（工程热物理专业论文）船用增压锅炉燃烧的数值模拟.pdf

哈尔滨。l ：程大学硕十学位论文 摘要 船用增压锅炉在船舶动力中的应用优势之一是它具有体积小，重量轻， 输出功率大的优点。取得这些优势的根本是提高锅炉炉膛的压力，缩小炉膛 的体积，提高烟气的质量流速，最终提高锅炉换热面的面积热负荷。增压锅 炉炉膛内的燃烧过程是其运行中的重要一环。本文正是采用数值模拟的方法 对这重要的一环作具体的分析。 燃烧过程本是一个复杂的过程，通过数值模拟的手段可以降低设计制造 的成本，提高实验工作的效率，减少设计的错误和重复。利用数值模拟的方 法模拟增压锅炉炉内燃烧过程和分析炉内空气动力特性也将面临许多工作。 本文利用成功的商用软件一f l u e n t 6 2 1 6 作为数值模拟的平台。为了提高 模拟的准确性，真实反映炉内的空气动力特性，炉膛几何模型采用l ：1 的比例 建造，在炉膛出口还增加了五排对流管束。船用增压锅炉的燃料采用重油。 重油在炉膛内先经过雾化器雾化成细小的燃油颗粒，然后喷射入炉膛与助燃 空气混合燃烧。燃油的雾化、加热、蒸发、沸腾的数学模型为颗粒相模型， 湍流流动的数学模型为标准的k s 双方程模型。采用简单平衡化学反应模型 模拟燃油的燃烧反应。本文重点讨论了全负荷工况下的锅炉炉膛内部的空气 动力特性和温度场特性。炉内特殊的空气动力特性也使对流管束和水冷壁的 热流率呈现特殊的分布，尤其关注对流管柬的热流率分布不均匀性。由于增 压的作用，炉膛内烟气的质量流量大大增加，这时在水冷壁及对流管束上的 对流换热量占总换热量的比重不可忽视。另外，对锅炉不同工况下的简化炉 膛的燃烧流场进行了模拟，得出了一些有参考价值的数据。 关键词：增压锅炉；燃烧；数值模拟；空气动力学；重油 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 a b s t r a c t h a v i n ga d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，u g h tw e i g h ta n ds t r o n gp o w e r ，m a r i n e s u p e r c h a r g e db o i l e r sa r ec h i e f l ye q u i p p e di nm a l i n ep o w e rp l a n t t oa c h i e v et h e s e a d v a n t a g e si st op r e s s u r i z et h ec o m b u s t i o nc h a m b e ro f t h eb o i l e r i nt h i se a s et h e v o l u m eo fc h a m b e rc a nb er e d u c e d , t h em a s sf l o wr a t eo ff u e lg a ss p e e d e d , a n d t h ea r e aw e i g h t e dh e a tf l u xe n h a n c e do na l lh e a te x c h a n g i n gs u r f a c ee v e n t u a l l y i n t h i sp a p e r , d e t a i l e da n a l y s i so fc o m b u s t i n gw h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rb o i l e rr u n n i n g h a v eb e e nc a r r i e do u tb ym e a n so f n u m e d c a ls i m u l a t i o n w h i l ee o m b u s t i n gs h o u l db eac o m p l i c a t e dp r o c e s s ，b u tt h em e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nl o w e rc o s to fd e s i g nm a n u f a c t u r i n g i m p r o v ee f f i c i e n c yo f e x p e r i m e n tw o r k , r e d u c et h em i s t a k eo fd e s i g nw i t hf e w e rr e p e a t e dw o r k s u p e r - c h 缸g e db o i l e rc o m b u s t i o ns i m u l a t i o nm a k i n gu o f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d a n a l y f i so fa e r 0 h d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci n s i d ef u r n a c ei n t r o d u