1000MW超超临界褐煤锅炉炉内燃烧过程的数值模拟优秀毕业论文.pdf

国内图书分类号：tk224 国际图书分类号：621.18 工学硕士学位论文 1000mw 超超临界褐煤锅炉炉内燃烧过程的 数值模拟 硕 士 研 究 生： 辛娜娜 导师： 吴少华教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 热能工程 所 在 单 位： 能源科学与工程学院 答 辩 日 期： 2008 年 7 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tk224 u.d.c.: 621.18 dissertation for the degree of master in engineering numerical simulation on the combustion process in the furnace of a 1000mw lignite-fired usc boiler candidate: xin nana supervisor: prof. wu shaohua academic degree applied for: master of engineering specialty: thermal energy engineering affiliation: school of energy science numerical simulation; usc boiler; single furnace dual circle tangential firing - - iii 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 摘 要 . i abstract.ii 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题背景.1 1.2 超临界机组和褐煤锅炉技术的研究现状及发展趋势 .2 1.3 炉内燃烧过程数值模拟研究现状.4 1.4 课题研究的内容 .7 第 2 章 炉内过程数值模拟数学模型.8 2.1 气相湍流流动模型 .8 2.1.1 微观模拟.8 2.1.2 概率密度函数模拟 .9 2.1.3 统观模拟.9 2.1.4 本文所选用的模型 .10 2.2 气固两相流动模型 .13 2.2.1 单流体模型 .13 2.2.2 小滑移模型 .13 2.2.3 双流体模型 .14 2.2.4 颗粒轨道模型 .14 2.2.5 本文所选用的模型 .15 2.3 辐射换热模型.15 2.3.1 热通量法.16 2.3.2 区域法.16 2.3.3 蒙特卡洛法 .16 2.3.4 离散坐标法 .17 2.3.5 本文所选用的模型 .17 2.4 煤粉燃烧模型.19 2.4.1 挥发分热解模型 .19 2.4.2 气相湍流燃烧模型 .20 2.4.3 焦炭燃烧模型 .21 - - iv 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.4.4 本文所选用的模型 .22 2.5 no生成模型 .24 2.5.1 热力型no生成模型.24 2.5.2 燃料型no生成模型.24 2.6 本章小结.26 第 3 章 炉内过程数值模拟模型的建立.27 3.1 锅炉原型概述.27 3.1.1 锅炉主要设计参数 .27 3.1.2 锅炉燃烧器布置及结构 .27 3.2 数学模型及计算方法 .28 3.3 计算域及网格划分 .29 3.4 边界条件.30 3.4.1 壁面边界条件 .30 3.4.2 入口条件.30 3.4.3 出口条件.31 3.5 本章小结.31 第 4 章 燃尽风对炉内燃烧过程影响的数值模拟.32 4.1 燃尽风率对炉内燃烧特性的影响.32 4.1.1 燃烧器运行参数 .32 4.1.2 燃尽风率对炉内温度场分布的影响.33 4.1.3 燃尽风率对炉内组分分布的影响.35 4.1.4 燃尽风率对炉内焦炭燃尽情况的影响.37 