 拶o - - + 劢+ 毒( p v , - - - - h + 刀+ 一v j p h + 两+ 丽) = 毒( 嗳代百等酒 搜撵彳导剥的时均- ) s 稗可表示成以为标量参数的统一形式，即 华北电力大学硕士学位论文 鲁( _ + 一t i m ) + 砉( 瓦；+ 雨+ 可万+ 石万+ 两) 2 苦( r ，套括， 1 一( 2 7 ) 在大多数湍流计算中，可以忽略方程( 2 - 1 7 ) 中的密度脉动关联项及所有三阶关 联项【17 1 ，则该式可简化为： 西a 【- - p 们+ 毒( 面) 。毒( r ，考卜石万+ - g 一 ( 2 - 1 8 ) 方程( 2 - 1 8 ) 由时间导数项、对流项、扩散项和源项构成。可以看出：对基本守 恒方程作时均时，产生了脉动值关联项一户v ，妒从而使原本封闭的方程不封闭。此 方程的求解，就必须对脉动量乘积的平均量进行模化，从而获得方程的封闭，获得 可解的微分方程。不同的湍流模型或湍流封闭模型都是出对这些脉动量乘积的模拟 而获得。 2 1 2 2 湍流模型的基本假设及分类 一、湍流模型的基本假设 当9 取v f 时，p v j q 口。称为雷诺应力。b o u s s i n e s s q 在1 8 7 7 年提出了湍流粘度概念， 是目前许多模型的基石。我们引入该假设，把一p v 妒表示为： ( 吼= ；丽= “( 誓十鲁) 一詈盈巩 ( 2 _ 1 9 ) 式中，定义为湍流脉动动能： k ：x ( _ u2 + 2 + 订2 ) ( 2 2 0 ) “称为湍流粘性系数，是引入的一个新概念。这个概念类似于层流中的动力粘 度系数，是反映流场中各点的湍流状态的参数，但直到1 9 2 5 年p r a n d t l 提出混合 长度模型，才得出“的表达式。他假定 u l ：皂l ：p “( 2 - 2 1 )p l2 a ；u l a y 2p u t 其中，0 和v ：分别代表混合长度和脉动速度，并定义 帆矧 ( 2 _ 2 2 ) 则 8 华北电力人学硕十学位论文 t = 以l 罢l 罢 ( 2 - 2 3 ) i 掣l 哕 这样，只要求解，。即可解决湍流流动的求解问题。即使是各种不同的代数方程， 对，。均可用代数方程的方法来确定其值。 综上所述，我们引入b o u s i n e s s q 假设，将求一p vp 。的矛盾转化为求 的关系a ，i i t , 仿此，引入湍流扩散概念，将其他妒的一p v ，v j 。项转化为f 。的关系。利用f ，。和“的 固定p r a n d t l 数或s c h m i d t 数关系，将脉动值关联项的求解转化为求“的矛盾。 对“的求解常用的有k 一占双方程模型。此外还有较早的零方程、一方程及其它 双方程模型，这些均为一阶封闭湍流模型。 二、湍流模型的分类 湍流模型可分为一阶、二阶及多阶封闭模型。 一阶封闭即应用湍流粘度假设和湍流扩散概念，另外还假设湍流的当地状态可 用某个速度比尺表征，而雷诺应力的各个分量均可通过不同方式与这个速度比尺相 联系。l t , 女n 零方程、单方程、双方程模型。 二阶封闭考虑湍流中各项雷诺应力的输运，有些湍流模型采用了雷诺应力各分 量p v ，v ，。，以及湍流中热( 物质) 通量各分量p v ，。妒。的输运方程，不用b o u s s i n e s s q 表达 式及“概念，直接封闭和求解方程，办称r e y n o l d s 应力模型。典型有：应力一通 量方程模型和应力一通量代数模型。 三阶及多阶：与二阶封闭的高阶相关，采用相应的输运方程，方程可多达2 8 个。目前受计算机的性能限制，实际应用不广。 目前工程上应用最广泛的仍然是k 一双方程模型，本文的气相湍流流动就用了 该模型，下面对它进行主要介绍。 