c e sa l o t o fw o r kt o d o i nt h i sp a p e rt h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sf l u e n t6 2 1 6 咀s u c c e s s f u l c o m m e r c i a lf l u i dm e c h a n i c ss o f t , r a r e t h eg e o m e t r i cd i m e n s i o nm t i oo f m o d e l i n g f u r n a c et or e a lf u r n a c ei s1 ：1 f o rt h es a k eo f t h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o n sa n dt o g e t t e a lf l l r n a g ea e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e r ea l ef i v el o w so ft u b e s d o w n s t r e a mt h ef u r n a c eo u t f l o w m a r i n es u p e r c h a r g e db o i l e r st a k eh e a v yo i l 罄 f u e l w h i l es p r a y i n gi n t of u r n a c et om i xw i t hc o m b u s t i o nm i p p o r t i n ga i r , h e a v yo i l h a sb e e na t o m i z i n gi n t of r e ed r o p l e t sb e f o r ec o m b u s t i o n a t o m i z i n g ，h e a t i n g ， v a p o d z i n g b o i l i n go ff u e lo i la p p e a r sa sd i s c r e t ep h a s em o d e l ，w h i l es t a n d a r d k sm o d e lw o u l db e u s e df o rt u r b u l e n c em o d e l i n g , a n dt h ee q u i l i b r i u m c h e m i s t r y m o d e lf o rc o m b u s t i o n c h e m i s t r y i n t h i s p a p e r , a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si n s i d et h ef u r n a c ew a se l a b o r a t e d d i s t r i b u t i o n so fh e a tf l u xo fw a t e rc o o l e dw a l la n dc o n v e c t i v et u b e sd e t e r m i n e d b yf u r n a c ea e r o d y n a m i cp r o p e r t yw h i c hc a u s e sh e a tf l u x o nw a t e rc o o l e dw a l l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 l i n e d e n i nv i r t u eo fs u p e r c h a r g i n g ，m a s sf l o wr a t eo fg a si n s i d ef u r n a c ei n c r e a s e s t r e m e n d o u s l y i nt h i sc a s e ，i tc a l ln o tb en e g l e c t e dt h er a t i oo fh e a tf l u xo f c o n d u c t i v eh e a tt r a n s f e rt ot o t a lh e a tt r a n s f e ro i lc o o l e dw a l la n dp i p e s i na d d i t i o n , s i m p l i f i e df u r n a c es t r b c t u r ep u ti nu n d e rd i f f e r e n to u t p u tp o w e r ，a n ds o m e u s e f u l i n f o r m a t i o no b t a i n e d k e y w o r d s ：s u p e r c h a r g 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 ；a e r o d y n a m i c ； h e a v yo i l 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) ：塑泣塑 日期：年月e t 哈尔滨r 程大学硕+ 学位论文 第l 章绪论 1 1 课题的背景 1 1 1 船用增压锅炉简介 船用增压锅炉是船舶汽力装置的重要组成部分之一，被喻为船舶的“心 脏”。