4.1.5 小结.38 4.2 燃尽风位置对炉内燃烧特性的影响.39 4.2.1 燃烧器运行参数 .39 4.2.2 燃尽风位置对炉内温度场分布的影响.39 4.2.3 燃尽风位置对炉内组分分布的影响.41 4.2.4 燃尽风位置对炉内焦炭燃尽情况的影响 .43 4.2.5 小结.45 4.3 燃尽风速对炉内燃烧特性的影响.45 4.3.1 燃尽风速对炉内混合特性的影响.45 4.3.2 燃尽风速对炉内温度场的影响.47 4.3.3 燃尽风速对炉膛出口焦炭含量的影响.50 - - v 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4.3.4 小结.50 4.4 本章小结.50 第 5 章 燃烧器参数对炉内燃烧特性影响的数值模拟 .52 5.1 不同一次风率对炉内燃烧过程影响的数值模拟 .52 5.1.1 燃烧器运行参数 .52 5.1.2 一次风率对主燃区流场的影响.52 5.1.3 一次风率对炉内nox生成的影响 .54 5.1.4 一次风率对焦炭燃尽情况的影响.55 5.1.5 小结.55 5.2 不同一次风速对炉内燃烧过程的数值模拟.56 5.2.1 一次风速对燃烧器区流场的影响.56 5.2.2 一次风速对燃烧器区温度场的影响.57 5.2.3 一次风速对燃烧器区焦炭燃烧情况的影响 .59 5.2.4 不同一次风速下炉膛出口处no排放量 .61 5.2.5 小结.62 5.3 主燃区二次风配风方式对炉内燃烧特性的影响 .62 5.3.1 不同配风方式下的燃烧器运行参数.62 5.3.2 配风方式对主燃区温度场的影响.63 5.3.3 不同配风方式下炉内焦炭燃烧特性.64 5.3.4 不同配风方式下炉膛出口处no排放量及焦炭含量.73 5.3.5 小结.74 5.4 本章小结.75 结 论 .76 参考文献.78 攻读学位期间发表的学术论文 .82 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.83 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.83 致 谢 .84 - - vi 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪 论 1.1 课题背景 我国是世界上最大的煤炭消费国，2006 年煤炭消耗量已超过 20 亿吨， 其中 50%以上用于火力发电。近些年随着电力工业的快速发展，巨大的煤 炭消耗使优质动力用烟煤贮量比例不断下降。而我国褐煤资源丰富，根据世 界能源理事会（wec）统计的 2004 年底数据，我国煤炭资源中褐煤探明可 采储量达 186 亿吨，占我国煤炭可采储量的 16%。但是由于褐煤水分高、 灰分高、发热量低，不适宜长途运输，目前全国已建和在建的燃用褐煤的大 型火力发电厂（单机容量200mw）的总装机容量只有 1213gw，仅占 全国火力发电总装机容量的 3%左右。大力发展燃用褐煤的火力发电机组， 对保障我国电力工业的可持续发展具有重要意义。 褐煤中灰分较高且灰分的熔点较低，燃烧时易结渣，这对于锅炉炉膛选 型及燃烧系统选择就有比较高的要求1。从 70 年代起，我国陆续引进了瑞 士苏尔寿公司的 300mw褐煤锅炉、德国斯坦缪勒公司的 600mw褐煤锅炉 和前苏联的 500mw褐煤锅炉等。这些引进锅炉均按照国外褐煤特性设计制 造，在我国投入运行以后，暴露出了许多缺陷和不足，主要是锅炉出力达不 到设计参数、炉膛普遍结渣严重、受热面超温爆管等等，因此，国内组织进 行了大量的技术改造和工程完善工作。纠其原因，主要在于国外的褐煤，如 德国，虽然褐煤储量大，燃用褐煤经验丰富，但其褐煤属于年轻褐煤，不适 用于我国的老年褐煤。因此，如何制造性能优越的、燃用褐煤的锅炉是摆在 我们面前的一项重要课题。 超超临界机组作为有效利用能源的一项新技术，具有工质参数高、机组 效率高、环境污染小和可靠性高等特点，成为目前我国洁净煤发电技术的必 然选择，是满足中国电力可持续发展的重要发电技术。