2 1 2 3 一f 双方程模型 大量的预报表明，所有的双方程模型给出几乎相同的应用结果，其中k 一占双方 程模型得到了最普遍地适用和检验。k s 最早由我国学者周培源提出，一般认为在 求解近壁面地区的计算中k 与占的组合最为合适。即： “= cu p k l | s ( 2 - 2 4 其中k 为湍流动能； s 为由粘性项引起的湍流动能的耗散率，s = k “2 i i( 2 - 2 5 ) ，为混合长度，其守恒方程为 9 华北l 毡力大学硕+ 学何论文 昙( 聊苦( 舢气a ( 、q 2 , 氓0 1 ，+ 墨 ( 2 - 2 6 ) k 和占的输运方程可通过瞬态量的一s 方程推导而得到。经过雷诺分解与时均 及模化后的各向同性不可压缩湍流的k 和s 输运方程、2 1 2 1 节所述的一组时均 守恒方程共同构成了封闭的雷诺时均方程组，从而可以求解。 t 一双方程模型由于比较简单，计算量又并不太大，又能较好地反映大多数工 程实际的湍流流动，并得到工程上满意的结果，目前已被广泛应用。它成功地预示 了许多流动，但尚存在如下缺陷：l 、系数通用性不强；2 、强旋流问题的模拟不太 准确。尽管如此，k 一占双方程模型仍然有广大的工程应用空间。 2 1 3 湍流近壁区域的处理 2 1 2 3 节所提到的k 一双方程模型称为高r e 数模型，适用于离开壁面一定 距离的湍流区域。这里的r e 数是以湍流脉动动能的平方根作为速度的( 又称湍流 r e 数) 。而在与壁面相邻接的粘性支层中，湍流r e 数很低( 此处的r e 数是以湍流 脉动动能的平方根作为速度的) ，这里必须考虑分子粘性的影响，此时，k 、e - 方程 亦要作相应修改。适用于粘性支层的k s 模型称为低r e 数模型。采用高r e 数k s 模型来计算流体与固体表面间的换热时，对于壁面附近的区域，可采用壁面函数法 来处理【18 1 。 l a u n d e r 、s p a l d i n g 等把高r e 数k s 模型加以修正，使它可以一直用到壁面附 近的粘性支层内。该方法的特点是：要在湍流模型中体现出分子粘性的影响；要在 近壁区设置很细的网格分布，以便能正确反映参数在近壁区的剧烈变化。由于在近 壁区内进行测量的困难和精细网格大大增加了所需要的计算机储存和计算时间，使 得低r e 数湍流模型的发展速度和应用范围远不如高r e 数揣流模型。 壁面函数与低r e 数模型的方法不同，它在近壁区不求解均流场或湍流量的偏 微分方程，因此也就不需要在近壁区布罱精细网格。壁面函数的功能是提供：近壁 网格内平行于壁面的速度分量与壁面应力的关系；近壁网格内温度与壁砸温度差同 壁面热流通量的关系；近壁网格内湍流功能的产生率和耗散率等等i l9 1 。这种方法能 节省内存与计算时间，而且结果较好，故在工程湍流计算中应用较广。本文对湍流 壁面的处理就是用了壁面函数法。 2 2 颗粒相的湍流流动模型 实际上，煤粉燃烧过程是典型的湍流气固两相流动和燃烧过程。研究气固两相 流动的方法可分为两类：一类是把流体或气体当作连续介质，而将颗粒视为离散体 1 0 华北电力入学硕十学竹论文 系：另一类是把流体与颗粒都看成共同存在且相互渗透的连续介质，即把颡粒视作 拟流体1 2 0 。颗粒相的模拟有下列几种模型：无滑移模型，颗粒轨道模型和连续介 质模型。 2 2 1 无滑移模型( 单流体模型) 此模型的基本假设是： ( 1 ) 每一尺寸组的颗粒时均速度等于当地气体时均速度，即= v ( 动量平衡，即 无滑移) ： ( 2 ) 颗粒温度或保持常数( 瓦= c o n s t ，能量冻结) ，或等于当地气体温度( 瓦= t ， 能量平衡) ； ( 3 ) 颗粒相看作一种气相组分，和其他气体组分一样以相同的速率扩散( v k = v r ， 扩散平衡) ； ( 4 ) 颗粒群可以按初始尺寸分布分组，也可以按当地尺寸分组。 