它在船舶动力系统中的重要性决定了它应该具有的基本技术要求，这 些要求有运行的可靠性，机动性，重量轻，尺寸小，经济性好等。 在目前条件下，无论是圆形断面炉膛还是“d ”形断面炉膛的船用非增 压自然水循环锅炉，在保证可靠的前提下，其它技术要求如尺寸、重量、机 动性等基本上已达到了极限。 减小锅炉尺寸重量的措施之一是提高炉膛的水冷程度。圆形断面炉膛和 “d ”形断面炉膛的水冷程度已难于再提高。措施之二是提高对流受热面的 吸热率，即提高烟气对管壁的放热系数。提高放热系数的方法是提高烟气的 流速和烟气的比重。但是必须指出，烟气流速和比重的增加将引起烟气阻力 增大。 对流受热面吸热率用下式表示 n 9 2 笠h 2 置岔4( 1 - 1 ) 式中：日锅炉对流受热面积，r n 2 ； q 对流受热面所吸收的热量，k w ； k 对流换热系数，k w ( m 2 k ) ； 舡。对数平均温度差，o c 。 传热系数k 主要是烟气质量流速的函数，可简化写成下式 k=口形。0-2) 式中：口与对流受热面几何参数( 管子外径、管距等) 有关的系数； 矿= w p 烟气质量流速，k e d ( m 2 s ) ，其中_ h ，为烟气线性流速， m s ，p 为烟气密度，k g m 3 ； 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 开指数，与烟气冲刷对流受热面的特性( 纵向冲刷、横向冲刷、管 予交镨排列、顺列排列等) 有关，为小于1 的数值。 从质量流速形= w p 式中看出可以提高烟气线性速度w 或是提高烟气密 度p 来提高矿值。提高w 或p 在增加传热系数是的效果比例上没有什么不一 样。但是流速和密度提高会导致烟气阻力的增加。其关系如下： a p = f ( w 2 p )( 1 3 ) 可以看出，相应于烟气阻力的数值，提高密度p 比提高速度w 有利。 船用锅炉炉膛燃料燃烧过程的强化程度是用炉膛容积热负荷来表示，即 研= 争= 塑兹竽 ( h ) 当燃料品牌、成份及其低位发热量q 不变时，炉膛容积热负荷g 与炉膛 压力曰、炉膛火焰充满程度9 、空气过余系数a 、炉膛出口烟气温度巧和燃 料燃烧时间f 有关。从公式( 1 - 4 ) 看出提高炉膛容积热负荷可直接减小锅炉尺 寸和重量。提高炉膛容积热负荷最简单和最有效的方法是提高炉膛中的空气 压力。利用压气机产生的压缩空气来达到上述目的是一个行之有效的方法。 一方面能提高锅炉炉膛容积热负荷，另一方面能减少能量的耗损，获得较高 的增压比1 1 】。 炉膛中空气增压比s 与炉膛容积热负荷之间具有近似的正比关系，即 纽= g ”q o ( 1 - 5 ) 式中：采用汽轮鼓风机鼓风的船用锅炉炉膛容积热负荷，一般为 5 8 1 5 6 9 7 8k w m 3 ： 空气增压比，近似等于压气机中空气压缩比； 栉指数，由实验得来，其值接近于1 。 从公式( 1 - 5 ) 得知，增压比越大，炉膛容积热负荷越高，将得到较小的炉 膛和整个锅炉的容积。因为炉膛容积大约是整个锅炉容积的4 0 5 0 。依靠 提高炉膛容积热负荷来减小炉膛容积是降低整个锅炉尺寸和重量的主要方 法。 2 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 1 1 2 燃烧的数值模拟技术简介 由于计算流体力学与计算燃烧学的发展主要在西方国家，所以流体与燃 烧的数值模拟已有相当大的成就。1 9 7 6 年英 雪s p f l & n g 等人编制的p h o e n i c s 大型通用计算程序中，已经涵盖可以用来模拟传热、流动、化学反应及燃烧 过程的程序模块，可以用来预估燃烧室的燃烧流场。美国g e 公司在上个世纪 8 0 年代开发了c o n c e r t 软件，采用三维贴体坐标系、二阶迎风差分格式、 扩散控制的p d f 湍流燃烧模型，并声称已从现代环形燃烧室三维流场计算中 获得了实际有用的结果。目前，随着计算流体力学的完善和燃烧理论模型的 改进，新的通用计算软件被不断推出，如f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 、 s t a r c d 、c f d r c 等，其中f l u e n t 软件在燃烧过程的数值模拟中应用最为 广泛。f i i i e n t 公司推出的最新版本的f l u e n t 6 2 1 6 版，这一软件的燃烧流 场模拟模块中，包括了多种湍流模型、多种燃烧模型以及可以模拟a r r h e n i u s 化学反应速率m l 和活性物生成的模型和多种辐射模型，因此，它可以模拟多 种情况下的燃烧，被认为是目前最好的燃烧流场计算软件。 在增压锅炉中进行的燃烧毫无疑问就是湍流燃烧，湍流流动过程和化学 反应过程有强烈的相互关联和相互影响。湍流通过强化混合而影响着时平均 化学反应速率，同时化学反应放热过程又影响着湍流，如何定量地来描述和 确定这种相互作用是湍流燃烧研究的一个重要内容。 