fluent爐膛仿真教程文檔

1、爐膛仿真過程及其其中的問題一、Gambit幾何建模局部1.大體尺寸在本次設(shè)計(jì)中，實(shí)際標(biāo)高-5=圖中的標(biāo)高鍋爐的尺寸為：鍋爐高度為26890mm，寬度為7570mm，深度為7570mm。燃燒器的高度為2.105m，最底層的燃燒器低端距冷灰斗距離為2.1775m。采用四角切圓順時針切圓，假想切圓直徑0.8m的均等配風(fēng)燃燒方式。其中一次風(fēng)2層，二次風(fēng)3層。由低到高燃燒器風(fēng)口布置依次為二、一、二、一、二。燃燒器寬度為0.4m，一次風(fēng)口高度0.2405m，二次風(fēng)口高度0.352/0.315m，風(fēng)口間距為0.21/0.12/0.155m。2.簡化處理將水冷壁簡化成一個恒溫平面；將燃燒器簡化成一個平面，各次

2、風(fēng)口為平面中的一個矩形區(qū)域，作為速度入口；忽略屏式過熱器，將折焰角上方與水平煙道相連結(jié)的平面作為出口outflow。3.幾何建模過程及網(wǎng)格劃分為了方便鍋爐的網(wǎng)格劃分，我們將整個計(jì)算域劃分為5個區(qū)域：冷灰斗下端至燃燒區(qū)域下端、燃燒區(qū)域、燃燒區(qū)上端至折焰角下端、折焰角區(qū)域、折焰角上端至爐膛出口。3.1點(diǎn)線面的生成幾何建模的方法通常可以是自下而上的，即先生成體的各個點(diǎn)通過坐標(biāo)確定位置；將生成的點(diǎn)依次連接成線；將線圍成體的各個面；最后將面組合成一個實(shí)體。當(dāng)然建模時也可以通過設(shè)置實(shí)體面的長寬高長寬直接生成。3.2實(shí)體分割塊的劃分方法如下：先產(chǎn)生一個面，并將該面平移至該實(shí)體要切割的位置，split vol

3、ume選卡中，split with選擇facereal，然后選中要切割的實(shí)體對應(yīng)split volume中的volume以及用來切割這個體的面對應(yīng)face欄注意：在切割時需要選中Connected，保證切割產(chǎn)生的兩個體之間的面是公共面，而不是兩個重合的面。因?yàn)楣裁婵梢酝ㄟ^物質(zhì)和能量，而重合的面不加定義時是wall，最后點(diǎn)擊APPLY確定。 根據(jù)這種方法，我們可以在Z方向?qū)⑷紵齾^(qū)分為很多層，方便以后設(shè)置一、二次風(fēng)入口的邊界條件。同時，在xy平面內(nèi)燃燒區(qū)被分為8份，如下圖：3.3網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分的最后記結(jié)果如下圖：這種網(wǎng)格的特點(diǎn)是：四個角的地方網(wǎng)格比擬密，而中間網(wǎng)格比擬稀疏。同時網(wǎng)格線的方向與流

4、動合速度方向重合度比擬高。這樣的網(wǎng)格劃分可以很好的抑制偽擴(kuò)散的發(fā)生。這種網(wǎng)格的劃分步驟如下：在將區(qū)域分塊的根底上對實(shí)體按照線、面、體的順序進(jìn)行依次劃分。Edge的劃分：為了形成這種對稱的網(wǎng)格，我們需要對edge進(jìn)行劃分，如下圖：其中，soft link采用maintain形式，Spacing選用Interval count劃分?jǐn)?shù)目。在本設(shè)計(jì)中，將每條線均分為30份，即ratio為1，interval count為30，其他保持不變。 Face的劃分：由于前面對每條邊進(jìn)行了劃分，所以對面的網(wǎng)格劃分就只需要設(shè)置網(wǎng)格的形式和類型如下圖：其中，Elements采用Quad形式，Type采用Map形式映

5、射成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。此時不需要對Spacing進(jìn)行設(shè)置了。Volume的劃分：對volume的劃分，我們采用Cooper制桶方式。采用這種劃分方式時，有一點(diǎn)需要注意，就是上下兩個Face的網(wǎng)格劃分要完全一樣，也就是說組成Face的Edge的劃分也要一樣。如下圖：其中，Element采用Hex/Wedge形式。Sources表示需要選擇制“桶的上下兩個面。Interval count表示兩個面之間劃分的數(shù)目。本設(shè)計(jì)中，根據(jù)風(fēng)口和墻面的高度進(jìn)行劃分，每個網(wǎng)格高度在0.1m左右。最后依照上面的方法和步驟對燃燒區(qū)的每一層進(jìn)行這樣的網(wǎng)格劃分。對于除了燃燒器區(qū)的其他區(qū)域的網(wǎng)格劃分，要求就比擬低一些了。對我們依

