锅炉燃料混烧特性研究及燃烧过程数值模拟 李丽丽.docVIP

辽宁科技大学硕士学位论文锅炉燃料混烧特性研究及燃烧过程数值模拟姓名：李丽丽申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：谢安国20080307辽宁科技大学硬士论文摘要摘要近年来，高炉煤气发电技术的应用方兴未艾，开辟了高炉煤气合理利用的新思路。燃烧高炉煤气发电主要包括全燃和混烧两种方式。实践证明，利用高炉煤气发电可大大优化企业的能源结构，降低生产成本和污染物排放，缓解用电紧张局面，取得节能、减排、增电等多重功效，为企业创造良好的经济效益和社会效益。本文采用流体力学软件对某电厂燃烧煤粉与高炉煤气混合燃料锅炉和全燃高炉煤气锅炉的炉内燃烧过程进行数值模拟。首先，分析了高炉煤气的燃烧特性，论述了煤粉和高炉煤气混烧的意义和必要性。其次，通过模拟总结出煤粉和高炉煤气混烧锅炉的燃烧特点；校正所选计算模型的准确性；确定该模型燃料的较优掺烧比及影响因素；模拟得出缩腰和直筒全燃高炉煤气锅炉炉内的压力场、速度场和温度场；分析了双旋流燃烧器及卫燃带在全燃高炉煤气锅炉中的作用及意义。最后，在不同掺烧比下对炉内排放量进行模拟并比较其生成量。通过以上工作，更加直观的展示了煤粉与高炉煤气混烧锅炉和全燃高炉煤气锅炉炉内的燃烧过程。较好地将燃烧理论与数值模拟结合起来，有利于进一步发展和完善气固两相燃料燃烧的数值模拟理论和高炉煤气发电技术。同时，也为工程上同类锅炉的优化设计、合理运行提供理论指导。关键词：锅炉，高炉煤气，煤粉，混烧，排放，数值模拟辽宁科技大学硬士论文，：，；，：，（），辽宁科技大学硬士论文主要符号说明符号口”一毋，足，竹耐，主要符号说明物理意义过量空气系数收到基灰分煤粉消耗量高炉煤气消耗量比热收到基碳元素含量直径作用力焓值收到基氢元素含量辐射强度湍流动能质量空干水分收到基氮元素含量收到基氧元素含量压力燃料不完全热损失煤收到基低位发热量辽宁科技大学硕士论文主要符号说明锅炉总吸热量高炉煤气发热量守恒方程源项时间速度分量干燥无灰基挥发份含量坐标分量湍流耗散或发射率动力粘性系数密度玻尔茨曼常数通用常量扩散系数辐射温度收到基于燥无灰基有效的颗粒平均脉动鲐鲰，匆脾。声口毋厂艮际甜矽搛一绋鲰，川圳。声口毋厂艮确甜耐尹哳一独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得辽宁科技大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名煮丞亟日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）辽宁科技大学硕士论文第章绪论课题研究背景第章绪论随着经济和科学技术的发展，工业的不断进步，伴之而来的全球性能源危机和环境污染问题也日益突出，人类可利用的能源正加速枯竭，人类生活环境正急剧恶化。这不仅迫使人类寻求开发新能源，而且应重视二次能源的再利用。我国是世界上钢铁生产大国之一，钢铁产量由原来每年的亿吨猛增到亿吨以上。钢铁产量的增加必将导致高炉煤气（）、焦炉煤气（）及转炉煤气（）等副产煤气的大幅增加，副产煤气约占钢铁企业能源总收入的，约占全行业能源的，这些副产品煤气都是良好的二次能源。其中焦炉煤气和转炉煤气热值高、可燃性好，利率较高。高炉煤气由于热值较低、燃烧不稳定，利用率较低，煤气热值及发生量如表所示【，【。然而，高炉煤气在钢铁企业中产量巨大，每炼吨生铁可以得到高炉煤气，我国目前高炉煤气发生量已经高达”。由于高炉煤气产量高、利用率低，放损量居高不下。据年统计，重点钢铁企业和地方骨干钢铁企业，高炉煤气的放损总量约万吨，若按每吨标煤元计算，折合人民币亿元，这既浪费了能源又污染了环境。