组份方程和能量方程中的源项是化学反应源项。化学反应中组份的生成 f 消耗) 率或能量的释放速率是反应物浓度和反应流体温度的强非线性函数。 由于湍流影响，化学反应中组份浓度和温度以及化学反应速率都是随时间而 脉动的，因此在湍流燃烧的数值模拟中，不仅面临着湍流流动所具有的问题 以及脉动标量的输运方程如何处理的问题，还面临着湍流燃烧所特有的，与 脉动量呈确定的强菲线性函数关系的脉动标量即时平均化学反应速率的模 拟。湍流燃烧模拟最基本的问题是反应速率的时均值不等于用时平均值表达 的反应速率。 目前湍流燃烧模拟的方法有直接数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 、随机 哈尔滨t 程火学硕士学位论文 涡模拟、概率密度函数输运方程模拟、条件矩模型、简化概率密度函数模型、 关联矩模型、基于简单物理概念的一些唯象模型等。这些模型在模拟精度、 合理性和经济性上各有不同特点，但是如何寻找一种既合理而又经济的模型， 是尚待解决的问题 4 1 。 1 湍流燃烧的直接数值模拟( d n s ) d n s 方法用于湍流燃烧，可以仔细地考虑和了解湍流与燃烧的相互作 用但是与纯流动过程相比，燃烧使得这一方法的应用更为困难，一方面燃 烧使得流场内流体的温度和组分有一个很大的变化，以至于决定网格尺寸的 相关湍流尺度难以确定；另一方面燃烧本身可能在时空上引入一些足以与湍 流尺度相比拟的尺度( 如火焰厚度，反应时间) 。因此，在湍流燃烧的直接数 值模拟中，除了简单几何形状和低r e y n o l d s 数外，还有低d a m k s h l e r 数的限制， 否则，就要对火焰面进行跟踪和采用自适应加密网格。湍流燃烧过程的直接 数值模拟为人们认识火焰面在温度的作用下的皱折过程、标量的逆梯度输运 机理、预混燃烧的火焰结构以及扩散燃烧统观模型的检验上提供了一个重要 的手段，并已在这些方面取得很大的进展。当然。由于d n s 所需计算量很大， 只限于尺寸很小空间内低r c 数情况，因此目前尚无法用于工程问题。 2 湍流燃烧的大涡模拟( l e s ) l e s 是在湍流的大涡尺度和小涡尺度( k o l m o g o r o v 尺度) 之间选一滤波宽 度对卜j q 方程进行滤波。把所有流动变量分成大尺度量和小尺度量，对大尺 度量进行直接模拟，而对小尺度量采用亚网格尺度模型进行模拟。这样一来， l e s 用于湍流燃烧时是否能够成功就取决于燃烧过程的尺度。在许多我们感 兴趣的燃烧系统中，反应区具有和k o l m o g o r o v j 己度一样或还要小的量级，而 这些量级的尺度恰恰被l e s 滤掉了，需要借助模型来模拟。这样，湍流燃烧 大涡模拟的精确度和有效性就值得怀疑，因此亚网格尺度模型对湍流燃烧的 大涡模拟至关重要，这方面已经并继续需要开展大量的研究。l e s 所需计算 4 哈尔滨r 程大学硕+ 学位论文 量虽比d n s 小得多，但是对复杂的工程流动仍然计算量很大，因此目前主要 用于检验统观模型。 3 湍流燃烧的p d f 输运方程模拟 用p d f 方法研究湍流燃烧问题已有二十多年的历史。p d f 方法是把标量 脉动关联矩、矢量脉动关联矩、标量矢量脉动关联矩以及非线性的化学反应 源项的封闭建立在确定标量和矢量的联合概率密度函数之上，无需模拟，但 是p d f 输运方程本身的分子混合项和随机速度项仍需通过模拟加以封闭。该 方法在有限反应速率的燃烧过程和考虑详细反应动力学( 如污染物生成问题) 中具有很强的优势。依据概率和统计理论可以严格建立湍流燃烧系统中变量 的联合概率密度函数的输运方程。就相空间的变量而言，联合概率密度函数 大致可分为3 种类型。它们分别是标量的联合概率密度函数、标量和矢量的联 合概率密度函数及标量和矢量与耗散率的联合概率密度函数。在第一类联合 概率密度函数中，因其中不包含速度场的信息，所以端流速度场需用其它方 法( 如k s 模型) 来确定，同时这类联合概率密度函数输运方程中的对流项也 是不封闭的，需引入模型。在第二类联合概率密度函数中，由于其中包含了 速度，因此不仅联合概率密度函数输运方程中的对流项是封闭的，而且湍流 流动的输运方程也是封闭的( 即湍流模型也是不需要的) 。但是在以上两类联 合概率密度函数的输运方程中均包含有概率密度函数无法封闭的压力脉动梯 度项及由分子粘性和分子扩散引起的p d f 的分子输运项，这些都需要引入模 型加以封闭。从这个意义上讲，p d f 方法又是一种需要模型的方法。在这些 项的封闭模型中需要湍流尺度参数，显然前两类概率密度函数中并没有( 或包 含) 这个量，正是基于这一点，出现了包含湍流耗散率的第三类联合概率密度 函数。从而使这类概率密度函数所引入的模型是自封闭的，无需经验的尺度 参数。联合概率密度函数的输运方程是难以用有限容积、有限差分和有限元 等方法来数值求解的，目前比较可行的一种数值方法是m o n t e c a r l o 法。在该 方法中。动量和标量的输运方程被转化为l a g r a n g i a n 方程。概率密度函数并不 哈尔滨：1 j 譬大学硕七学位论文 是被直接求解出来，而是由大量的具有速度和标量值以及满足上述i ，a g 阳n g i a i l 方程的计算颗粒统计来获得。对复杂机理的有限反应速率的化学反应流来说。 