基于CFD燃烧器环形输气系统数值模拟.pdf

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电信息技术基于CFD燃烧器环形输气系统数值模拟杨培凯庄智勇陈伟博(1．广东江联能源环保有限公司2．华南理工大学机械与汽车工程学院)摘要：阐述计算机流体力学(CFD)湍流模型的理论基础，介绍ICEM．CFD软件混合网格划分复杂结构几何体方法。采用Fluent对燃烧器环形输气系统燃气流动情况进行数值模拟和分析，研究燃气在环形输气系统内的压力和速度分布状况。结果表明：环形输气系统各部位压力分布与气体流动速度存在较大差异，气体粘度对系统内燃气流动状态有较大影响。所得结果对环形输气系统设计与结构优化起到重要指导作用。关键词：燃烧器；环形输气系统；计算机流体力学；湍流；数值模拟0引言1湍流模型对燃烧器在燃烧过程中各部件的压力、温度等运燃气在燃烧器环形输气系统中，雷诺数行参数进行研究是设计、优化燃烧器结构的重要手Re>4000，因此流动状态一般为湍流，燃气流体动量、段。研究燃烧过程运行参数的2种主要手段为试验研能量激烈交换，气体密度也快速变化，是流体复杂波究和数值模拟【1。】。试验研究采用各种传感器对运行参动的运动状态¨。数进行直接或间接测量，得到的参数客观、准确，但粘性流体流动的N—s方程组用于描述流场中任试验成本高、周期长、对特定分布点参数无法获取全一空间点上的流动参数随时间和空间变化情况，适用局信息，湍流特性参数、燃烧效率等间接参数无法准于湍流流动内部结构和物理量复杂多变的情况，方程确计算。随着计算机技术、理论算法、流体力学迅猛组由如下4个方程组成【l1]：发展，数值模拟作为试验研究的补充工具，在燃烧流连续性方程(质量守恒方程)动研究领域被广泛应用们。塑+()=o(1)at魂”、环形输气系统的形状、结构、安装位置决定燃气其中，p为流体密度；t为时间；誓、分别为流体喷射的位置、压力、流速和浓度空间分布状况，对燃微元在i方向瞬时位置、速度。烧器燃烧效率、污染物生成影响很大。由于环形输气动量平衡方程系统结构复杂、尺寸小，实际试验难以获取全面运行参数，且通过实际试验进行结构优化成本较高。运用(p)+言()=一+(2)计算机流体力学(computationalfluiddynamics，CFD)其中，为流体密度；t为时间；Xi、Xj、、vj分技术对环形输气系统燃气流动情况进行数值模拟，能别为流体微元在i、方向瞬时位置、速度；为应全面了解燃气在环形输气系统内压力、流速等分布状力张量；，为流体微元i方向受到外部体积力。况以及燃气在喷嘴处的喷射角度、速度等参数，且具化学组分方程有周期短、成本低的特点。本文在分析CFD湍流理论模型和混合网格划分技术基础上，运用CFD软件昙()+毒(mI)毒考J+(3)Fluent对燃烧器环形输气系统燃气流动进行数值模拟其中，为流体密度；t为时间；x、v，分别为流体和分析，为燃烧器结构优化设计提供有价值的参考。微元在，方向瞬时位置、速度；m，为第f种物质质量，Ic基金项目：广州市科信局企业孵化器资助类专项2015年第36卷第1期自动化与信息工程1(2013J4200015)；广州市科信局创新基金项目(2013J4400223)。 4结论拟[D]航州：浙江大学，2008．[5】刘建全保民白涛，等．600MW超临界旋流燃烧锅炉炉内本文使用处理器ICEM为模型网格划分工具，温度场数值模拟及优化[J】．中国电机工程学报，20l1，31(2)：Fluent为求解器的组合方案对旋流燃烧器的环形输气15-21．系统输气情况进行了数值模拟，得到如下结论：[6】赵立业，辛国华．600MW四角切圆燃烧锅炉炉内过程的数值1)圆环管平均压力在整个环形输气系统中最高，模拟[J]．东北电力大学学报，2008，28(6)：48·52．压力变化在入口直管和圆环管连接处达到最大值；[7]A1一AbbasAudaiHussein，NaserJamal，DoddsDavid．CFD2)燃气在下排喷嘴喷射方向与小管中轴线夹角modellingofair-firedandoxy-fuelcombustionofligniteina100kWfurnace[J]．FUEL，2011，90(5)：1778-1795．比上排喷嘴小；[8】WilliamsA，BackreedyHabibeta1．Modellingcoal3)在环形输气系统小管中，气体粘滞效应对燃气combustion：thecurrentposition[J]．FUEL，2002，81(5)：605-618．流动和喷射影响较大。[9】KhareSP，WallTF，FaridaAZ．Factorsinfluencingthe参考文献ignitionofflamesfromair-firedswirlpfbumersretrofittedtooxy-fuel[J]．FUEL，2008，87(7)：1042-1049．[11】黄景立三分仓回转式空气预热器的热力计算方法研究[D】．北京：华北电力大学，2007．[10]StefanidisGD，MerciB，HeynderickxGJ．CFDsimulationsofsteamcrackingfUlTlacesusingdetailedcombustion[2】王增发．电站锅炉空气预热器热端径向密封控制技术研究[D】．哈尔滨：哈尔滨工业大学~2006．mechanisms[J]．Computers&ChemicalEngineering，2006，[3】潘国瑜．燃油燃气燃烧器燃烧与吹扫过程的试验研究及数30(4)：635—649．[11】张佳．采用旋流燃烧器300MWeW火焰锅炉燃烧及NOx值模拟[D】．太原：太原理工大学，2011．生成数值模拟[D】．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011．[4]邵杰．新型低NOx旋流燃烧器冷态模拟实验研究与数值模NumericalSimulationofAnnularGasSystemofBurnerBasedonCFDYangPeikaiZhuangZhiyongChenWeibo(1．GuangdongJianglianEnergyEnvironmentalProtectionCo．，Ltd．2．SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology)Abstract：ThetheoreticalbasisofturbulencemodelofCFDisilluminatedandthecompoundgridmethodtocreatemeshsystemforgeometrieswhichhavecomplexconstructionsusingICEM--CFDsoftwareisintroduced．Theflowsituationofnaturalgasintheannulargassystemissimulatedandanalyzed．Andthesituationsofpressureandvelocitydistributionintheannulargassystemarestudied．Theresultsshowthattherearelargerthediferencesofbothpressuredistributionandgasvelocitybetweendiferentpartsoftheannulargassystem．Theviscousefectshaveagreaterimpactonthegasflowsituationinthesystem．Theconclusionsplayallimportantroleinguidingthestructuredesignandoptimizationofannulargassystem．KeyWorks：Burner；AnnularGasSystem；CFD；Turbulence；NumericalSimulation作者简介：杨培凯，男，1962年生，学士，高级能源管理师，从事高效率节能环保能源设备研制。E-mail：wanfangperky@163．net庄智勇，男，1967年生，学士，测量控制与仪器仪表高级工程师，从事热能设备控制系统、燃烧控制系统的设计研发。陈伟博，男，1990年生，硕士，主要研究热能设备CFD仿真与控制。6