因此，要加强高炉煤气的利用，使之变废为宝，为企业带来良好的经济效益和社会效益，提高企业在市场中的竞争力，是每个企业必须考虑的问题【】。表煤气热值及发生量二十世纪年代以来，随着全球环保意识的增强，我国国民经济的迅速发展，我国开始对燃料政策进行调整，为改善大中型城市的环境污染和大气质量，提高高炉煤气的利用率，各级政府开始鼓励钢铁联合企业自辽宁科技大学硕士论文第章绪论备电厂燃用高炉煤气发电。高炉煤气发电技术的出现，大大提高了高炉煤气的利用率，开辟了高炉煤气合理利用的新思路。一直以来钢铁企业的自备电厂都以燃煤为主，这大大增加企业的生产成本。不仅如此，燃煤为主的能源政策也是造成环境污染和空气质量下降的重要原因。改用高炉煤气进行发电，不仅可以降低企业的生产成本，优化企业的能源结构，还可以大大减少了污染物的排放。因而，以高炉煤气为燃料的锅炉在钢铁企业白备电厂中的应用越来越广泛，高炉煤气发电技术也得到了很快地发展。但高炉煤气锅炉在实际生产中还存在着燃烧不稳定、热效率低、安全性差等问题。由于锅炉内部的物化过程复杂，因此对锅炉进行理论分析存在一定的困难。随着计算机技术的应用和发展，从二十世纪七八十年代开始，计算机模拟技术得到飞速发展。以此为基础的数值模拟日益成为各国能源动力领域研究锅炉炉内燃烧过程的重要手段【。，综上所述，通过软件对煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内燃烧过程进行模拟，有利于了解混烧锅炉炉内的燃烧特性，解决现场存在的问题，对进一步发展气固两相流燃烧的数值模拟技术和高炉煤气发电技术有着重要意义。高炉煤气成分、燃烧特性及强化燃烧高炉煤气成分高炉煤气是高炉中焦炭部分燃烧和铁矿石还原作用产生的可燃气体，其主要可燃成分中均占总容积的，还含有极少量的和，同时含有近的不可燃气体，具体成分见表。因此，高炉煤气属于超低发热量的气体燃料（发热量在为低热量燃料），其发热量一般在（标准状况下），理论燃烧温度只有，含尘量在以下。表高炉煤气成分表，辽宁科技大学硬士论文第章绪论，高炉煤气燃烧特性（）在一定的浓度下易着火高炉煤气燃烧是单相反应，着火和燃烧都比较容易，一旦具备着火和稳燃条件，燃烧相当快，火炬很短。高炉煤气的主要成分是，所以高炉煤气的着火温度取决于的含量有多少。经试验测得高炉煤气的着火温度在之间。比挥发分为的烟煤的着火温度低左右。（）生成的烟气量大高炉煤气含有大量的惰性气体，所以燃烧后生成的烟气量也非常大。（）燃烧空气量略有减少高炉煤气含有大量的惰性气体，全燃高炉煤气锅炉理论空气量仅为，所以组织燃烧时要求更有效的混合措施才能确保煤气中的可燃成分完全燃烧。（）环境污染小高炉煤气燃烧熟值低，其燃烧产物中不含，。含量也明显减少，对环境污染很小。据估计，高炉煤气每代替万吨标准煤，可减少烟气排放量吨、吨、万立方米。高炉煤气属于较清洁的燃料，炉内产生的烟气不经过处理也能达到排放标准。（）着火稳定性差由于高炉煤气煤气的着火温度低，其含有大量的惰性气体使火焰的传播速度减慢。因此，高炉煤气在燃烧时可能发生脱火等不稳定现象。（）安全性差高炉煤气的比重比空气大，旦泄露容易沉积在地面，会造成中毒，甚至发生爆炸。所以高炉煤气的管道输送系统，燃烧设备等应具有严格的密封要求。高炉煤气着火浓度极限约在范围内，在此范围内存在爆炸的可能。从上述分析高炉煤气的燃烧特性可以认为，低热值的高炉煤气完全可作为锅炉的燃料，并可以作为主燃料。但由于高炉煤气的燃烧温度低，也会带来燃烧不稳定和锅炉热效率下降等问题【矾。高炉煤气强化燃烧技术目前主要的强化燃烧的方法有：在组织燃烧方面，采用低过剩空气系辽宁科技大学硕士论文第章绪论数燃烧：掺烧高热值燃料：富氧燃烧技术；预热高炉煤气等方法。在设计、选择燃烧器方面，采用高强度稳焰燃烧器；双旋流燃烧器等等。