对于国内超超临界锅 炉的研究，我国“十五”863 计划将“超超临界燃煤发电技术”列为重大课 题，主要解决了技术开发和示范工程建设，引进国外超超临界烟煤锅炉制造 技术，在我国制造了燃用烟煤的超超临界 600mw 和 1000mw 等级的锅炉 机组。在“十五”期间引进和技术研发的基础上，鉴于以上我国褐煤锅炉研 究的必要性，“十一五”期间将重点研究开发我国自主知识产权燃用褐煤的 - - 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1000mw 等级超超临界锅炉设计、制造技术，并实现其产业化。“十一 五”期间，计划建设褐煤电站装机容量为 30000mw 以上，预计 30%容量为 超超临界发电机组，超超临界褐煤锅炉有着广阔的市场应用前景。 为了充分利用我国丰富的褐煤资源，改善发电产业结构，提升发电企业 的技术水平，创建可持续科学发展的环境友好型企业，促进东北老工业基地 的重大技术装备制造企业技术进步和振兴，国家“十一五”863 计划立项支 持研究开发 1000mw 等级超超临界褐煤锅炉，由哈尔滨锅炉厂有限责任公 司牵头，有国家电站燃烧工程技术研究中心、大唐国际发电股份有限公司以 及哈尔滨工业大学和沈阳重型机器制造有限责任公司参加的产学研的研究、 开发、制造、应用相结合队伍，针对我国的 1000mw 等级老年褐煤锅炉， 进行研究与开发，确保我国 1000mw 等级褐煤锅炉装备产业化以及在电力 工业的应用和安全可靠运行。本论文的工作是国家“十一五”863 计划课题 的研究内容之一。 为保证锅炉能够安全稳定的投入运行，对锅炉燃烧器的性能、燃烧器和 超超临界褐煤锅炉炉膛的配合、炉内煤粉燃烧特性等有必要进行深入的研 究。利用试验研究炉膛内的燃烧情况，一方面成本高，周期长；另一方面按 照现有技术水平，很难对炉内燃烧情况进行完整的描述。由于燃烧过程的数 值模拟已经成为进行燃烧理论研究和燃烧装置设计的重要手段之一，其把燃 烧理论试验和燃烧装置设计有机地结合起来，能够精确地模拟炉内燃烧所产 生的温度场、速度场、压力场以及各种组分的分布和污染物的产生等。因 此，本文应用数值模拟方法，对上述国内首台 1000mw 单炉膛双切圆超超 临界褐煤锅炉在不同燃烧器参数下炉内燃烧过程进行了研究，这对具有我国 自主知识产权的 1000mw 褐煤锅炉机组技术的开发具有重要的现实意义。 1.2 超临界机组和褐煤锅炉技术的研究现状及发展趋势 大型超临界机组自 20 世纪 50 年代在美国和德国开始投入商业运行，今 天超临界机组已大量投运，并取得了良好的运行业绩，同时，超超临界机组 又是不断发展的技术。近十几年来，发达国家积极开发应用高效超临界参数 发电机组。美国和前苏联是超临界机组最多的国家，而发展超超临界技术领 先的国家主要是日本、德国和丹麦，超超临界机组的热效率可以达到 45%47%，最大单机容量 1050mw2。 目前超临界机组最大容量已达 1300mw，最高效率达 49%，充分显示 - - 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 了超临界和超超临界技术的成熟性和推广前景。国外超超临界机组发展的近 期目标为 1000mw级机组，参数为 31mpa，600/600/600,并正在向更高的 水平发展。一些国家和制造厂商已经公布了发展下一代高效超临界机组的计 划，蒸汽初温将提高到 700，再热汽温达 720，相应的压力将从目前的 30mpa左右提高到 3540mpa。根据英国贸工部对超临界蒸汽发电的预测， 今后 5 年内，超临界机组蒸汽温度将达到 620。到 2020 年，蒸汽温度将 达到 650700，循环效率可达到 50%55%3。 对于国内超超临界锅炉的研究，国家“十五”863 计划能源领域洁净煤 主题的“超超临界锅炉燃烧器、及其与炉膛配合的优化”课题已于 2005 年 8 月份结题，课题研究的内容已形成科学技术报告，并通过专家验收4。该 课题的依托工程为玉环 1000mw超超临界锅炉现已投入使用，各方面运行 稳定。