因其不考虑相间速度和温度的滑移，因而与实际相差较大，目前已较少用于工 程实际问题。 2 2 2 颗粒轨道模型 颗粒轨道模型是在拉格朗日坐标内处理颗粒相。该模型充分考虑气相与颗粒相 间的相互作用。另一方面，它又和无滑移模型不同，它考虑了与颗粒扩散无关的、 两相间的大速度滑移和温度滑移。 为考虑流体湍流脉动造成的颗粒扩散效应，一种简单的方法是采用漂移速度或 漂移力的概念。但是在用费克定理的梯度模拟概念来计算漂移速度时，所需的颗粒 粘性系数即颗粒密度梯度仍需分别由h i n z e t c h e n 代数式即无滑移模型给出，而且 这种修正只能给出扩散对平均轨道位置的影响，无法给出颗粒速度和浓度的空间分 布。因此目前应用较多的是随机轨道法，即由颗粒瞬时动量方程出发，用m o n t e - c a r l o 法计算随机瞬时流场中颗粒的复杂经历，目前较为常用。采用随机轨道模型，一般 假定气相速度脉动各向同性并符合高斯分布，以气相湍流脉动速度的平均平方根值 为基础，给予不同的随机数以达到模拟颗粒的湍流扩散特性1 2 , 2 1 l 。鉴于该模型易于 模拟有蒸发、挥发及异相反应的颗粒的经历，在颗粒相预报中无数值扩散的优点， 本文对颗粒相的处理就用了该方法。 2 2 3 连续介质模型 连续介质模型就是颗粒拟流体模型，其基本思想就是认为颗粒相是与真实流体 相互渗透的拟流体( 又一次回到e u l e r 坐标系中) 。它可以较完整的考虑颗粒相的各 1 1 华北电力人学硕十学位论文 种湍流输运，可以用统一的数值解法处理两相流问题，模拟结果能够给出颗粒相空 间分布的详尽信息，并且易于和试验数据对照。其发展的关键是颗粒相湍流模型。 目前广泛采用的是以颗粒追随流体脉动概念为基础的代数模型( h i n z e t c h e n 公式) ， 简称a p 模型i 鲫。 2 3 气相湍流燃烧 2 3 1 煤固相反应的气相产物及其气相反应 对于空气流，其组分主要是n 2 ，0 2 ，h 2 0 和少量的c 0 2 。煤燃烧过程中，首先 是水分的折出，即h 2 0 进入气相，然后是挥发物析出，挥发分的析出成分主要是碳 氢化合物，包括h 2 0 ，c 0 2 ，c o ，c h 4 ，h 2 及重碳氢化合物c 。h 。，非均相反应还 要产生c o ，c 0 2 ，h 2 等。这些化学组分在高温下将进一步反应，所涉及的气相反 应将是十分复杂而难于描述。幸运的是：这些反应都表现到了宏观的规律性，从而 使得用几个一步反应来描述整个气相反应成为可能。 在对煤燃烧室中的主要化学反应的研究中，关心的焦点也是其热效应和最终产 物，而不必过多深究其间的细致过程，可将主要的反应归结为1 2 2 】： 2 c o + 0 2 斗2 c 0 2 2 h 2 + 0 2 - - 2 h 2 0 2 c 0 2 + h 2 _ 2 h2 0 + 2 c o c h 4 + 2 0 2 _ c 0 2 + 2 h 2 0 ch m + 詈o ：斗n c o + m 2h z ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) r 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) 而燃烧的最后产物为c 0 2 ，h 2 0 ，理想的燃烧组分h 2 和c o 应尽量少。上面的 方程可用通用式 a l + a 2 营a ，+ a 4 ( 2 3 2 ) 2 3 2 湍流燃烧模型 燃烧过程遵守由连续方程、动量方程、能量方程和组分方程构成的化学流体力 学基本方程组。这个方程组在数学上是封闭的。