6、舊采用COOPER的方式對體進(jìn)行劃分。不過其他地方的Sources是沿y軸方向的兩個面燃燒器區(qū)域的sources是沿z方向的。最后的網(wǎng)格為：冷灰斗30*30*30；燃燒器30*30*8*3+2+3+1+3+1+3+2+3；燃燒器上端至折焰角：50*50*66；折焰角：50*50*16；折焰角上方：40*50*40。最后網(wǎng)格數(shù)目大概在480000個，其中燃燒器區(qū)域網(wǎng)格為151200個。3.4交接面處的處理在劃分計(jì)算域的時候會涉及到interface的設(shè)置。在燃燒區(qū)的上下兩個端面，我們需要分別將這個面與其相重合的那個面設(shè)置成一對interface。因?yàn)槿紵鲄^(qū)與相鄰的兩個實(shí)體并不是通過分割而來，是

7、3個獨(dú)立的實(shí)體，為了能讓物質(zhì)和能量通過該重合的面，需要通過設(shè)置interface來實(shí)現(xiàn)，如下圖：由于燃燒器區(qū)域上端的xy平面被劃分為了8塊，所以需要將這8個面一起設(shè)置為interface11，然后將與燃燒器區(qū)上端重合的面設(shè)置為interface12。對于interface21和22的設(shè)置和上述一樣。4.邊界條件設(shè)置在gambit中需要預(yù)先設(shè)置邊界條件。將折焰角上方與水平煙道相連接的那個面設(shè)置為outflow邊界條件。Interface的設(shè)置上面已經(jīng)說過了，下面我們進(jìn)行一、二次風(fēng)入口的設(shè)置。根據(jù)燃燒器的結(jié)構(gòu)確定各次風(fēng)口在模型中的位置，然后將邊界條件的Type設(shè)置成velocity_inlet速度

8、入口。名字格式為ofa/pa/sa+兩位數(shù)字，數(shù)字前一位表示在xy平面所處的象限，后一位表示自高向低同類型風(fēng)口的層數(shù)。如下圖：二、Fluent仿真過程0.網(wǎng)格導(dǎo)入、Interface設(shè)置以及網(wǎng)格檢查在完成Gambit中的工作后，需要將生成的.msh文件導(dǎo)入到Fluent中。0.1網(wǎng)格導(dǎo)入、檢查以及解法器設(shè)置在General中點(diǎn)擊Check完成網(wǎng)格檢查網(wǎng)格檢查中不能出現(xiàn)網(wǎng)格體積為負(fù)數(shù)的情況，否那么會出錯，需要重新進(jìn)行稽核建模。點(diǎn)擊Report Quality進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。在解法器中選擇Pressure-Based、Absolute、Steady的情況。勾選Gravity，建立重力場z=-9.

9、81m/s2，設(shè)置如下圖：0.2Interface設(shè)置點(diǎn)擊Mesh Interfaces中的Create。在Interface Zone 1中選擇interface11，在Interface Zone2中點(diǎn)選interface12，Mesh Interface名稱為interface1，點(diǎn)擊Create設(shè)置完成。按照同樣的方法設(shè)置interface2，如下圖：1.燃料及邊界條件參數(shù)確定1.1燃料特性及風(fēng)煤計(jì)算1.1.1燃料計(jì)算工況符號單位3#T-017#T-018#T-01適用標(biāo)準(zhǔn)全水分Mt%9.18.78.2GB/T211-2007空氣枯燥基水分Mad%2.531.822.17GB/T212

10、-2021收到基灰分Aar%27.8733.2236.39枯燥無灰基揮發(fā)分Vdaf%41.0144.0039.92收到基碳Car%51.3647.5045.49DL/T568-1995收到基氫Har%3.493.433.09收到基氮Nar%0.820.760.72收到基氧Oar%6.676.175.86全硫St,ar%0.690.220.25GB/T214-2007收到基高位發(fā)熱量Qgr,v,arMJ/kg20.4819.1818.19GB/T 213-2021收到基低位發(fā)熱量Qnet,v,arMJ/kg19.5518.2717.36根據(jù)表格，我們將元素分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成枯燥無灰基的揮發(fā)分的元素組