燃高炉煤气锅炉简介目前，国内外燃用高炉煤气发电的锅炉按燃料类型分主要有两类：一、掺烧高炉煤气锅炉（以高热值燃料为主，掺烧部分高炉煤气）。本文研究掺烧高炉煤气锅炉为煤粉和高炉煤气混合燃烧的锅炉，后文简称混烧锅炉。二、全燃高炉煤气锅炉（锅炉燃用高炉煤气），可视为混烧锅炉的种极值情况【。：混烧锅炉就是在原有燃煤锅炉的基础上掺烧部分高炉煤气。其结构仍保留着原燃煤锅炉的各种特点，只是对锅炉炉膛及相关设施、系统略加改进，增加了燃气供应及燃烧系统而已。这类锅炉既保证了锅炉的热效率，又具有良好的灵活性、可调性、经济性。鞍钢、宝钢、南钢等国家重点钢铁联合企业都采用煤粉与高炉煤气混烧锅炉进行发电。但该类锅炉无论炉膛形状还是燃烧系统都不完全满足高炉煤气的燃烧，高炉煤气的掺烧量较少。而且，高炉煤气燃烧时会与煤粉争氧，使煤粉燃烧不完全，造成能源的变相浪费】。为了进一步提高高炉煤气的利用率，减少高炉煤气的排放量，一种高温、高压全燃高炉煤气锅炉出现了。该锅炉的主要燃料是的低热值。且有毒、易爆炸的高炉煤气，属于燃气锅炉。我国第一台高温、高压全燃煤气锅炉，于年在首钢筹建。年代未得到成功推广应用，由于技术先进、可带高压发电机组，受到许多钢铁企业的青睐，仅河北省己建立并投入使用的全燃高炉煤气发电机组就有，每年直接经济效益达到亿元。鞍钢第一发电厂台全燃高炉煤气锅炉已于年正式投产【。首钢也已建立可带动发电机的全燃高炉煤气锅炉。全燃高炉煤气锅炉是专门根据高炉煤气的燃烧特点设计的，它提高了高炉煤气燃烧的稳定性。主要改进措施有：炉膛采用有稳燃带的缩腰结构或稳燃柱；燃烧器一般采用旋流燃烧器前后墙对冲布置，来增加气体的扰动，使高炉煤气燃烧更充分；由于全燃高炉煤气排烟温度高、烟气量大。采用分体式高炉煤气热管换热器，减少排烟温度。全燃高炉煤气锅炉具有输送和燃烧前准备简单，燃烧空间小，锅炉体积小于同容量的燃煤锅炉，辽宁科技大学硕士论文第章绪论易于实现自动化、智能控制、点火与停炉操作简单、锅炉运行方便、无灰渣和低温污染物排放等优点。特别是通过近年来对锅炉的改造，操作水平不断提高。锅炉炉内燃烧过程数值模拟研究的概述锅炉炉内燃烧过程的研究方法自从锅炉问世以来，人们就没有间断过对锅炉炉内燃烧过程的研究。由于锅炉炉内物化过程复杂，理论研究较困难。起初，对锅炉炉内燃烧过程的研究主要采用实验的方法，包括冷态模拟试验、热态模拟试验和全尺寸装置试验。通过实验人们进一步了解了锅炉炉内的燃烧情况，为锅炉的设计和改进提供了有利依据。但这些实验不仅消耗大量的人力、物力、财力，而且周期长，同时由于条件限制得到的数据少，数据又有较大的经验性和局限性，难以推广。后来，随着人们对于燃烧理论实验研究的不断深入和计算机技术的不断发展，计算燃烧学应运而生，人们开始应用数值模拟的方法对锅炉炉内的燃烧、流动状况进行研究。通过数值模拟的方法可以减少试验的盲目性和工作量，因其方便、快捷、适用性强、灵活度高而越来越受到人们的重视。计算燃烧学的发展过程燃烧学起源与本世纪四五十年代，在近代科学理论和实验技术的基础上逐渐形成和发展起来的。由于条件的限制通过实验得到的数据很少，经验数据和公式很多，很难应用于实际。随着计算机技术的迅猛发展和燃烧模型的不断完善，从世纪年代，人们开始用计算机通过数值模拟的方法将燃烧过程中各自独立的方程联系起来系统的求解，对燃烧的整个过程进行系统、全面的了解，并形成一门新兴的科学计算燃烧学。到本世纪年代，英、美、法、德、日、中、波等国家相继开展了对燃烧过程进行数值模拟的研究工作，逐渐发展到有可能对大型煤粉锅炉、燃气轮机、火箭发动机等的三维、非稳态、两相、湍流等实际过程进行数值模拟。计算燃烧学以计算机模拟为桥梁，把燃烧理论、实验、模型研制三者有机的结合在一起，开辟了用燃烧理论直接指导实验和设计工作的新途径。近年来技术得到了迅猛的发展，促进了燃烧理论和数值模拟的结合，为燃烧学提供了更大的发展空间。