但是，在实际燃烧装震中发生的燃 1 2 华北电力大学硕士学位论文 烧过程基本上都是湍流燃烧过程，目前的计算机还不可能对描述湍流量瞬时值的微 分方程进行直接求解。幸而实际工程中感兴趣的主要是平均量的分布。为得到控制 平均量变化的方程组，人们对化学流体力学基本方程组进行了雷诺分解和平均。然 而对这种非线性方程的分解和平均使方程由封闭变为不封闭。不封闭性主要来源于 对非线性的对流项和化学反应源项的分解和平均。为了解决问题，在综合燃烧模型 中模拟化学反应项需要利用简化假设。 在采用简化假设以得到化学反应方程的可行性解法，并使之与湍流流动机理相 结合，可采用三种模拟方法。这三种方法可用两种假设的时间尺度来分类。这两种 时间尺度是与湍流流动中化学反应相关的，即：反应时间尺度与混合时间尺度。反 应时间尺度是反应物反应到完全平衡所需要的典型时间。混合时间尺度是指大尺寸 的湍流涡流破碎，尺寸减小至分子反应可以发生所需要的典型时间1 2 0 】。 本文主要讨论湍流混合时间尺度与主要物质的反应时间尺度或是处于同一量 级或是比之大得多的情况。在处于同一量级的这种情况下，模拟时必须两者同时考 虑。而在后者情况下，反应时间可以忽略，模型的重点在于混合过程，下面将分别 讨论。 2 3 2 1 旋涡破碎( e b u ) 模型 s p a l d i n g 学派对湍流燃烧问题进行了深入的研究，在1 9 7 1 年提出了第一个湍流 燃烧模型，称之为旋涡破碎模型( e d d y b r e a k u p ) ，简称e b u 模型。其基本思想 是：认为在湍流燃烧区充满了已燃气团和未燃气团，化学反应则是在这两个气团的 交界面上发生，而且认为平均的化学反应速率是由未燃气团在湍流作用下破碎成更 小气团的速率而决定，而破碲速率则与湍流脉动动能的衰变成正比 2 引，即 ，s k( 2 - 3 3 ) 引入g j = m ；为反应物质量分数的脉动均方值，则有 r f = 一c 月p g ? 2 s k( 2 - 3 4 ) 式中，c 。是常数。该式不仅适用于二维边界层问题而且适用于其他二维和三维湍 流预混燃烧速率的计算，只是要先求啦相应的七，s 和g ， 求解g ，的方法有两种。一种是用m ，或其梯度来表示，另一种是建立g r 的输运 方程。 此模型认为化学反应的控制因素是湍流对未燃气团的破碎率，而没有考虑燃烧 温度的影响，特别是对于低温高湍流区这样得到的反应速度就不合理。因此，通常 用以平均参数表示的a r r h e n i u s 公式计算 i ，_ = 一1 0 叶于”7 p 2e x p ( 一l 一t ) n l n 2( 2 3 5 ) 13 华北电力人学硕十学位论文 并取，作为燃烧速率 r ，= m i n ( r r m ，r f s ) ( 2 3 6 ) 旋涡破碎模型的功绩是正确地突出了流动因素对燃烧速率的控制作用，给出了 简单的计算公式，为湍流燃烧过程的数学模拟开辟了道路。但该模型朱能考虑分子 输运的化学动力学因素的作用，一般只适用于高雷诺数的湍流预混燃烧过程。 2 3 2 2 拉切滑模型( s t r e t c h c u t a n d s l i d em o d e l ) 在旋涡破碎模型的基础上，为了体现分子扩散和化学动力学因素的作用， s p a l d i n g 在1 9 7 6 年提出了所谓的“拉切滑模型”，它的基本假设是：第一，有不同 比例的未燃气和已燃气微团，这些微团在湍流作用下反复进行拉伸，切割和滑动， 尺寸减小；第二，未燃气和已燃气微团交界面上存在火焰，以相应层流火焰传播速 度向未燃部分传播。 基于这种思想，s p a l d i n g 推导出了适用于二维湍流燃烧过程的燃烧速率公式： 0 r = 一 ( 2 - 3 7 ) 式中：下标“，6 分别表示未燃和已燃气团。 