11、成。由于枯燥無灰基無水、無灰，故剩下的成分不受水分和灰分的影響，是表示碳、氫、氧、氮、硫成分百分函數(shù)最穩(wěn)定額基準(zhǔn)，所以通常選擇轉(zhuǎn)換為枯燥無灰基來計(jì)算。各種煤不同分析基之間的換算公式為X=X0×K其中，X0，X分別為某成分原基準(zhǔn)與新基準(zhǔn)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；K為換算系數(shù)。收到基與枯燥無灰基之間的換算系數(shù)為K=100100-Mar-Aar利用上述公式將煤的收到基轉(zhuǎn)換為枯燥無灰基的元素組成，如下表所示，這些數(shù)據(jù)也是Fluent中計(jì)算PDF元素分?jǐn)?shù)所需要的。PDF中元素分析元素分?jǐn)?shù)元素CHON元素組成0.8209710.0557660.1057570.017506PDF中工業(yè)分析分析組分組分VF

12、CAM組分分?jǐn)?shù)0.22120.33290.36390.0821.1.2風(fēng)煤計(jì)算鍋爐實(shí)際燃煤量t/h26.015設(shè)計(jì)值一次風(fēng)流速m/s24.3設(shè)計(jì)值一次風(fēng)份額%28.28設(shè)計(jì)值一次風(fēng)溫K303溫風(fēng)份額%64.09設(shè)計(jì)值二次風(fēng)溫K600一次風(fēng)口面積m24*0.1924二次風(fēng)口面積m24*0.4075注：由于不知道乏氣送粉的位置，將乏氣份額歸并到二次風(fēng)中，即二次風(fēng)份額為71.72%。根據(jù)克拉伯龍方程PV=nRT和表格數(shù)據(jù)可知：標(biāo)況下一次風(fēng)速V10=21.894ms；再根據(jù)一、二次風(fēng)的份額和面積可以得到：二次風(fēng)速V20=V10*二、一次風(fēng)份額之比*一、二次風(fēng)口面積之比=26.216ms；根據(jù)克拉伯龍方

13、程可知：實(shí)際二次風(fēng)速V2=57.62ms；根據(jù)煤量，可以知道每個一次風(fēng)口煤的質(zhì)量流量：Qcoal=26000÷3600÷4÷2=0.903kgs根據(jù)切圓直徑和爐膛尺寸可以知道風(fēng)煤的入口方向：夾角=40.55°；cos=0.76；sin=0.65.1.2邊界條件設(shè)置現(xiàn)以一次風(fēng)pa11為例，介紹對流場數(shù)據(jù)的設(shè)置。在Fluent中Boundary Conditions菜單下找到pa11工程，如下圖。然后這個風(fēng)口進(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)擊Edit進(jìn)入設(shè)置頁面，如下圖。在Velocity Specification Method選項(xiàng)中選擇Magnitude and Direc

14、tion速度大小和方向；在Velocity Magnitude中填入24.3m/s；在Coordinate System中選擇CartesianX,Y,Z笛卡爾直角坐標(biāo)系，然后在下面依次填入流體流動的方向X軸為-sin40.55°，Y軸為-cos40.55°。在第一象限的風(fēng)口方向?yàn)?sin40.55°，-cos40.55°；在第二象限的為cos40.55°，-sin40.55°；第三象限的為sin40.55°，cos40.55°；第四象限的為-cos40.55°，sin40.55°。在設(shè)置湍流參

15、數(shù)時，我們選用Intensity and Hydraulic Diameter湍流強(qiáng)度和水力直徑方式。湍流強(qiáng)度I我們設(shè)置成10%，為強(qiáng)湍流狀態(tài)，水力直徑D的設(shè)置根據(jù)公式D=4AL設(shè)置成0.3m二次風(fēng)口的水力直徑為0.374m/0.352m。在Species選卡中將Mean Mixture Fraction設(shè)置為0氧化劑入口，Mixture Fraction Variance設(shè)置為0，如下圖。在DPM選卡中將DP BC Type設(shè)置成reflect反射其他設(shè)置保持不變。依照上面的方法，可以完成對PA和SA流場參數(shù)設(shè)置。2.與流動和燃燒相關(guān)的模型設(shè)置在Fluent中我們翻開Models選項(xiàng)。在中意

