用RNGk-ε模型数值模拟喷旋分解炉内的湍流流动

(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,湖北武汉430070)摘要:采用重整化群双方程模型对喷旋结合型分解炉内湍流流动进行了数值模拟,与现场结果相比较分析了炉内气体的运动和湍流特性的规律和特点。研究表明:由于分解炉的下部缩口区域的存在,气流经过此区域时流动面积突增,成喷射状。在带有旋流三次风与窑尾烟气共同作用下,在三次风进口相对的一侧出现高速区(其最高速度达到35.34m/s),同时在分解炉三次风进口一侧的下锥体上部和柱体附近沿壁面处出现负的速度分布,形成环状涡流区。     

分解炉内气相湍流流动的数值模拟分析

针对高原地区某分解炉的实际尺寸，采用Realizable（带旋流修正的）κ-ε双方程模型对分解炉内气相湍流流场进行数值模拟，分析了该分解炉内速度及湍动能分布特征，验证了该分解炉的设计合理性，为进一步研究分解炉优化设计提供了参考。     

高效喷旋分解炉内湍流流场的数值模拟

针对华新水泥厂宜都生产线上的一种高效分解炉建立数学模型，采用k-ε模型对炉内的气相流场进行了数值模拟。数值计算结果从不同角度对速度场进行了分析，直观清晰地展现了分解炉内的气流运动规律。模拟结果预测了炉内气流在整体上螺旋上升而在局部存在大量回流运动的规律，为研究适合劣质燃料燃烧的炉型结构提供了重要的参考价值，并为进一步研究分解炉内的传热、传质及化学反应过程提供了理论依据。     

旋喷结合分解炉的数值模拟

The new type swirl-spray precalciner used in cement plant is a large-scale and complex reactor in chemical engineering. In this work a full three-dimensional numerical simulation is carried out for swirlspray precalciner, and at the same time a new method for particle trajectory in rectangular-structural grid is presented. The results of simulation disclose and predict the physicochemical process of precalciner and the numerical simulation results agree well with the experimental results.     

旋喷结合分解炉的流场模拟

描述了旋喷结合分解炉内气体流动的基本运动方程，提出了用重整化群（renormalization group)k-ε方法处理旋喷结合分解炉数值模拟的方法，并针对工程应用中的分解炉进行了模拟计算及分析比较。结果表明，数值模拟方法可与试验研究方法并存与互补，共同用于分炉的优化开发设计。     

旋喷结合分解炉内流场在不同结构和入口条件下的数值模拟

本文采用RNGk-ε模型对旋喷结合分解炉内的气相流场进行了数值模拟，通过改变分解炉的中部缩口尺寸，上部柱体尺寸和下部柱体尺寸的结构参数以及入口气流的流速，在不同的条件下得到了炉内的流场分布情况，并进行了比较和分析，为分解炉的结构优化设计提供了参考依据。     

双喷腾分解炉内气固两相流场的数值模拟

对水泥工业中广泛应用的双喷腾分解炉内的气固两相流场进行了数值模拟，气相在Euler坐标系下采用κ-ε双方程模型表示，固相颗粒在Lagrange坐标系下采用随机轨道模型表示。模拟的结果预测了分解炉内气固两相流场的运动规律，为分析双喷腾分解炉内的气固运动规律和预测固体颗粒在炉内的停留时间提供了有利信息。     

旋喷结合分解炉的流场模拟

描述旋喷结合分解炉内气体流动的基本运动方程，提出用重整体群（Renormalization Group)k-ε方法处理旋喷结合分解炉数值模拟的方法，并针对工程应用中的分解炉进行了模拟计算及分析比较，结果表明数值模拟方法可与试验研究方法并存与互补，共同用于分解炉的优化开发设计。     

结构化网格在旋喷结合分解炉中的应用以及流场模拟

旋喷结合分解炉为众多分解炉炉型中的一种,其结构较复杂,对其进行数值模拟的基础为炉型的网格划分。本文通过数学推导建立结构化网格来构筑旋喷结合分解炉炉型的合理计算单元;并对其流场进行模拟,目的在于为模拟旋喷结合分解炉及其优化提供帮助。     

分解炉内流动特性数值模型的探讨

分解炉是预分解窑技术的关键设备，具有燃料燃烧、气固传热、碳酸盐分解等功能。为充分了解分解炉的性能，应用适宜的模型来模拟分解炉内部三维流场是很有意义的。在借鉴分解炉物理模型和流体力学的湍流模型的基础上，对华新水泥厂采用的喷腾式和旋喷式分解炉进行了分析，提出两种数学模型，为优化分解炉结构设计提供了理论依据。     

聚结器浓度场的数值模拟

为优化聚结器结构,应用计算流体力学（CFD）方法,选用RNG k-ε模型,以SIMPLE算法为基础,对旋流式和蛇形管式聚结器在湍流状态下的流体流动场进行数值模拟,得出该两种结构聚结器的油相浓度分布云图。数值模拟结果表明,蛇形管式聚结器对油滴的兼并和聚结效果优于旋流式聚结器。     

