煤粉锅炉炉膛燃烧一维数学模型的研究

为了有效地进行直流煤粉多相流动与燃烧数值模拟,实现煤粉低NOx燃烧,本文在连续介质模型的框架中建立了综合考虑气—固两相流流动、燃烧与传热的直流煤粉燃烧一维数学模型。应用这一模型对一维煤粉炉炉膛内煤粉燃烧和气体燃烧的数值计算表明,该模型可快速有效地用于模拟直流煤粉多相流动与燃烧过程,给出炉内温度、NOx分布等主要参数。     

基于二维数值模拟的轴流压气机旋转失速研究

通过求解二维可压缩N-S方程,对多级低速轴流压气机的一级进行数值模拟。用定常计算得到了该级在不同转速下的稳态特性曲线,进而得到其喘振线。在该级出口加上节流阀进行瞬态计算,模拟压气机进入旋转失速的过程,重点是失速先兆的发展和内部流场的分析。     

Study on Rotating Stall in Axial Compressor Based on Two-dimensional Numerical Simulation

通过求解二维可压缩N-S方程,对多级低速轴流压气机的一级进行数值模拟.用定常计算得到了该级在不同转速下的稳态特性曲线,进而得到其喘振线.在该级出口加上节流阀进行瞬态计算,模拟压气机进入旋转失速的过程,重点是失速先兆的发展和内部流场的分析.     

德士古渣油气化炉的数值模拟

渣油在德士古气化炉中发生非常复杂的不完全燃烧反应,它生成了工业生产合成氨所需的原料气。文中建立了这一过程的数值模拟模型,采用κ-εRNG模型来模拟湍流流动,简化的PDF模型来模拟湍流燃烧过程,辐射传热采用离散坐标模型,得到符合生产实验的燃料模型。     

煤燃烧过程分析与建模及其应用于Texaco气化炉模拟研究

以煤燃烧过程分析研究为基础,将煤燃烧过程分解为煤干燥过程、煤热解过程、燃烧过程和气渣分离过程,详细分析各过程的机理并建立相应数学模型,重点开展对常规分离器模型的优化。将该煤燃烧过程模型应用于Texaco气化炉,通过对该过程进行编程求解,计算所得的模拟值与文献值吻合较好,证明所建立的煤燃烧过程模型准确合理,为煤燃烧过程的工艺流程的数值模拟研究奠定了基础,可用于气体组成、除尘、脱硫等不同工艺过程的数值模拟研究。在此模型的基础上,进一步分析了在一定物流参数下不同温度对Texaco气化炉煤燃烧生成合成气组成的影响。     

循环流化床锅炉数值模拟研究进展

对国内外研究者在CFB锅炉气固流动特性、炉内燃烧及污染物排放特性等不同实际问题开展的数值模拟研究进行了总结,主要对气固两相流、传热、煤颗粒燃烧和S、N污染物生成与控制几个部分的数值模型进行归纳整理,并将各部分模型与煤粉锅炉数值模型进行了比较.此外,从锅炉冷态数值模拟时的气固流动特性和热态数值模拟时的燃烧和污染物排放特性...     

煤粉无焰富氧燃烧的数值模拟方法进展

无焰富氧燃烧是煤粉清洁燃烧技术的前沿发展方向之一,可在捕集高浓度CO₂的同时显著降低NOx排放,并提升富氧燃烧稳定性和热力性能。计算流体力学(CFD)作为燃烧研究的重要手段之一,具有快捷、成本低和数据丰富等优点,有效促进了无焰富氧燃烧技术发展。基于笔者团队对煤粉富氧燃烧和无焰燃烧的多年研究积累,对近十几年来煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法和模拟研究进展进行了总结:首先强调了煤粉无焰燃烧的试验和数学定义,其由于存在非均相反应而区别于气体燃料无焰燃烧;然后详述了煤粉无焰富氧燃烧CFD模拟方法进展,包括模拟流动、传热、燃烧和污染物生成方面的子模型和机理,其中考虑强烈烟气卷吸的可实现k-ε湍流模型、P1或DO辐射模型及针对富氧气氛修正的WSGG气体辐射模型、CPD挥发分析出模型、考虑湍流与化学反应交互的有限速率EDC均相燃烧模型、针对无焰及富氧燃烧开发验证的均相反应机理、考虑气化反应的多步表面焦炭非均相燃尽模型、含氮化学详细反应机理氮转化模拟、动态自适应反应机理加速算法等可显著提高煤粉无焰富氧燃烧的模拟精度和计算效率。总结了煤粉无焰富氧燃烧在基准对照试验、微观反应区域分析、宏观反应特征、污染物生成及大型化锅炉概念设计方面的模拟研究情况;最后以大涡模拟、燃烧模型、高精度反应机理及动态自适应反应机理、工业应用优化等角度展望了煤粉无焰富氧燃烧CFD研究的发展方向。     