16、菜單中，我們可以設(shè)置包括流動、傳熱、燃燒等方面的模型。2.1.氣相流動模型本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-e雙方程湍流流動模型，同時采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面的流動問題，其中的流動參數(shù)保持默認(rèn)參數(shù)。其設(shè)置如下：2.2氣相湍流燃燒模型模擬氣相湍流燃燒過程的關(guān)鍵在于如何模化湍流燃燒反響率。針對擴(kuò)撒火焰的模型有k-g模型，混合數(shù)-概率密度函數(shù)模型。為了減少計(jì)算量，采用但混合數(shù)PDF模型。對于煤粉燃燒，我們在Models->Species中選用Non-Premixed Combustion非預(yù)混燃燒模型，然后再彈出的菜單中進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，如下圖。在PDF Table Creation欄目中點(diǎn)擊Chemist

17、ry選卡。在State Relation中選擇Equilibrium化學(xué)平衡法，Energy Treatment中選擇Non-Adiabatic非絕熱形式，Stream Options選擇Empirical Fuel Stream經(jīng)驗(yàn)燃料流。點(diǎn)擊Coal Calculator會彈出對燃料特性進(jìn)行設(shè)置的對話框，根據(jù)燃料特性表的中數(shù)據(jù)，可以設(shè)置完燃料工業(yè)分析和元素分析的參數(shù)。其中物料的名稱為coal-particle，HCV為1.819e+07j/kg，其他的保持默認(rèn)數(shù)值，點(diǎn)擊Apply和OK確認(rèn)，我們可以看到Model Settings中的數(shù)據(jù)發(fā)生了相應(yīng)的變化。如下圖。點(diǎn)擊Boundary選卡將

18、燃料溫度設(shè)置為303K，氧化劑的溫度設(shè)置為600K。點(diǎn)擊Table選卡中的Calculate PDF Table進(jìn)行燃燒的計(jì)算。計(jì)算完成后，我們可以點(diǎn)擊Display PDF Table查看關(guān)于煤粉燃燒的數(shù)據(jù)，如下圖。計(jì)算結(jié)果顯示燃燒形成的成分有20種，點(diǎn)擊Control選卡可以查看成分名稱，如下圖。設(shè)置完成后點(diǎn)擊Apply和OK。同時我們可以看出Models中的Species變成了Non-Premixed Combustion模型。2.3煤粉燃燒模型煤粉燃燒可分為煤粉預(yù)熱、揮發(fā)分析出和燃燒過程、焦炭燃燒等過程。在本設(shè)計(jì)中，揮發(fā)分析出模型采用單速率析出模型，焦炭燃燒模型選用擴(kuò)散-動力控制模型。

19、在Fluent中首先需要對煤粉顆粒的噴射進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。在Models菜單中點(diǎn)擊Discrete Phase，彈出對話框，如下圖。在Interaction中勾選Interaction with Continuous Phase對連續(xù)相的影響，但是在仿真時候需要先建立無顆粒相的流場，即在仿真開始時不勾該選項(xiàng)。在Trackking選項(xiàng)中，Max. Number of Steps設(shè)置為3000，勾選Specify Length Scale，其中，Length Scale設(shè)置為0.01m；在Physical Models選項(xiàng)和Numerics選項(xiàng)中的參數(shù)和選項(xiàng)均為默認(rèn)設(shè)置。為了讓煤粉能夠噴射入爐膛，我

20、們需要進(jìn)行對顆粒相的設(shè)置，點(diǎn)擊Discrete Phase Model中的Injections彈出對話框，如下圖。點(diǎn)擊Create對煤粉顆粒進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。以某一次風(fēng)口進(jìn)入的煤粉為例，如下圖。在Injection Type中選擇surface，然后在Release From Surface中選擇相應(yīng)的煤粉噴射地點(diǎn)。在Particle Type中勾選Combusting燃燒。在設(shè)置Diameter Distribution時，可以選擇uniform均勻形式，當(dāng)然最好選擇rosin-rammler形式。在Point Properties中設(shè)置好速度方向與空氣速度矢量一致、顆粒直徑1e-06m、顆粒溫

21、度303K、質(zhì)量流量0.903kg/s等參數(shù)；在Turbulent Dispersion中的Stochastic Tracking選擇Discrete Random Walk Model隨機(jī)軌道模型，如下圖。依照上述方法對其他的煤粉噴射源進(jìn)行參數(shù)和模型的設(shè)置選擇。煤粉噴射設(shè)置完后可以發(fā)現(xiàn)Models->Materials選卡中多了Combusting Particlecoal-particle一項(xiàng)。接下來我們對這個成分進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如下圖。在彈出的對話框中的Properties中設(shè)置Devolatilization Model揮發(fā)分析出模型為single-rate單速率；同時設(shè)置Comb