技术可以提供求解燃烧、辽宁科技大学硬士论文第章绪论流动的基本方程和求解方法。可以通过计算机模拟的方法求解不同边界条件、不同物性、不同几何模型下的燃烧情况。从而可以通过在软件中设计合适的参数来更快捷的了解燃烧设备内部流动、传热、燃烧、污染物生成、分子运动的情况。计算燃烧学的过程，如图所示【。定律守衡通量源计算程序数学工具离散化方程微分方程模型湍流燃烧辐射多相边界条件特殊条件几何形状性质运行条件环境条件图计算燃烧学的构成锅炉炉内燃烧过程数值模拟的发展过程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，出现了的湍流燃烧模型【】，的气固两相模型【】，的算法等等】。从九十年代起，炉内燃烧过程的模拟趋于全面和实用阶段。目前，燃煤锅炉炉内热过程模拟发展较快，主要模拟烟气和煤粉颗粒的湍流两相流动及与受热面之间的热量交换；燃料燃烧对受热面之间的辐射换热；煤粉颗粒的运动轨迹；烟气的组分【”。通过对这些结果进行分析，预测和判断燃烧情况，例如对电站锅炉煤粉燃烧，判断燃烧区域的中心是否正中或偏离、火焰高度如何、充满度如何、温度分布、排烟温度。对锅炉的气体流动，炉内切圆是否合适、有无对冲或刷墙现象等等。描述锅炉炉膛工况的模型，按维数可分为零维、一维、二维和三维模辽宁科技大学硬士论文第章绪论型。（）零维模型：就是把炉膛作为一个整体来进行计算，认为炉膛内火焰黑度、受热面壁温等参数是均匀分布的，进行简化和经验取值较多。由零维模型计算得到的只是炉膛的几个总体参数，如总的传热量、炉膛出口平均温度、炉膛压力（动态模型计算）等，而无法得到炉膛内烟气速度、温度、组分、传热量等参数的分布情况。（）一维模型：就是沿炉膛的高度方向考虑燃料浓度、温度、火焰黑度、热负荷等参数的交化，而在水平方向认为各个参数是均匀分布的。和零维模型一样，一维模型也不存在参数场的概念。在具体数值计算时，就是把炉膛沿高度方向分段，每段内的各个参数是均匀的。与零维模型不同，一维模型增加了各段之间辐射热交换的计算。总的来说，一维模型的计算量也不大，但从机理上比零维模型更趋合理，计算结果也要精确一些。（）二维模型：通常是考虑参数不仅沿炉膛高度方向有变化，而且在水平方向考虑到了参数随着离炉膛中心线距离的远近而发生的变化，这种模型一般只适用于轴对称的圆柱形炉膛，用柱坐标方程表示，在电站锅炉中很少应用。似）三维模型：就是把炉膛沿空间三个坐标方向进行网格划分，得到以微元控制体为单位的炉膛计算单元，对每个微元控制体建立相应的三维质量、动量、能量、组分浓度、传热量等参数的偏微分方程。方程中还要考虑到流体湍流流动、气固两相流动中的传热、传质和动量交换、煤粉的加热、热解反应和气固两相的燃烧反应以及与固体壁面之间的热交换等一系列复杂的物理、化学过程，模型的求解方法与零维、一维模型有很大的区别。三维模型可以得到在各种不同炉膛结构和不同入口条件下，炉膛内各个参数在三维空间的分布情况，如：速度场、温度场、各组分浓度场、熟负荷分布等等。所以说，炉膛三维模型才是真正可用于工程分析的机理模型【”。国内外的研究现状目前，国内外有很多专家、学者利用数值模拟的方法对锅炉炉内燃烧过程进行模拟。在对试验炉进行一维、二维研究的基础上，逐渐开始对工业实际应用的锅炉开始三维、动态的模拟。和”对的四角切圆燃烧的煤粉炉进行了数值计辽宁科技大学硬士论文第章绪论算。在其模型中，气相湍流用意一占双方程模型，颗粒相用随机轨道模型，煤粉热解用双反应模型，煤焦燃尽用扩散一动力模型，挥发份的气相燃烧用快速反应模型，辐射传热用离散传播进行计算。该模型能较为完整地计算出炉内的气体流动、组分浓度和温度的分布、颗粒运动轨迹及燃烧过程，以及壁面辐射热流量等。