由于锅炉向超大容量发展后，单炉膛四角切向布置下的炉膛出口处就 会存在烟气热偏差及流量偏差，管屏内外管圈的高温问题也必须解决，因此 多采用单炉膛双切圆燃烧方式（见图 1-1） ，玉环 1000mw超超临界锅炉即 采用该燃烧方式。该锅炉运行实践证明，单炉膛双切圆燃烧方式可以较好地 适应大型化炉膛的要求，这就为我国以后的超超临界机组建设提供了重要的 指导意义。 图 1-1 单炉膛双切圆燃烧方式 对于褐煤锅炉的研究，德国有着丰富的燃用高水分褐煤的经验。世界上 百万等级褐煤锅炉的主要国家是德国，其最大的超超临界褐煤锅炉为装于 niedrauem 电厂的 950mw 锅炉，塔式布置、单切圆燃烧、正方形炉膛、 主汽压力为 26.5mpa。美国在六、七十年代生产的容量为 500800mw 的褐 - - 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 煤锅炉大部分为亚临界控制循环和自然循环锅炉，也有少量为超临界直流锅 炉，因生产年代久远，无论锅炉设计和蒸汽参数均已落后。 国内目前已投运的 300mw 以上的褐煤锅炉大多数为进口机组，其中国 内已投运最大的褐煤锅炉为 600mw 亚临界锅炉，该机组为控制循环、配以 中速磨直吹式系统。近两年，在东北和内蒙地区新增一批坑口褐煤机组，如 霍林河 600mw、上都 600mw 等。目前，各锅炉制造厂正着手进行大容 量、高参数、高效率、低污染的褐煤锅炉研究与开发。 我国褐煤锅炉的发展趋势就是：容量由亚临界机组过渡到 600mw等 级，超临界和超超临界机组向 1000mw发展；同时逐渐开发 6001000mw 超临界、超超临界国产机组。锅炉整体向大容量、高参数、环保型、清洁 型、高效型机组发展5。 1.3 炉内燃烧过程数值模拟研究现状 煤粉的燃烧过程是受流动（包括湍流） 、传热传质和化学反应控制的极 其复杂的物理、化学过程。截至到 20 世纪 70 年代，燃烧学的数学理论仅限 于描述基本现象，它在燃烧技术的应用局限于定性分析，而燃烧室和燃烧炉 的设计主要依靠实验和经验、半经验的设计计算方法。但是实验总是在有限 的范围内进行，受诸多客观条件和因素的制约，将其外推本身就是一种近 似，小尺度模型并不能模拟全尺寸设备所具有的属性。随着流动、传热传质 和燃烧的数值模拟理论、方法和计算程序研究的迅速发展，近年来“炉内过 程数值模拟”领域得到发展。 “炉内燃烧过程数值模拟”是应用数值计算的 方法求解控制燃煤锅炉炉膛内煤粉气流的流动、传热、传质和化学反应的微 分方程组，得到炉膛内部速度、温度、组分浓度和各种物理量的空间分布特 性，进而指导燃煤锅炉的设计和运行，实现对燃烧装置设计和运行性能进行 的预测，使实际设计得到最佳的优化参数及运行方式，是实际装置设计工作 中不可或缺的手段之一。世界各国都非常重视炉内燃烧过程的数值模拟研 究，许多学者都进行了深入的研究并得出了不少研究成果。 从二十世纪 70 年代初开始，在计算流体力学和计算传热学已经取得成 就的基础上，燃烧的数值模拟发展起来，在这个领域中做出贡献的有 spalding，launder，patanker，crowe，smoot以及周立行等人6。近年来， 德国、英国、美国及中国等国的学者相继发展了锅炉炉膛燃烧过程数值模拟 计算的研究工作，并已推出了这方面的软件，其中有完整的煤粉燃烧过程和 - - 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 污染物生成计算并广泛应用的有fluent、cfx、phoenics等7。 80 年代，德国斯图加特大学的gorner8对侧墙布置有 8 个切向进风燃烧 器的锅炉炉膛（燃褐煤）内的三维两相流动、传热与燃烧过程进行了数值模 拟。气相场的求解采用标准的k-双方程模型，并用简单代数表达式考虑了 颗粒相的存在对有效粘性系数的影响。颗粒相采用轨道模型，用monte- carlo法考虑了颗粒的湍流扩散，煤粉热解采用单方程模型，焦炭燃烧采用 扩散动力模型，挥发分的气相燃烧采用快速反应模型，辐射传热采用六通 量热流模型。