基于FLUENT平台的玻璃窑炉燃烧空间的数值模拟

玻璃熔窑主要由上部的火焰空间和下部的池窑空间两部分组成。选用国内年产3万t玻璃纤维窑炉燃烧空间为物理模型,根据相应尺寸建立几何模型,并据此建立单元玻璃窑炉的燃烧空间三维数学模型,进而在FLUENT平台上进行数值模拟研究。通过模拟得出了火焰空间的温度场、速度场分布压力分布及气体流动状况。从模拟结果可以看出,该数值模拟能够比较客观地反映单元玻璃窑炉内燃烧及气体流动的分布规律,对窑炉生产过程的指导和优化设计有一定的实用价值。     

基于Riemann问题的可压缩多介质流体数值模拟及在二维爆炸冲击波传播问题中的应用

为有效提高可压缩多介质流体数值模拟的精度和稳定性,需要准确描述界面的位置以及界面两侧介质间的相互作用。针对JWL、多项式等具有高度非线性状态方程的多种流体间的相互作用问题,提出了一种通用、高效、误差可控的Riemann问题求解方法,能有效提高物质界面上各物理量的计算精度。结合Euler坐标系下的可压缩多介质流体数值方法,建立了一套能够模拟具有高密度比、高压力比以及复杂状态方程的二维多介质流体计算体系;结合网格自适应技术,对TNT空中爆炸自由场、TNT爆炸近区冲击波反射和水下爆炸等问题进行了数值模拟,并与实测结果进行了对比。结果表明,数值计算的爆炸冲击波参数与相关实测结果一致,表明该方法可用于复杂环境下爆炸冲击波传播规律的研究。     

USC型乙烯裂解炉炉膛燃烧过程数值模拟

以广州石化的USC型乙烯裂解炉辐射段为几何模型,采用计算流体力学的方法对计算域进行几何建模和网格划分,用标准的k-ε湍流模型、非绝热的简化PDF燃烧模型和离散坐标辐射传热模型对炉膛内的燃烧和辐射状况进行三维全尺寸数值计算,以研究炉膛内的燃烧、传热和烟气流动情况.计算得到的流场合理,温度、浓度分布与实际吻合良好,说明对裂解炉辐射段的数值模拟计算是成功的.该模拟计算验证了所建立的乙烯裂解炉炉膛燃烧反应数学模型的可靠性和合理性,并为优化设计裂解炉结构提供理论参考.     

强旋湍流气-固两相流动和煤粉燃烧数学模型及其在涡旋燃烧炉的应用(Ⅰ)——模型

结合新型燃煤涡旋燃烧炉的研制和冷、热态实验,建立并发展了二维强旋湍流气固两相流动和煤粉燃烧的数学模型,以此作为对涡旋燃烧炉内多相流动。传热和燃烧过程进行数值模拟和分析的基础。     

CFD study of non-premixed swirling burners: Effect of turbulence models

This research investigates a numerical simulation of swirling turbulent non-premixed combustion. The effects on the combustion characteristics are examined with three turbulence models: namely as the Reynolds stress model, spectral turbulence analysis and Re-Normalization Group. In addition, the P-1 and discrete ordinate (DO) models are used to simulate the radiative heat transfer in this model. The governing equations associated with the required boundary conditions are solved using the numerical model. The accuracy of this model is validated with the published experimental data and the comparison elucidates that there is a reasonable agreement between the obtained values from this model and the corresponding experimental quantities. Among different models proposed in this research, the Reynolds stress model with the Probability Density Function (PDF) approach is more accurate (nearly up to 50%) than other turbulent models for a swirling flow field. Regarding the effect of radiative heat transfer model, it is observed that the discrete ordinate model is more precise than the P-1 model in anticipating the experimental behavior. This model is able to simulate the subcritical nature of the isothermal flow as well as the size and shape of the internal recirculation induced by the swirl due to combustion.     

Numerical investigation of turbulent non-premixed combustion of a wood pyrolysis gas

A fully compressible database of turbulent non-premixed flames of a wood pyrolysis gas is developed by means of direct numerical simulation (DNS). A reduced kinetic mechanism is used to model the combustion of a pyrolysis gas-air mixture. The instantaneous flame surface density evolution equation based on the concept of a displacement speed is examined. The normal component of the displacement speed is nearly constant with respect to curvature, while the curvature-related component tries to restore the flame front to a planar shape. The strain-rate term is mainly a source as the flame is mostly extended. The normal displacement is responsible for both positive and negative contributions to the flame area. The displacement/curvature term is primarily a sink, since it is dominated by its curvature component. Effects of strain and curvature are analyzed by considering their correlations with reaction rates. Reaction rates are enhanced with increased positive strain rates owing to an increase in the flame surface area and to a decrease in curvature. The analyzed results aid in the development of turbulent combustion models. Finally, a new model for a mean variance of the scalar dissipation rate, based on a scale similarity approach, is proposed and examined. A comparison with DNS results shows that the proposed model provides a significant improvement over existing models. __________ Translated from Fizika Goreniya i Vzryva, Vol. 43, No. 3, pp. 15–34, May–June, 2007.     