和”】提出了一个在实际锅炉的几何条件下，三维煤粉燃烧的计算模型，对一个的煤粉炉计算了炉内流动、传热和化学反应，并分析了结渣层、颗粒尺寸分布、热效率和煤焦氧化率等因素的相互作用，这些结果对于提高人们对复杂燃烧过程的理解，对于锅炉设计主要参数的确定提供了有益的帮助。浙江大学钱力庚【对对冲燃烧锅炉炉内的流动传热和燃烧过程及氮氧化物的生成过程、炉内的结渣过程作了详细的数值研究，预报了气相速度场和氮氧化物的浓度场以吸煤粉颗粒的运动轨迹。北京工业大学的魏强【】利用对燃油燃气锅炉炉膛内燃料燃烧的数值模拟。描述了气液两相燃料锅炉炉内的速度场、温度场。为发展和完善两相燃料燃烧的数值模拟理论提供了参考依据。本文研究的目的和主要工作内容选题目的高炉煤气发电技术在钢铁联合企业自备电厂中的应用越来越广泛，该技术不仅缓解了由燃料成本增长和能源紧缺给企业带来的巨大压力，同时减少了环境的污染和二次能源的浪费，为企业创造了可观的经济效益和社会效益。课题选择具有较强的学术价值和实际应用价值。炉内的温度和速度分布，直接反映炉内的燃烧状况。通过对结果的分析，总结出混烧锅炉的燃烧特点及存在的问题，对比得出煤粉和高炉煤气混烧的较优掺烧比。了解全燃高炉煤气锅炉炉内的燃烧状况及采用的稳燃措施对高炉煤气稳定燃烧所起的作用。得出混烧锅炉和全燃高炉煤气锅炉的生成量。为进一步发展高炉煤气发电技术提供理论帮助。主要工作内容（）对高炉煤气的燃料特性进行理论分析，建立与实践吻合较好的数值模型，确定计算方法。辽宁拜技大学硕士论文第章绪论）以煤粉和高炉煤气按热值：混合燃烧时为例，计算得出炉内的压力场，温度场和速度场，总结出煤粉和高炉煤气混烧锅炉炉内的燃烧特点，提出混烧过程中存在的问题及原因，并校正所选模型的正确性）模拟煤粉和高炉煤气按不同掺烧比时锅炉炉内的温度场，得出不同掺烧比对燃烧稳定性和炉膛整体温度水平的影响。）确定较优掺烧比，并且确定可能影响较优掺烧比的因素。）在操作参数相同时，模拟缩腰和直筒两种全燃高炉煤气锅炉炉内的燃烧过程，总结锅炉炉膛形状及燃烧器类型对高炉煤气燃烧及烟气流动产生的影响。（）对不同掺烧比时混烧锅炉和全燃高炉煤气锅炉炉内的生成量进行模拟，比较生成量。总结得出影响生成量的主要因素。（辽宁科技大学硬士论文第章锅炉炉内燃烧过程的数学模型综速第章锅炉炉内燃烧过程的数学模型综述锅炉内部的燃烧过程实际上是非常复杂的湍流流动和燃烧化学反应过程。流动是典型的三维湍流、气固两相多组分流动；热量的传递又包括对流换热、辐射换热和热传导三种传热方式；燃烧涉及固相煤粉颗粒和气相燃烧两部分：煤粉颗粒燃烧又有表面液体蒸发、颗粒挥发、颗粒氧化等。为了准确模拟，必须选择正确的数学模型。基本思路就是基本的物理、化学、流体力学定律。根据四个守恒定律：质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒来建立燃烧过程中的通用微分方程。根据这些定律和有关假设建立反应流体湍流流动和燃烧过程的通用微分方程组，再联系相关的本章方程使微分方程组封闭，然后根据实际工程问题进行确定相应的初始条件和边界条件，对问题进行求解忙射。燃烧过程的基本方程基本方程是对流动和燃烧过程进行计算机模拟的理论基础和出发点。建立基本方程的途径很多表达形式也不尽相同。周力行和范维澄等给出了从输运定理出发建立化学、流体力学基本方程组的详细过程这些方程称为反应流基本方程，亦称燃烧基本方程，包括质量方程、动量方程、能量方程和组分方程（）质量守恒方程质量守恒方程是物质不灭定律的体现。它基于对于任意控制体系内质量的增加率等于从外界进入体系的净质量流率。其矢量形式数学表达式：罢西咖；）（）式中：表示流体密度，膏为速度久。琏，甜是速度场的散度。质量守恒方程的张量形式是：鲁丢刚（）式中。，表示三个方向。（）动曼守恒方程动量守恒方程是牛顿第二定律在流体力学中的应用，它表示单位体积辽宁科技大学硬士论支第章锅炉炉内燃烧过程的教学模型综述流体某方向动量的增加率等于该方向动量的净流入率与作用于它的该方向外力之和，其矢量表达式为：（）讲户），岛一无（）式中：表示方向上速度分量，；。