计算结果给出了热态气相流场、颗粒轨道、焦炭和co2的浓度 分布，计算所得的热流分布和实验值进行了比较，计算值高于实测值，有较 大的差别。 美国杨百翰大学先进燃烧工程研究中心9用该中心开发的粉煤燃烧计算 软件pcgc-3 对 85mw的切向燃煤锅炉燃烧过程进行了数值模拟。与pcgc- 2 相比，pcgc-3 引入了非线性的k-模型，试图模拟炉内各向异性的湍流流 动，并对近壁区及低雷诺区进行层流化修正处理。辐射换热采用离散传播模 型，颗粒相运动采用加扩散漂移速度修正的轨道模型，煤粉挥发采用双反应 模型，焦炭燃烧采用扩散动力模型，考虑了碳和氧气、二氧化碳、水蒸 汽、氢气的反应，气相燃烧用局部瞬时平衡的pdf模型。计算所得的气相速 度、温度、组分（包括nox）与实际炉膛运行中的局部测点值进行了对比， 结果较为理想。 英国帝国理工学院lockwood等人10对四角切向燃烧煤粉锅炉炉内的三 维两相流动、传热与燃烧过程进行了模拟。气相湍流流动采用k-模型，气 相燃烧采用快速反应的扩散燃烧模型，辐射传热采用离散传播模型。颗粒相 运动采用随机轨道模型，考虑了颗粒与壁面的碰撞。模拟结果给出了冷态气 相速度分布，气相燃烧的温度分布，热流分布和颗粒在炉内的运动轨道。 清华大学刘向军、徐旭常等11对四角切圆锅炉燃烧过程进行了数值研 究。湍流模型采用考虑气流旋转的修正的k-双方程模型，为减小计算中的 伪扩散，燃烧器段采用与流动方向较一致的网格体系（即任意平行四边形网 格） ，计算方法采用ale算法，炉内换热的计算采用蒙特卡洛（monte- carlo）法，颗粒相的运动采用随机轨道模型，煤粉挥发分的析出采用双平 行反应模型，焦炭的燃烧采用扩散动力模型，挥发分的燃烧采用ebu模 型。冷态气相场的数值模拟结果与实验值相符，热态燃烧模拟结果还有一定 的差别。 清华大学工程力学系12,13周力行教授提出采用全双流体模型模拟煤粉 - - 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 燃烧，经过不懈的完善和发展，建立了在双流体模型框架内的煤粉燃烧综合 模型。该综合模型包括气相湍流流动的k-模型，颗粒相湍流流动的kp模 型，气相燃烧的ebu-arrhenius模型，辐射传热的六热流模型，no生成的有 限反应速率的二阶矩模型，煤粉中水分蒸发的扩散模型，煤热解的双平行反 应模型，焦炭燃烧的扩散动力模型，在上述模型及数值解法的基础上，编 制了数值模拟程序pert-c，对各种锅炉的炉内煤粉燃烧过程进行了数值研 究。 华中理工大学14对 200mw切向燃煤锅炉炉内的燃烧过程进行了数值模 拟，气相流场采用k-双方程模型和simple算法，辐射换热采用lockwood和 shah的离散传输方法，颗粒相的运动采用轨道模型，煤粉挥发分采用双反应 模型，焦炭的燃烧采用扩散动力模型，气相燃烧用局部瞬时平衡的pdf模 型。该文献计算了多组粒径的煤粉颗粒在炉膛内的燃烧行为，结果给出了炉 膛内三维的气相速度分布、气相温度分布、颗粒运动轨道及氧浓度分布，计 算结果未能与实际相比较。 浙江大学15对w型火焰煤粉锅炉炉内燃烧过程及污染物生成进行了数 值模拟，其中气相湍流采用k-模型，气相湍流燃烧采用ebu模型，辐射换 热采用monte-carlo方法，水分蒸发采用扩散模型，挥发分析出采用傅维标 的通用反应模型，颗粒的湍流扩散采用脉动频谱随机颗粒轨道模型，焦炭燃 烧采用扩散动力模型，no的计算采用了后处理方法，考虑了燃料型no和 热力型no的生成，忽略了瞬时型no的生成以及焦炭对no的还原作用。模 拟结果给出了炉内气固两相流动、温度场分布和各气相组分浓度场分布（包 括nox） ，但未能与试验结果进行验证。 由上述可知，近年来在炉内燃烧过程数值模拟这一领域已经获得巨大进 展，但炉内煤粉燃烧是极为复杂的过程，它涉及诸如流体流动、传热传质， 相间质量、动量与能量相互作用及煤粉颗粒湍流、气固两相反应等许多物理 化学过程，仍有许多问题尚待解决。如对于气固两相流动，目前研究多采用 颗粒轨道模型，虽然其易于给出两相之间的速度和温度滑移，但该模型对颗 粒湍流扩散还缺乏较好的处理方法，而且其颗粒浓度与速度的计算结果难以 和实测的欧拉场颗粒特性相对照，还需要进一步加以发展及改进6。