文档介绍：§7 锅炉炉内过程的数值模拟
现代大型火力发电机组容量日益增大,参数等级不断提高,对锅炉运行的安全性、经济性及低污染排放的要求也越来越严格
加强锅炉炉内燃烧过程的研究,不断更新和提高燃烧技术,完善和发展燃烧理论始终具有十分重要的意义
燃烧过程的数值模拟作为一种新的研究手段,无论是对燃烧基础理论的深化,还是对应用技术的开发,都发挥着积极的作用,并被国内外学者不断完善和发展
近十余年来,作者及其同事们在这一领域也开展了较多的工作,在锅炉炉内过程的模拟方面,完善和发展了一套三维湍流燃烧过程的数值计算软件,并已面功地应用到四角切向燃烧、墙式布置燃烧等型式的大、中、小型锅炉中,对分析和解决诸如炉内结焦、燃烧调整、锅炉炉膛出口烟温、汽温偏差、爆管等问题起到了明显的作用
针对计算过程中易发生的伪扩散问题进行了研究,提出了一种能较为明显地减小伪扩散的新的“27点”差分格式
1 锅炉炉内冷态流场的数值计算
锅炉炉内的气体流动为三维湍流反应流,其平均流可视为稳态流,可用通常的守恒方程进行描述
对湍流流动采用k-ε方程模拟
气体流动的连续性方程、动量方程及k和ε方程可用下面的统一形式表达:
(163)
式中Φ代表所有的气相变量,如速度的三个分量u、v、w;压力P;湍动能k及其耗散率ε;混合分数f及其脉均方值g;比焓h等。SΦ为气体的源项或汇项;SPΦ为由于气相场中存在固体颗粒而产生的源项。对连续性方程,SPΦ是颗粒的质量变化项;对动量方程而言,则是由颗粒和气体之间的相互阻力及颗粒的热解挥发而引起的动量源项;k和ε的方程中则忽略了这一源项。
计算对象:图6所示的实验炉
以WG1025t/h锅炉为原型,严格按几何相似的原则(模型与原型尺寸比为1:20)而模化制成
实验炉采用四角切圆燃烧方式布置燃烧器,××1945mm,采用直流燃烧器,。每组燃烧器有五层一次风、八层二次风,一、二次风间隔布置,一次风外是周界风
实验条件:表4
表4 WG-09V实验工况
注:p2/p1: 二次风与一次风动压比;p3/p1: 周界风与一次风动压比
w1、w2、w3 分别为一、二、三次风速度(m/s)
P2/P1
P3/P1
W1
W2
W3
投运
一次风喷口
投运
二次风喷口
投运
周界风喷口
40
2,4,9,11
1,3,5,7,8,10,12,13
2,4,6,9,11
图6 实验模型及测点布置示意图
采用Cartesian直角坐标
为简单起见,把燃烧器置于前后墙上。但由于四角切圆燃烧方式中,燃烧器的射流中心线和炉壁有一夹角,则喷口处的变量要满足一定的边界条件。如以Min表示某一喷口网格的质量流率,△x、△y和△z分别为喷口网格的宽度、深度和高度,则为保证计算中每个喷口质量流率不变,该喷口网格处的速度分量uin、vin及win应满足下式:
Min=ρin(uin△y△z+vin△x△z+win△x△y)
(164)
式中ρin为喷口处气流密度。考虑到燃烧器的射流中心线和炉壁有一夹角θ,则水平动量分量应满足
(165)
炉内冷态流场的计算结果与对比:图7-图13
大部分情况下计算与实验值符合得相当好,完全满足工程精度要求
个别图(如图10)中计算值与实验值有一定误差,可作如下分析:一是在燃烧器区域,四股来自不同角的射流交叉,速度变化梯度大,湍流脉动强烈,计算中采用k-ε模型应用于带旋转的流动工况还有缺陷;二是所采用的有限差分格式在计算中可能产生较大的伪扩散;三是测量中所采用的实验方法和测量手段有其固有的局限性,从而带来测量误差。表现在:(1)实验中采用的一维热线探头测量的速度至少是两个方向上的分量,而不仅仅是一个方向上的分量;(2)热线探头对低速度敏感性差,难于准确测量切圆中心的低速度区,从而影响测量精度。
图7 0-1断面切向速度分布
+ 实验值, - 计算值(下同)
图8 0-3断面切向速度分布
图9 0-4断面切向速度分布