表示表面力矢量，包括静压力和流体秸性应力，表示作用于单位体积流体拼方向上的分力，无是作用于单位体积流体反向上的阻力。动量守恒方程的张量形式为：妄（印丢（朋，）砉，卅一五（）式中：以，是作用在歹方向垂直单位面积上的表面力在埘方向上的分力，通常历方向是三个，方向中的一个。（）能量守恒方程能量守恒方程是热力学第一定律在流体力学上的应用，表述的是单位体积流体内总能量的增加率等于滞止焓进入率与外界对体积的传热率和作功率之和其形式为；掣删廊）：（）墨（，式中：是比热容、为流体传熟系数、曲为流体的内熟源及由于粘性作用使流体机械能转为热能的部分，有时简称为粘性耗散项。（）化学组分守恒方程单位体积内某种化学组分质量的增加率等于由对流和扩散引起的它的净增加率与其化学反应生成速率之和。组分的组分守恒方程为：！蝉（，）（，（，）墨（）式中：为组分的体积浓度、为该组分的扩散系数、风为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应生成的该组分的质量，即生成率。上式从左到右依次表示时间变化率、对流项、扩散项和反应项【。燃烧过程的数学模型气相湍流流动模型气相湍流流动模型简介辽宁科技大学硕士论文第章锅炉炉内燃烧过程的数学模型综述湍流流动的时均方程中表征湍流脉动引起的动量、质量及能量输运的二阶关联项叫，一一，一一，都是未知项，它们分别是应力、物质流、热流。湍流模拟的任务就是通过表达式或输运方程来求解未知关联项。在年首先用平均速度梯度乘以一个系数来模拟雷诺应力，即：，一万鸬孚（）（式中：表示雷诺应力，鸬表示湍流粘性系数，为时均速度，表示主流方向均流速度，是与主流方向垂直的空间坐标。在非边界层类型的流动中常用的雷诺应力的模拟表达式有下面两种：叩丽一【鲁等一亍瓦磊】（）或一雨刊磬挈一詈峨，式中：为单位质量流体湍流脉动动能的时均值。从而将雷诺应力与时均速度场联系起来，将时均方程的不封闭性从雷诺应力，转移到湍流粘性系数“上研究认为，在湍流输运过程湍流窝团脉动动能七和湍流的长度尺寸起着关键作用。用和，写出湍流粘性系数的最简表达式为：鸬；巴“，（）式中：为比例系数，一般取为常数，是流体密度通常根据计算湍流粘性系数“所要求解的微分方程个数，可以把湍流粘性系数数学模型分为：零方程模型、单方程模型和双方程模型。每个模型中都有不同的形式，应用最为广泛的是：零方程中的混合长度模型、单方程模型中的七方程模型、双方程模型中的一占模型混合长度模型是到目前为止应用时间最长，人们积累经验最丰富的一种湍流粘性系数模型。它是在年针对湍流边界层问题首先提出来的他是基于分子热运动和湍流涡团脉动的相似性，分子输运粘性系数参照分子运动得出：辽宁科技大学硕士论文第章锅炉炉内燃烧过程的数学模型综述成目（）哕式中：群表示均流主流方向（）速度，埘称为混合长度。这样问题由确定转移到确定。通常乙由假设、简单的分析和归纳实验数据得到。混合长度模型在边界层和射流一类的二维抛物型流动中获得了很大的成功，但这种模型有很大的局限性，表现在：第一、它认为湍流粘性系数仅是流场当地性质的函数，湍流脉动速度与当地均流速度梯度成正比。实际上，体现湍流脉动的湍流粘性系数是流动状态的函数，而流动状态要受到对流和扩散过程的影响，均流速度为零的点可能不产生湍流脉动，但绝对不意味着该点的湍流脉动速度为零，因为还有对流和扩散的影响，因此混合长度模型中认为湍流粘性系数正比于均流速度梯度是不合理的；第二、在许多流动中给出混合长度的计算公式相当困难，例如复杂的边界层类型流动（例如同心圆管）、有回流的流动、有二次流的流动（）的情况等等。没有合理的混合长度公式当然就谈不上应用混合长度模型。针对混合长度的局限性，为解决湍流粘性系数随时均流速度梯度而趋于零的问题。