双喷腾分解炉中燃烧和分解耦合数值的模拟

对水泥生产中广泛使用的双喷腾分解(dual combustion and denitration process,DD)炉系统进行了3维数值模拟研究。研究和分析了分解炉中煤粉燃烧和碳酸钙分解之间的质量和能量的耦合问题。在前人研究的基础上运用适用于工业研究的碳酸钙分解模型,对其传热传质过程进行了深入研究,为工业研究分解炉中煤粉燃烧和碳酸钙分解之间的耦合问题提供了理论依据。     

喷腾分解炉内流场优化的数值仿真研究

采用标准k-ε双方程模型和SIMPLE方法对喷腾分解炉内流动特性进行了数值模拟,通过增设分解炉的中部缩口、柱体的尺寸、入口气流的流速以及增加旋流风,在不同条件下得到了炉内的流场分布情况,并进行了比较和分析,为分解炉的结构和工况的优化设计提供了参考依据。研究表明:喷腾分解炉内流场主要为喷射流,不易产生较强烈的横向混合和必要的逆向物料返混。结构和工况参数的变化,延长了气流的运行轨迹,适当地增加气流的横向运动,将有利于延长物料的停留时间、物料的分散和煤粉燃尽率和CaCO3分解率的提高。同时,数值模拟结果将为优化分解炉设计和流动参数提供理论依据。     

三喷腾DD分解炉内煤粉燃烧的数值模拟

本文采用Ansys软件平台中的非预混燃烧模型,对于日产5000 t熟料的水泥生产线上三喷腾型DD分解炉内煤粉燃烧过程进行了数值模拟计算,从而得到了煤粉燃烧后所形成的炉内温度场和组分浓度场.模拟计算的结果表明,该类型分解炉内的高温区位于炉体下部,最高温度约为1800 K;随着炉膛高度增加,炉内温度场呈均匀降低趋势;煤粉入口处挥发份和CO的浓度较高,CO2的浓度较低,并且随着反应的继续进行,CO和O2浓度将逐渐降至0.     

强化悬浮式分解炉内气固两相流场的数值模拟

以强化悬浮式分解炉(reinforced suspension precalciner,RSP)为研究对象,对气相采用重整化群(renormalization group,RNG)k-ε双方程模型,对颗粒相采用随机颗粒轨道模型.考虑气固两相之间的耦合作用,采用二阶迎风差分和SIMPLE算法,对分解炉内的气固两相三维流场进行数值模拟,得到分解炉内的流场分布和颗粒运动轨迹,为分析分解炉内气固两相的运动规律提供有利信息.     

分解炉内煤矸石悬浮煅烧的数值模拟

煤矸石制备水泥辅助胶凝材料的应用研究对水泥行业的节能减排与大宗固废的高值利用均具有重要意义。本文以河北某地不同矿区的6种煤矸石为原料,采用XRD,热重等方法分析判断其化学成分和矿物组成,通过静态煅烧实验研究了其煅烧活化条件,并通过胶砂实验测定其胶凝活性。结果表明,煅烧温度和时间会影响产品的胶凝活性,煤矸石经过适当的热处理后,可用作辅助胶凝材料替代部分水泥熟料,在实现煤矸石资源化利用的同时,也为水泥工业碳减排提供了新路径。但煤矸石成分复杂,活化煅烧需要注意煅烧制度。采用CPFD（Computational Particle Fluid Dynamics）数值模拟方法模拟了分解炉内煤矸石传热、传质及化学反应,分析了不同工况下分解炉内气固两相流场。结果表明：入炉空气的温度较低时无法点燃煤矸石中的可燃组分,通过高温烟气点火和分级司料可有效解决这一问题。     

高效喷旋分解炉SWC的开发研究

在和类典型分解炉特点的基础上开发了一种独具特色的高效分解炉SWC，通过优化研究，使炉内气体的喷腾、旋流效应得到较理想的配合，能够既保证良好的气固混合效果，为煤粉燃烧和碳酸盐分解反应提供良好的环境条件，又具有优良的低阻特性，该炉的料气停留时间比值超过国内现有的各同类炉型，可达到很高的空间利用率，有利于新型干法厂增产降耗。为我国资源状况复杂的实际情况和利用低质燃料提供了一种优良的选择方案，也为性能不理想的分解炉的改造提供了方向。     

DD分解炉内湍流流场的数值分析

以气体湍流流动微分方程组及k-ε双方程模型为基础,采用Simple算法对DD分解炉内的湍流流场数值模拟,分析了炉内气体运动及湍流脉动规律和特点,并与冷模实验结果进行比较,验证数学模型的可行性,揭示了DD分解炉内部湍流流场的湍流特征.     

分解炉中气体成分分布的数值模拟

对水泥生产中广泛使用双喷腾分解炉系统进行了3D数值模拟研究,深入研究和分析了分解炉中气体成分来源对煤粉燃尽率和碳酸钙分解率之间的影响关系.在前人研究的基础上运用适用于工业研究的碳酸钙分解模型,数值模拟求解了煤粉总体燃尽率和碳酸钙总体分解率.提出了一种预测分解炉内不同来源气体成分分布的方法,为工业研究分解炉中煤粉燃烧和碳酸钙分解问题提供了理论依据.