另外， 由于历史原因，目前炉内过程数值模拟研究主要是针对四角切圆煤粉锅炉以 及w型火焰煤粉锅炉，对于单炉膛双切圆燃烧方式的煤粉锅炉炉内过程的数 值模拟研究较少，但随着锅炉机组的日益大型化，开展单炉膛双切圆燃烧方 式的煤粉锅炉炉内过程的数值模拟研究有很重要的现实意义。 - - 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 文献4中利用 cfd 软件 phoenics 对于采用单炉膛双切圆燃烧方式的 超超临界锅炉炉内燃烧过程进行了较为详细的数值模拟研究，通过模拟的结 果与该超超临界锅炉的运行情况对比表明，利用 phoenics 软件，选择合 适的数学模型和计算方法，进行燃煤锅炉炉内燃烧过程的数值模拟是可行 的，对炉膛内温度场和各种组分浓度场的分布特性的模拟是合理的，反映了 实际的炉内流动、传热和 no 生成过程；同时，在参考文献16中，详细介 绍了褐煤锅炉炉内的数值模拟过程，在褐煤燃烧特殊性的基础上给出了较为 准确的模拟方法，这些都为本文的数值模拟提供了奠定了基础，有很重要的 指导意义。 1.4 课题研究的内容 本课题来源于国家“十一五”863 课题“1000mw 超超临界褐煤锅炉燃 烧技术研究”（课题编号：2006aa05z320） 。为解决工程中的实际问题， 即配合炉内工程化数值模拟方法的研究及炉内介质流动规律的研究，本文以 拟建设的内蒙克旗电厂 1000mw 单炉膛双切圆超超临界褐煤锅炉为研究对 象，针对超超临界锅炉燃烧器和炉膛结构的特殊性以及褐煤燃烧的特殊性， 利用计算流体软件 phoenics 选择合理的数学模型进行数值模拟。研究主 要是围绕燃烧器形式及其设计参数的优化，具体的研究内容包括： 1. 燃尽风参数对炉内燃烧过程的影响 垂直空气分级（即燃尽风）方式对锅炉炉内燃烧过程有着较大的影响， 本文就通过分别选择不同的燃尽风份额、燃尽风位置、燃尽风风速进行模拟 研究，得出了不同的燃尽风参数选择对于炉内燃烧过程的影响规律。 2. 燃烧器参数对炉内燃烧过程的影响 在炉膛总风量以及燃尽风量不变的情况下改变一次风率，分析不同一次 风率下氮氧化物排放情况以及焦炭的燃尽情况等规律，得出较优的一次风 率；在优化一次风率的基础上，改变一次风速，得出不同一次风速下炉内燃 烧情况；改变主燃区二次风的配风方式，得出不同配风方式下不同二次风配 风方式下炉内烟气温度场、氮氧化物排放以及焦炭燃尽情况。 - - 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 炉内过程数值模拟数学模型 炉内过程数值模拟包括气相湍流流动的数值模拟、煤粉气固两相流动的 数值模拟、传热过程的数值模拟和煤粉燃烧过程物理和化学反应的数值模拟 四部分。本章将分别对这四部分通常采用的模型进行介绍，并详细介绍本文 所采用的各个数学模型，另外，本章也将给出煤粉燃烧过程中 no 反应模 型。 2.1 气相湍流流动模型 锅炉炉内的气流流动几乎全部都是湍流流动，所有物理量都是空间和时 间的随机变量，但炉内气相流动仍遵循连续介质的一般运动规律，并具有一 定规律的统计学特征。流场中任意空间点上的流动参数都满足粘性流体流动 的纳维-斯托克斯（n-s）方程组，因此可用瞬时参数的连续方程、动量方 程和能量方程表示17。方程组虽为封闭的方程组，但由于高度的非线性， 目前科学技术的发展水平还得不出理论解，故只能采用数值模拟的方法进行 求解。目前湍流气相流动过程的数值模拟大致可以分为以下三类：微观模 拟，概率密度函数模拟，统观模拟。 2.1.1 微观模拟 微观模拟可以分为直接模拟（dns） 、离散涡或随机涡模拟（dvs）和 大涡模拟（les）三种模拟方法。 2.1.1.1 直接模拟 采用三维非稳态的n-s方程对湍流进行直接数值计算。