这种数值方法会引致巨大甚至无法实现的计算量。总之，最近十多年以来， p d f 方法在模型建立、封闭和数值方法方面均取得了很大进展和一些成功的 应用。文献【5 】用输运方程的p d f 方法成功预报了湍流预混燃烧中的逆梯度输 运的现象。文献【6 】用p d f 方法预报了湍流火焰从点火开始的早期发展阶段。 同时，p d f 输运方程的数值模拟在湍流预混燃烧和湍流扩散燃烧方面的应甩 均得到了广泛研究。应该说p d f 方法是解决有限反应速率和污染物生成等诸 类湍流燃烧问题的最合适和最理想的方法，但联合概率密度函数求解的复杂 性和计算量之大给其在工程中的广泛应用带来了很大的困难。近几年来，输 运方程的概率密度方法在封i 羽r e y n o l d s 应力的速度模型、近壁模型和封闭分 子扩散项的湍流混合模型方面取得了一些进展，同时在高马赫数流动和大涡 模拟的亚网格尺度模型中也得到了应用。 4 湍流燃烧的条件矩封闭( c o n d i t i o n a lm o m e n tc l o s u r e ) 模型 湍流燃烧的条件矩封闭模型是由k l i m e n k o m 和b i l g 删各自独立提出来 的，并在近来得到了比较多的研究。它的关键是引入一个守恒标量作为条件 变量，这样平均值和脉动矩就成为该守恒标量的条件矩、尽管引入条件变量 增加了问题的维数，但是，对很多情况，条件矩在流动的某些方向上基本保 持不变，而对另外一些情况，沿某些方向对设定的条件概率密度函数加权的 守恒方程进行积分可以消去一些项，这就使问题得到了很大的简化。条件矩 封闭方法最突出的优点就是能够有效地将反应动力学和流动的非均匀性解 耦，同时保持了标量耗散即微尺度混合的影响，它可以模拟相当复杂的反应 动力学。在扩散燃烧中，通常取混合分数为条件变量，而在预混燃烧中，通 常取反应度为条件变量。条件平均得到的方程和传统的矩方程形式很相似， 可以利用传统的数值计算方法和程序。目前条件矩封闭方法在湍流燃烧以及 污染物预报等方面都得到了令人满意的进展。但是条件矩封闭方法也有其弱 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 点：( 1 ) 数值积分过程中计算量相当大，( 2 ) 时均湍流反应率用级数展开的方法， 不可避免会带来较大的误差，从而实际计算中得到的结果比p d f 输运方程的 模拟结果要差。总的说来，条件矩封闭方法是一种很有应用前景的湍流燃烧 模拟方法，目前仍还处在发展阶段，有待改进和完善。 5 湍流燃烧的简化p d f 模型 湍流燃烧的简化或设定p d f 模型既用于快速反应的燃烧系统，也用于有 限反应率，如n o x 生成的预报。在这种情况下，总可以找到一个或两个标量 来完全描述燃烧系统的化学热力学状态参数，建立这些标量的输运方程以及 假定它们脉动的概率密度函数，从而通过概率积分就可以完全确定湍流燃烧 过程中所有标量的时平均特性。因此，这类模型被称之为预先给定的p d f 模 型，即简化的p d f 模型。也可以看成上述第一类联合概率密度函数在相空间 为单变量或双变量时的一种求解方式。属于这种模型的有湍流燃烧的层流小 火焰模型和湍流预混燃烧的b m l 模型。这里重点介绍湍流燃烧的层流小火焰 模型。 层流小火焰模型是既可用于湍流预混燃烧，又可用于湍流扩散燃烧的一 类湍流燃烧模型。它把湍流火焰看成嵌入湍流流场内的局部具有一维结构的 薄的层流火焰的一个系综。在该模型中，化学反应的时间尺度与湍流流动的 k o l m o g r o v 时间尺度相比要小，即燃烧是在湍流的最小涡团的一个脉动周期 内完成。因此，湍流燃烧的层流小火焰模型是一种基于快速反应假设的模型， 在火焰面内以分子扩散和输运过程为主，构成湍流火焰系综的层流火焰是用 摄动法建立起来的，即用摄动法建立一个以摄动量为参变量的层流燃烧的化 学热力学状态参量与某一个标量之间的数据库，当然，除了摄动法以外，也 可以通过层流燃烧实验来确立这个数据库。在层流小火焰模型中，这个标量 必须是输运量，且其输运方程中没有化学反应源项。摄动参量是可以由湍流 状态参数所表征的变量。在湍流燃烧中，以上述输运标量时均值及其脉动的 均方值确定预先给定的概率密度函数中的待定参数，然后利用上述数据库对 7 哈尔滨下程大学硕士学位论文 输运标量进行概率积分来确定湍流燃烧时的化学热力学状态。层流小火焰模 型在湍流预混燃烧和湍流扩散燃烧中的具体形式有很大的不同。在湍流扩散 燃烧中，输运方程中无化学反应源项，可以唯一地确定燃烧状态的守恒标量 是混合分数。摄动参量是标量的耗散率。当化学反应速度无限大时，反应面 无限薄，对于一步简单反应来说，燃烧的化学热力学状态与混合分数的关系 可以用简单的解析表达式来描述。以此作为数据库的湍流燃烧模型又称之为 湍流燃烧的反应( 火焰) 面模型。实际燃烧系统很难满足反应速度无限大的限 制。因此，这个模型具有较小的应用价值。在反应速度很大但不是无限大时， 标量的耗散率为零对应于化学热力平衡状态，此时的数据库可以化学热力学 平衡计算来建立，以此为数据库的湍流燃烧模型称之为湍流燃烧的局部瞬时 平衡模型。比较而言，该模型就有较高的实用价值，但是着火、灭火、烃类 和c o 燃烧及污染物生成等都不处于局部瞬时化学平衡。与这两个模型相比， 以层流扩散燃烧时标量耗散率为摄动参变量所确立的层流燃烧状态与混合分 数之间关系为数据库的湍流扩散燃烧的层流小火焰模型则有了很大的改进。 