年和年（】提出单方程模型。单方程考虑了对流和扩散作用对湍流动能的影响，以湍流动能和混合尺寸长度，表示的湍流粘性系数消除了混合长度模型时均速度梯度为零时，“也为零的一个弱点。但是单方程仍需要代数表达式给出，而这个要求要在混合长度适用的范围内才能适用。因此单方程模型和混合长度模型有同样的局限性。要想解决这个问题就必须建立求解长度尺寸，的微分方程。双方程模型把体现湍流脉动对均流场输运作用的两个特征量和，都处理成由各自方程控制韵因变量。建立和控制方程基础是方程。由于直接建立，为因变量的微分方程较困难，所以实际是建立一个方程，另一个是方程（，“）考虑到雷诺应力输运方程存在耗散项需要模化、湍流尺度（长度和时间）也要提供，年和川提出将湍流动能耗散系数占作为待求解的第二变量。这就出现了基于湍流动能和耗散率占的一占方程。标准一方程：昙（肚）毒（盹）毒眦拿毒瓯一最（）辽宁科技大学硬士论文第章锅炉炉内燃烧过程的散学模型综述鲁（删毒（胆虬）毒丝）罢】妻（。卜；譬疋（）式中：表示由层流速度梯度而产生的湍流动能、是由浮力产生的湍流动能、助由于在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动、，是常量、和以是七方程和方程的湍流数、和是附加项。对与湍流速度模型，湍流速度，由下式确定：鸬蚂（）式中：乞是常量，吒。标准占模型只要确定系数就可以求解。自从被和提出之后，就变成工程流场计算中主要工具。它适用范围广、经济、合理的精度，在工业流场和热交换模拟中得到广泛的应用。但标准的女一方程，湍流动能七和混合长度，都是标量，由它导出的湍流粘性系数无法体现湍流输运的各向异性，因此标准的占方程不能模拟强旋流的流场【引。后来人们对它加以改造，出现了七一占模型和带旋流修正占模型来解决强旋流问题【。气相湍流模型应用选择由于锅炉内是三维的湍流反应流，其平均流可以视为稳态的流动，可用通用的守恒方程描述。由于锅炉中是没有较强的旋流，采用标准的七一占模型描述。气体流动模型包括三维连续方程、动量方程及七和占两个输运方程，它们的同一表达式为：。曼譬旦鱼磐旦鱼磐旦鱼警：昙矿罢）昙（譬）昙正譬）（）国缸咖昆氖、叙西、却瑟、岔式中；分别代表速度甜、湍流动能、湍流耗散率占，压力，混合分数，及其脉动均方值和焓，当庐是连续方程，是由气相引起的源和汇。中是由固体颗粒引起的源相，对连续方程来说，该项是质量变化项，对动量方程而言，该项是动量源项。在量和占方程中，该项被忽略，为扩散系数。掣讲（面）：（）（）标准湍流模型控制方程具体形式如表所示：辽宁科技大学硬士论文第章锅炉炉内燃烧过程的数学模型综述气相燃烧模型气相燃烧模型简介湍流燃烧与层流燃烧不同，在层流中火焰传播速度是可燃混合物物理化学性质的反应，而湍流中气体的燃烧速率也受到湍流窝团之间的混合速度影响。到目前为止，对湍流的燃烧问题尚处于探索阶段，对实际的湍流问题不得不利用近似和模型的方法来解决。湍流燃烧模型主要有针对预混燃烧的涡旋破碎模型（）、拉一切一滑模型（）。对扩散火焰有七一占一模型、混合分数一概率密度函数（）模型、事先不用区分预混还是扩散的模型【。涡旋破碎模型（）是斯波尔丁提出的，它的思想是把湍流燃烧区考虑成未燃气微团和已燃气微团的混合物，化学反应进行在两辽宁科技大学硬士论文第章锅炉炉内燃烧过程的教学模型综速种微团的交界面上，认为化学反应速率取决于未燃气微团在湍流作用下破碎成更小微团的速度，认为破碎速率与湍流脉动动能衰减的速率成正比。但涡旋破碎模型没有考虑分子运输和化学动力学因素的作用，因此只适用于高湍流预混燃烧。、拉一切一滑模型是斯波尔丁于年提出的，它进一步考虑了分子扩散和化学反应动力学因素的作用。但此模型没有给出湍流与化学反应之间相互作用的物理信息，也无法解决复杂的燃烧化学反应问题。