22、ustion Model焦炭燃燒模型為kinetic/diffusion-limited擴(kuò)散-動力控制；對于該顆粒相的其他物性參數(shù)保持默認(rèn)參數(shù)。2.3輻射傳熱模型爐內(nèi)的能量主要通過輻射的形式進(jìn)行傳遞。Fluent軟件提供了多種輻射模型，在本設(shè)計(jì)中，我們選用P1模型，如下圖。在Model中點(diǎn)選P1即可。P1模型考慮了輻射散射作用，更適用于光學(xué)厚度較厚以及幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃燒設(shè)備。但是該模型也有缺點(diǎn)，包括對來自內(nèi)部熱源的輻射熱通量有過高估計(jì)的趨勢等。在選用P1模型后，Models中Energy選卡自動開啟。2.4邊界條件的設(shè)置在Boundary Conditions中設(shè)置Supersonic/Ini

23、tial Gauge Pressure為0pascal；一次風(fēng)入口溫度為303K；二次風(fēng)入口溫度為600K；DP BC Type為reflect。墻壁為固定無滑移壁面；熱力條件為很穩(wěn)壁面600K，內(nèi)部發(fā)射率為1，壁厚及生熱率均為0；壁面材料為Al鋁；DPM 邊界條件數(shù)類型BC Type為reflect。其他保持默認(rèn)設(shè)置。出口邊界條件設(shè)置為outflow，保持默認(rèn)設(shè)置。3求解過程Solution3.1Solution Methods點(diǎn)選Solution->Solution Methods。壓力-速度耦合采用SIMPLE格式；空間離散方法中，梯度采用格林-高斯單元法Green-Gauss C

24、ell Based；壓力采用Standard方法；其他均采用二階迎風(fēng)格式Second Order Upwind。3.2Solution Initialization初始化方法采用Standard Initialization方法；初始溫度為600K；其他保持默認(rèn)參數(shù)和設(shè)置，點(diǎn)擊Initialize完成初始化，如下圖：3.3求解在求解時，需要先建立連續(xù)相的流場，然后再參加顆粒相耦合修正流場，即在開始時Models->Discrete Phase中不勾選Interaction with Continuous Phase，迭代100步先建立連續(xù)相流場；迭代完成后，勾選Interaction w

25、ith Continuous Phase，其他保持默認(rèn)設(shè)置，然后進(jìn)行迭代，如下圖：三、仿真結(jié)果中出現(xiàn)的問題在迭代步數(shù)為2670步根底上的仿真結(jié)果1.爐膛內(nèi)切圓直徑與假想切圓直徑相差不大，說明有可能迭代步數(shù)不夠，如下圖：2.在燃燒器上端至出口的區(qū)域內(nèi)，溫度變化不大，所散點(diǎn)圖所示：3.現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)顯示乙側(cè)溫度都高于甲側(cè)溫度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)說明是順時針切圓；但在仿真中采用順時針切圓，結(jié)果卻是乙側(cè)溫度低于甲側(cè)溫度，標(biāo)高24.2m處溫度情況如下圖：標(biāo)高27.5m處溫度情況如下圖：4.各標(biāo)高所在平面溫度等值圖4.1下二次風(fēng)4.2下一次風(fēng)4.3中二次風(fēng)4.4上一次風(fēng)4.5上二次風(fēng)4.6標(biāo)高24.2處溫度X=-1.

26、685處Y坐標(biāo)m 溫度K-3.785600-3.63361449.03-3.48221511.38-3.33081522.37-3.17941530.99-3.0281538.02-2.87661543.94-2.72521549-2.57381553.35-2.42241557.08-2.2711560.24-2.11961562.91-1.96821565.17-1.81681567.08-1.66541568.69-1.5141570.07-1.36261571.25-1.21121572.24-1.05981573.07-0.90841573.77-0.7571574.35-0.605

27、61574.83-0.45421575.22-0.30281575.52-0.15141575.75-7.35393e-181575.910.151415760.30281576.020.45421575.960.60561575.780.7571575.470.90841575.041.05981574.441.21121573.631.36261572.611.5141571.331.66541569.761.81681567.851.96821565.542.11961562.782.2711559.532.42241555.752.57381551.372.72521546.332.87661540.573.0281533.933.17941526.223.33081517.183.48221506.053.63361449.113.7856004.6標(biāo)高27.5處溫度X=-1.467m處Y坐標(biāo)m 溫度K-3.785600-3.63361436-3.48221491.8