湍流预混燃烧的层流小火焰模型却不像其在湍流扩散燃烧中那样简洁明了， 因为在湍流扩散燃烧中。混合分数概念易于建立，从而很容易确定火焰面的 位置。在湍流预混燃烧的层流小火焰模型中，输运方程中无源项的可以唯一 确定燃烧状态的守恒标量是描述火焰面位置的标量，摄动变量为使层流火焰 面皱褶的变形率。不论是在湍流扩散燃烧中还是在湍流预混燃烧中，首先 层流小火焰模型的快速反应假定比较切合实际燃烧系统；其次大的标量耗散 率或火焰面变形率又可引致灭火，因此，具有预报着火、灭火的能力；最后 层流燃烧的数值模拟可以考虑详细的化学反应动力学过程和分子输运过程。 因此，该模型具有良好的发展前景和实用价值。在层流小火焰模型中常常采 用的预先假定的概率密度函数形式有双占函数分布，截尾高斯分布和口函数 分布，双6 函数分布形式简单，待定参数易于确定，引入计算量小，但有时 却会得到一些明显不合理的计算结果，如温度变化的双峰分布。截尾高斯分 布形式复杂，待定参数难以确定，引入计算量大，但和标量的实际脉动状况 s 哈尔滨- 【= 程大学硕+ 学位论文 相比，要比双艿函数分布合理一些。尽管可以通过查表确定待定参数，但仍 然是一种计算量大且难以应用的一种概率密度函数。口函数分布的待定参数 易于确定，但积分运算和函数本身的一些奇点给其应用带来一定的困难。在 这三种概率密度函数中，目前用的比较多的是卢函数分布。文献【9 】提出一种 多点函数分布，其待定参数易于确定，引入计算量小，计算结果较为合理。 此外，湍流燃烧模拟的方法还有：湍流燃烧的关联矩模型、唯象的湍流 燃烧模型、湍流燃烧的随机涡模拟等。 到目前为止，已经研究和发展了不同的湍流燃烧模型，总的趋势是寻找 更为合理的模拟有限速率详细反应动力学与湍流相互作用的方法，然而对同 时满足工程应用中的合理性和经济性而言，尚缺乏令人满意的模型，因此仍 需进一步进行研究。直接模拟和大涡模拟仍然是计算量很大的模拟方法，和 工程应用尚有相当的距离，但它们在揭示机理、检验和完善工程模型方面有 十分重要的价值和前景。输运方程的概率密度函数方法因其对湍流关联矩的 自封闭而具有极大的优势。但求解的复杂性和计算量之大给其广泛应用带来 了很大的困难。层流小火焰模型，b m l 模型、e b u 模型仍将是工程上广泛应 用的模型。特别是预混燃烧的e b u 模型和扩散燃烧的简化的p d f 模型。关联 矩与概率密度函数封闭方法相结合是工程能够接受并有潜力的研究方向。唯 象湍流燃烧模型中的拉切滑模型和e s c i m o 模型则已经很少应用和不会再有 进一步的发展。湍流燃烧的离散涡方法仍需很大的发展。 基于本课题的特点，这里采用层流小火焰模型中的湍流燃烧的局部瞬时 平衡模型。 1 2 课题的意义 在化学燃烧反应领域，由于化学燃烧过程和描述这一现象的数学模型控 制微分方程的复杂性，燃烧技术的应用仅局限于定性分析，很难通过解析方 法求炉膛内部燃烧流场的精确分布，这极大的限制了应用燃烧理论指导燃烧 设备的设计研究。传统上燃烧设备的设计主要依靠实验方法以及由大量实验 9 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 数据归纳出的经验公式而进行的。而且，这种实验需要反复多次改型和多次 重复，其花费的时间和经济代价都是相当高的。近年来，随着燃烧理论和计 算流体力学的迅速发展，加上计算机的广泛应用，燃烧理论和数值计算相结 合而形成了- i - j 新学科计算燃烧学i l o 。计算燃烧学的出现正在改变着燃 烧设备的设计方法，成为燃烧设备设计的有力工具。它在实际运用中与计算 流体力学相结合可以先对多个方案进行计算，比较出不同方案之间的优劣和 差别，对方案进行初选；在实验过程中，可以利用计算燃烧学的数值实验取 代一部分模型实验等等。这样能有效的缩短试验周期，降低实验成本，因此 采用计算模型而不需要大量的试验来解决增压锅炉的设计，有利于提高设备 的工作可靠性和经济性。 船用增压锅炉燃料燃烧的要求是在较小的炉膛空间、尽量小的空气过余 系数下迅速和稳定的完全燃烧，并要求燃料在炉膛空间内燃尽。达到这些要 求不仅是燃烧设备( 包括喷油器和配风器) 来保证，同时与炉膛的结构特性及 空气动力特性有关。在研究燃料燃烧过程时应当把燃烧设备及炉膛作为一个 整体系统来加以考虑。增压燃油锅炉在进行模型实验的时候，燃烧调整的复 杂性和运行的成本都是不可忽视的。因此可以先借助数值模拟的方法，按1 ：l 的几何模型对燃料在炉膛空间的燃烧情况进行数值模拟，得出可供参考的炉 膛结构和调风方式，对模型实验研究具有实际的指导意义。 1 3 课题研究的内容 本文通过构造反映增压锅炉炉膛内部流体流动规律的基本方程组，建立 描述炉膛内部稳态三维简单燃烧化学模型、油滴雾化模型和辐射换热模型等 数学模型。增压锅炉是一个兼有流动、燃烧、传热和各种复杂化学反应过程 在内的复杂动力装置。增压锅炉炉膛与非增压锅炉燃料燃烧过程不同之处是 前者燃料是在密度大、温度高的助燃压缩空气下进行，其燃烧过程进行得更 迅速更完全。数学模型的任务就是应用基本定律和基本规律将炉膛内部的各 种过程按其重要程度、发生的先后顺序、彼此间作用关系组合在一起，从而 l o 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 建立增压锅炉燃烧系统最终运行特性与输入条件和运行方式间的定量关系。 