s - - 表示层流火焰传播速度。 皖一表示微团内部末燃气体层的厚度。 s 是燃气的物理化学性质。显然，此式的应用取决于s 值计算的正确性。这个 模型与e b u 一样跳过了湍流与化学反应相互作用问题，而依据经验获得，也未反 映出湍流具有的脉动统计特性。对于复杂化学反应系统，这种带有“猜想”意味的 模型就更难找到合适的表达式而难于进行应用。 2 3 2 3e s c i m o 湍流燃烧理论 为了能兼顾大尺度的湍流输运和小尺度的分子扩散及化学反应，s p a l d i n g 提出 了e s c i m o 湍流燃烧理论。 e s c i m 0 是字头 e ：e n g u l f m e n t 卷吞：描述在大尺度湍流作用下，一种流体被另一种流体卷吞 的过程。 s ：s t r e t c h i n g 拉伸：描述迭在一起的流体层长度增加，厚度减少的过程。 c ：c o h e n r e n 粘附：描述流体层不愿分离的一种趋势，认为两层流体一旦由于 1 4 华北电力大学硕士学位论文 卷吞碰到一起，那么在传输、拉伸和化学反应的过程中都不会分开，它们互相粘附 在一起。 i ：i n t e r d i f f u s i o n 和i n t e r a c t i o n 相互扩散和化学反应：描述在流体层受拉伸的过 程中，发生在流体层内部及其交界面上的扩散和化学反应。 m o ：m o v i n g o b s e r v e r 运动观察者：意昧着为了描述相互扩散和化学反应，把 坐标系取在流体层上与流体一起运动。 e s c i m o 理论采用的是半拉格朗嗣方法。为了既能描述流体层内的相互扩散和 化学反应，又能表征湍流脉动的统计平均性质，并从而定量描述整个湍流过程， e s c i m o 理论由“经历”( b i o g r a p h y ) 、“统计”( d e m o g r a p h y ) 和它们的“综含” ( c o m b i n a t i o n ) 构成【22 1 。在“经历”理论中，目的是确定流体层在整个生存时间 内的各种经历；在“统计”理论中，建立分布函数的控制方程，并对其流项、扩散 项和源项进行模化，得到符合物理意义的表达式；将“经历”和“统计”进行“综 合”即可得到任意变量中的均值、脉动均方值、平均化学反应率和几率分布函数， 从而可以获得计算结果。但由于这一模型纯属物理概念上若干现象的叠加，计算量 很大，很难用于回流和旋流流动的实际工程问题，所以后来作者本人也放弃了这种 模型，转而研究湍流燃烧的双流体模型【2 3 1 。 2 3 2 4 涡团耗散模型( e d d yd i s s i p a t i o nm o d e l ) 1 9 7 6 年，m a g n u s s e n 提出涡团耗散模型( 简称e d m 模型) 。其基本思想是：当 气流涡团因耗散而变小时，分子之间碰撞的机会增多，反应才容易进行并迅速完成， 故化学反应速率在很大程度上受湍流的影响，而且反应速率还取决于涡团中包含燃 料、氧化剂和产物中浓度值最小的一个。该模型表达式为： o = - p 女m i n ia m ，爿m w s ，b m p r ( 1 + s ) i ( 2 3 8 ) 式中，a 。4 ，b “o 5 ，s 为化学恰当比。 该模型的特点是意义比较明确，反应速率取决于湍流脉动衰变速率s ，并能 自动选择成分来控制速率，因此该模型既能用于预混火焰，也能用于扩散火焰【2 4 1 。 但是，它注重湍流混合速度和湍流场的温度、浓度变化，而没有考虑化学反应本身。 因此，对实际上燃烧反应不能进行的低温区域的燃烧反应速度常常过大地计算。基 于以上原因，也常常将由a r r h e n i u s 型