这 种方法能对湍流流动中的最小尺度涡进行求解，其所得结果的误差只是一般 数值计算所引起的那些误差，但该方法必须采用很小的时间与空间步长，亦 即必须采用很小的网格，才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时 间特性18。即对内存空间及计算速度要求非常高，这是目前计算机容量和 速度都难以实现的，因此直接模拟仅限于相对低的雷诺数中湍流流动模拟 19,20。 2.1.1.2 离散涡或随机涡模拟 离散涡或随机涡模拟，基于网格尺度封闭模 型及对大尺度涡进行直接求解 n-s 方程，它把湍流流场分成一系列大尺度 涡元，用涡元的随机运动来模拟湍流，可以获得混合层和尾涡中大尺度涡旋 - - 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 机理的本质，目前也得到了一定程度的应用，不过目前研究仍限于简单流动 中的定性结果。 2.1.1.3 大涡模拟 按照湍流的涡旋学说18，湍流的脉动与混合主要是由于 大尺度的涡造成。大尺度涡通过相互作用把能量传递给小尺度涡，小尺度涡 的主要作用是耗散能量。基于以上认识发展了大尺度涡模拟的方法，该方法 对大尺度涡旋运动采用非稳态的n-s方程进行直接求解，但对小尺度涡不进 行直接求解，而是把小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑21。该方法 网格尺度比湍流尺度大，可以模拟发展过程中的一些细节，但其对计算机内 存及速度的要求仍然很高，目前仅仅用于一些比较简单的剪切流和管流 22,23。 2.1.2 概率密度函数模拟 概率密度函数模拟是基于工程应用目的，从连续介质理论体系下的n-s 方程出发，采用分子运动论速度分布函数的处理方法，在推导n-s方程的过 程中，得到以速度的概率密度函数为因变量的输运方程。这样就克服了n-s 方程雷诺平均过程中梯度扩散的假设，避免了对一些重要过程的模拟24。 该模型的关键问题是速度及速度与各种统计标量的联合概率密度形式和方程 式的合理性，由于这必然涉及到湍流的各种微观机理，在目前对湍流内部结 构不清楚，故对求解标量的联合概率密度函数的输运方程仍不能给出合适的 模型，因而限制了其在工程上的应用25。 2.1.3 统观模拟 由雷诺时均方程出发的统观模拟方法，在预报工程中感兴趣的时均场及 时均湍流特性上有相当程度的合理性，可以满足工程实际的需要，因此近期 常被用于工程实际中。该类模型将雷诺时均方程及湍流特征量输运方程中的 高阶未知关联项用低阶未知关联项或时均量来表达，从而使雷诺时均方程封 闭。统观模拟方法基本上有两种：雷诺应力模型和湍流粘性系数模型。 2.1.3.1 雷诺应力模型 雷诺应力模型18中，对于建立雷诺时均方程时引入 的两个脉动值乘积的时均相再建立偏微分方程。随着计算机工业的飞速发 展，雷诺应力方程模型在湍流数值计算中的应用日益广泛，特别是其中对二 阶矩建立微分方程，对三阶矩引入近似处理的方法已经应用到工程计算中。 2.1.3.2 湍流粘性系数模型 湍流粘性系数法，把湍流应力表示成湍流粘性 - - 9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 系数的函数，整个计算的关键就在于确定这种湍流粘性系数。根据确定湍流 粘性系数所需要的微分方程数目，可以把湍流粘性系数模型分为：零方程模 型、单方程模型和双方程模型。 零方程模型，是指不需要微分方程而是用代数关系式把湍流粘性系数与 时均值联系起来的模型。它又可以分为常系数模型和混合长度理论模型，其 中最常用的是后者，它对于剪切流非常有效，但对于回流以及旋流流动，由 于混合长度是未知量，很难通过实验来确定，因此该模型很少应用于锅炉炉 内流动的数值计算中，因为锅炉炉内流动中包含有回流及旋流流动。 在单方程模型中，湍流脉动动能 k 和湍流长度标尺 l 作为湍流特性参 数，用来求解湍流粘性系数，这种模型明显优于混合长度理论。但是在单方 程中仍要用经验的方法规定湍流长度标尺的计算公式，因 l 很难确定，所以 该模型在实际中应用并不广泛。 双方程模型中的k-模型是迄今工程中应用最为广泛的湍流模型，k-模 型由launder和spald