所以我们研究的任务就是在给定具体运行参数如给风量、燃油量、调风方式 等条件下，预测诸如炉膛温度、传热量、炉膛出口烟气温度及气体成分等人 们关心的运行参数的数值、分布以及变化趋势。 本文对增压锅炉燃烧系统进行总体模型化研究，通过建立增压锅炉炉膛 流体动力学模型，传热模型和燃烧模型，深入地了解增压锅炉炉膛内流体动 力特性、燃料燃烧、换热强度等方面的特性，从而使人们更好地认识增压锅 炉炉膛内的烟气流动、传热和燃油燃烧的机理。通过模拟，可以得到在一定 调风布置、一定炉膛结构和一定运行负荷下的燃烧效率，换热不均匀度，以 及深入了解引起这些结果的原因，这对于增压锅炉的实际运行是很有帮助的。 本文建立的炉膛内总体模型主要包括流体动力学模型，传热模型，燃烧模型， 雾化模型和辐射模型。为了反映真实的炉膛三维空间的换热情况，充分考虑 影响炉内换热的边界条件，建立大型的几何模型空间。将要分析炉膛内流场 和炉膛内燃烧的合理性，如果合理，说明所建立的模型可行，对锅炉结构设 计有一定的指导意义。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第2 章燃烧流场的几何区域及几何边界 2 1 几何模型及网格生成 燃烧流场的几何区域包括调风器空气通道，炉膛空间。其中调风器空气 通道包括入口旋流器( 切向叶片式调风器) 通道、稳焰器通道、碹口通道。由 此可见整个计算区域范围很大。由于入1 3 旋流器、弯道、稳焰器和壁面等结 构的影响，在高压燃烧的条件下，计算空间的温度场，速度场必定会有显著 ( a ) ( c ) 图2 1 调风器的几何模型和网格 的梯度变化，尤其在稳焰器引起的回流区内，温度的变化更剧烈。所以要精 确反映整个计算区域内的流场变化，网格划分应足够精细。如果采用统一的 四面体网格，可以简化工作过程，但是得到的网格数量巨大，从现有的技术 经济角度考虑是不可取的。在这里采用分段划分网格的方法，在温度，速度 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 变化速率大的区域采用精细的网格划分，在各标量相对均匀的区域采用较粗 大的网格划分。 作为氧化剂的高压空气以旋流的方式进入炉膛，一方面可以加强油气的 混合，另一方面可以缩短火焰。产生旋流的方式可以是在入口边界加入三维 速度矢量和空气的质量流量，或者是用几何边界的方式自动产生旋流。这里 ( a ) 图2 2 左端一组调风器网格 采用后者。采用几何边界的方式不但可以简化物理边界的设定，而且可以反 映真实的旋流情况。在这里旋流导叶的倾斜角度决定了旋流的强度。 图2 3 对流管束区域网格 本题中的模型涉及到六个燃烧器，相应的有六个旋流调风器，分别排列 在炉膛的纵向两端。六个旋流调风器的结构相同，见图2 1 和图2 2 。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 为了反映真实的炉膛烟气的流动，保证炉膛内的压力均衡，在炉膛的出 口方向添加了五排对流管束。 图2 4 细化燃油入口的网格 ( a ) 重要截面( b ) 线段和网格 图2 5 炉膛换热区域的几何模型、网格及重要截面和线段的位置 由于这五排管束的间距小，而且形状不规则，如果全部采用四面体网格 势必会增加网格的数量，造成下一步的计算成本增加。这里采用分段划分网 格的方法，将炉膛计算区域分成三块，分别是炉膛燃烧区域，对流管束区域， 出口区域。在这五排管束的区域采用楔形的五面体网格，这种网格在相同的 1 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 网格边长时比六面体网格的数量要多一倍，但是只是四面体嗣格的三分之一， 所以可以大大减少网格的数量。 燃油的在炉膛空间的蒸发和沸腾是以颗粒相模型来计算的，颗粒相与连 续相的相互耦合是在以一个网格内的有限体积内完成计算的，因此网格的大 小会显著影响颗粒相与连续相之间的耦合，当采用小体积网格的时候，在这 个体积内的颗粒相与连续相的耦合就可以比较真实地反映实际物理过程，反 之，在单个体积相对来讲比较大的网格体积内，单个颗粒相的动量和能量对 此网格表示的连续相的影响是线性的( 当采用低阶的离散方法时) ，这种情况 大大偏离了真实的物理模型。基于这种考虑，在有颗粒相存在的区域采用较 细小的网格，也就是在燃油入口处要细化。 2 2 本章小结 针对特定型号的炉膛结构，制定出了合适的网格生成方案。生成的网格 在充分利用计算机的容量和运算速度的同时，最大限度地增加了网格数量和 提高了网格的质量，以达到数值计算的精度。 哈尔滨t 稃大学硕七学位论文 第3 章炉膛冷态等温湍流流动 由于大部分的实际燃烧过程都伴随着气体的湍流流动过程，湍流流动是 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、温度等都随着时间和空间而发生随机的变化。但是一般认为，无论湍 流运动多么复杂，非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动仍然是适 用的。