乙烯裂解炉耦合模拟中湍流模型的影响分析

配备底部烧嘴和侧壁烧嘴的乙烯裂解炉应用越来越广泛，不同燃烧模式影响着炉膛内湍流流动状态，考虑到裂解炉中湍流流动与燃气喷料、燃烧和传热有较强的非线性耦合作用，为此探究不同湍流模型在裂解炉/反应器耦合模拟中的影响对于裂解炉的精确设计和优化至关重要。针对不同湍流模型对某十万吨工业乙烯裂解炉进行了耦合模拟，利用CFD数值模拟对采用标准k-ε模型、RNG k-ε和Realizable k-ε模型所建立的湍流流动模型进行评估。将三种湍流模型的模拟结果与工业数据进行比较，重点分析了裂解炉内的速度、温度、湍流能力等参数的分布情况，表明Realizable k-ε模型在火焰稳定性、反应效率等方面优于其他两种模型，且基于Realizable k-ε湍流方程的反应管模型在热通量、炉管外壁温度分布计算结果更接近实际工况。     

回转窑二次风富氧燃烧的数值模拟

针对一实际尺寸的回转窑建立模型,分别进行了空气助燃(21% O₂)和二次风富氧(23% O₂)燃烧的数值模拟研究。结果表明,二次风富氧后,高温区覆盖形状没有明显变化,仍呈“棒槌状”;在回转窑前端,煤粉挥发分与焦炭燃烧速度加快,整体温度有所提升,最高温度由2386 K增至2427 K,壁面所接收的辐射量得到了提升;但NO_x的生成量也大幅度提高,其中出口处NO_x由247 mg/m³增至367 mg/m³。考虑到制氧成本问题及NO_x排放问题,在二次风中进行富氧燃烧的总体效果不够理想。     

富氧燃烧中气体辐射模型对燃烧与换热数值模拟的影响

富氧燃烧过程中,由于使用再循环烟气代替空气中N₂作为稀释剂,烟气中存在大量CO₂和H₂O。CO₂和H₂O作为非极性三原子分子,具有N₂没有的辐射能力,导致富氧燃烧中气体辐射特性发生变化。在数值模拟过程中,气体辐射模型是一个重要的子模型。前人提出多种修改后适用于富氧燃烧的气体辐射模型,但不同气体辐射模型在不同富氧燃烧工况数值模拟中的影响尚未有统一研究。为了研究不同炉型下,气体燃烧和煤粉燃烧中气体辐射模型对燃烧换热模拟结果的影响,通过编程,将一种考虑CO影响的气体辐射模型以及文献中的6种典型气体辐射模型耦合入数值模拟计算。结果表明,在气体富氧燃烧中,气体辐射模型影响了火焰结构。同时,燃烧温度分布有所变化,不同模型结果之间差别最高可到500 K。气体与壁面之间的辐射换热受到影响。气体辐射模型对炉膛中心火焰区域影响较大,而对非火焰区域影响较小。在煤粉富氧燃烧过程中,当有效辐射层厚度在0.3 m左右时,如在100 kW下行炉中,气体辐射模型对煤粉燃烧数值模拟结果几乎没有影响。这可能是由于颗粒辐射在辐射换热计算中占主导地位。而当有效辐射层厚度在16 m左右时,如1000 MW塔式炉中,气体辐射模型对炉内切圆燃烧火焰温度以及组分浓度影响较大,温度差别可到100 K左右。而气体辐射模型对炉膛中心模拟结果没有影响。     

不可压缩湍流反应流动的直接模拟和RANS-SOM燃烧模型的检验

The second-order moment combustion model, proposed by the authors is validated using the direct numerical simulation （DNS） of incompressible turbulent reacting channel flows. The instantaneous DNS results show the near-wall strip structures of concentration and temperature fluctuations. The DNS statistical results give the budget of the terms in the correlation equations, showing that the production and dissipation terms are most important. The DNS statistical data are used to validate the closure model in RANS second-order moment （SOM） combustion model. It is found that the simulated diffusion and production terms are in agreement with the DNS data in most flow regions, except in the near-wall region, where the near-wall modification should be made, and the closure model for the dissipation term needs further improvement. The algebraic second-order moment （ASOM） combustion model is well validated by DNS.