模型在涡旋破碎模型和拉一切一滑模型的基础上，继续对湍流燃烧进行物理描述。该模型是欧拉与拉格朗日法的结合，其特点是结合湍流运输、分子扩散及湍流脉动的统计平均特性。但因为理论较复杂，目前很难应用于复杂的湍流燃烧数值计算中来。湍流扩散火焰的膏一占一模型湍流脉动问题，解决了某一局部上燃料和氧化剂出现在不同瞬时问题。将混合过程的控制作用与湍流脉动的影响有机的结合在一起。混合分数一概率密度函数模型，严格的考虑了湍流流动与化学反应之间的耦合，它是将统计学及概率理论应用于湍流流动及湍流燃烧，考虑的是某量的平均值和概率有多大。对描述湍流问题的方法有着它独特的优点，密度、对流、化学反应及压力梯度都不需要进行模化。气相燃烧模型应用选择混合分数一概率密度函数模型不解单个的组分方程，只要求解一个或两个守恒量（混合分数）的输运方程，单个组分的浓度根据预测的混合分数的分布来求解。混合分数就是在所有组分（，、等），燃烧和未燃烧流（、等）的局部质量分数。因为化学元素是守衡的，所以这种方法很好。反过来，质量分数是个守恒量，所以输运方程没有源项。燃烧被简化为混合问题，可以避免与近非线性平均反应率有关的困难，并且计算效率较高，可以很方便的添加二次流。目前确定输运变量脉动概率密度函数的方法有输运方程和简化假定两种。分别为输运方程的和简化的。前者建立输运变量脉动的概率密度输运方程，通过求解该方程来获得输运变量脉动的概率分布。后者假定输运变量脉动的概率密度函数的具体形式，通过确定其中的一些待定参数来获得输运变量脉动的概率分布。湍流燃烧中简化的方法应用最为广泛和普通。简化的模型方法是基于快速燃烧反应模型假设，认辽宁科技大学硕士论文第章锅炉炉内燃烧过程的数学模型综述为湍流燃烧中反应速率重要受控于湍流燃烧的物理过程，他的主要特点是化学反应可以用单步不可逆反应来表达，燃料、氧化剂和产物之间的质量变化满足：燃料氧化剂（）产物，：墨二墨：竺（）。埘一式中：为元素的元素质量分数。下标表示氧化剂流入处的值，乃，表示燃料流入口处的值。如果包括次要流（另一种燃料、氧化剂或一种非反应流），燃料和次要流混合分数简化为燃料和次要流的质量分数。系统中这三种质量分数的和总是等于，表达式为：工。；（）这表明在混合分数空间中只有在平面上的点有效，见图。因此，这两个混合分数，办。，和工。，不能独立变化；它们的值仅在三角形里面时。有效，如图所示一，图，和的关系图，关系、对于单一混合分数情形，原始混合分数引允许在到之间变化，当次要混合分数位于线上时，用下列方程：允（一）（）式中：。标准次要混合分数，。为直线与次要混合分数轴交叉点处的值。标准次要质量分数。的一个重要特征就是假设其与燃料质量分数疡。，统计独立性。不像五一。是一守恒的标量。除了根据工为一个次燃辽宁稃技大擘硕士论文第章锅炉炉内慈烧进程的数学模型综述料流定义富限时，第二个标量变量的标准混合分数定义可用与任何地方。，在相同扩散率的假设下，组分方程可以简化成关于守衡量混合分数，的时均守恒方程。（）（而拦；趾（）删式中；源项岛仅指质量由液体燃料滴或反应颗粒（如煤）传入气相中、。，为用户定义源项。除了解混合分数的时均方程外，还要求解混合分数均方值（）的守恒方程：妄（户尹）和；尹）口（，（）一巳量尹（）式中：。常数盯。、和分别取，和对于一个二混合分数问题，用抽和瑶分别代替方程和中的和“，得到和瑶。在方程（）中，用厶代替，则得到屯因此，用方程（）可计算，用代替厂，解方程（）可得到。根据次流的总量与总质量流率相比相对要小这一事实，用，而不是髭解方程证明是对的。对一个一阶近似值，在。和允问的差异对相对敏感，因此，曼基本上和眉相同。几率密度函数（）描述脉动量和之间的概率，其表达式为：（厂）去（）式中：为时间尺度。为厂花在段内的时间总量。几率密度函数（描述了湍流中的瞬时脉动值，它可被用于计算依赖于厂的变量的时间平均值。对单