对湍流流动的数值计算，已经采用的数值计算方法可以大致分为以下 三类： 1 直接模拟 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 a v i e r - s t o k e s 方程的完全模拟，i l p d n s ，这时无需引入任何模型。d n s 最初 由o r s a g 于1 9 7 1 年提出1 1 2 】。d n s 的误差仅由数值计算过程引入可以提供每个瞬 间所有流动量在流场中的全部信息，特别是能够提供实验不能得到的量，模 拟结果可以作为标准数据库来检验现有的湍流模型，可以帮助揭示湍流的本 质规律，增加人们对湍流的根本认识。然而由于要捕捉k o l m o g o r o v 耗散尺度 到几何尺度的所有尺度涡结构，需要极大的存储量及计算量。这是耳前计算 机容量及速度尚难以解决的。 2 大涡模拟 另一种要求稍低的办法是亚网格尺度模拟即大涡模拟( l e s ) ，大涡模拟首 先由气象学家s m a g o r i n s k y 提出用于研究全球天气预报t 0 1 。l e s 采用滤波的方 法将瞬时运动分解成大尺度运动和小尺度运动，对大尺度运动直接求解n s 方程，对小尺度运动采用亚网格模型模拟，因此计算量l t d n s d ，对亚网格 模型要求精度不高，l e s 可以给出湍流的大涡结构，也可以用来检验现有模 型。l e s 模拟工程流动同样需要用巨型机，计算费用也很昂贵，目前也不能 直接应用于工程实际。但是随着计算机技术的飞速进步，使用l e s 模拟湍流 及湍流燃烧现在已经引起了越来越多人的关注，并且有了极大的发展f 1 4 1 。 3 湍流模式理论 1 6 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 按照国内外不少学者的看法，本世纪内可用于工程的现实模拟方法，仍 然是f l q r e y n o l d s 时均方程出发的模拟方法，也就是目前常说的“湍流模式” 或“湍流模型”。其基本点是利用某些模拟假设，将r e y n o l d s 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量来表 达，从而使r e y n o l d s 时均方程封闭叫i 。 在r e y n o l d s 时均方程法中，又分为湍流粘性系数模型和r e y n o l d s 应力方程 模型。湍流粘性系数模型有两个基本点：一是b o u s s i n e s q 的湍流应力公式，二 是认为湍流输运可以用湍流动能和长度尺寸来表征。湍流应力公式把湍流应 力与均流场直接挂钩，无法正确描述均流场梯度为零而湍流应力不为零的一 类流动；湍流动能k 和长度尺度，都是标量，它们构成的湍流粘性系数无法体 现湍流输运的各向异性。目前应用最多的是基于各向同性的b o u s s i n e s q 假设的 k - z 模型，七一s 模型对无浮力平面射流、平壁边界层、无旋及弱旋的二维及 三维回流流动的各向异性较弱的流动的预报取得成功，但对强旋流、浮力流 等强各向异性流动不能给予令人满意的预报结果。不少学者提出了各种修正 来试图提高k - 模型预报旋流、浮力流的能力。但对于强旋流动的预报，改 进k 一模型仅在某些情况下能给出略有改进的结果，但在许多情况下不能得 到满意的结果。 3 1 湍流粘性系数模型 湍流粘性系数模型是b o u s s i n e s q 于1 8 7 7 年针对二维流动提出的，将速度脉 动的二阶关联量表示成为平均速度梯度与一个成为湍流粘性系数的量的乘积 一p “- v ：h 譬( 3 1 ) 秒 推广到三维的问题，若用笛卡儿张量表示，则有 一夥= 叫善+ 针弘 p z ， 湍流粘住系数模型通过给出雷诺应力与均流速度场之间的关系式把均流方程 1 7 哈尔滨1 r 程大学硕十学位论文 的不封闭性由雷诺应力转移到湍流粘性系数上去。模型的任务就是要给出湍 流粘性系数的计算方法。根据建立模型所需要的微分方程的数目，可以分为 零方程模型( 混合长度模型) 、单方程模型、双方程模型( j | 一g 模型) 。其中人 们应用时间最长，积累经验最多的是混合长度模型和k - 8 模型。混合长度模 型在空气动力学计算中仍有广泛的应用，在简单自由射流，如射流、尾流和 混合层计算中，在二维以及三维固壁边界层的计算中，都能得到比较满意的 计算结果，但是不适用于带回流的复杂流动，如果流场计算中要考虑浮力、 旋转及收缩扩张的影响，则只能采用纯经验的方法进行修正，这种适用范围 有较大的局限性。标准的七一模型有相当大的适用性。在有回流的流动中 j i 一模型是应用范围最广的工程湍流模型。 本文的炉膛燃烧流场的模拟研究目的主要在于研究炉膛结构对于炉膛换 热量的影响，以及具体某型炉膛换热的分布，对于详细的流动机理不作研究， 所以采用双方程模型( 一s 模型) 是足够的。k - g 模型假定流场完全是湍流， 分子之间的秸性可以忽略，标准七一s 模型因而只对完全是湍流的流场有效 1 9 1 。整个炉膛流场速度大，空间尺度也大，可知整个流场是湍流的，所以采 用露一占模型也是合理的。 ( 1 ) 标准七一s 模型 湍流动能方程七 妄c 纠+ 毒c p 钆，= 毒陋+ 兰) 考 + q + g 一肛一场+ & c s 。， 湍流扩散方程s 昙c 肛，+ 毒t 舻= 毒时+ 兰) 考 + 吒心+ q 瓯卜乞p 譬+ ( 3 - 4 ) 式中：q 表示层流速度梯度引起的湍流动能，p a s