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）幾何建模部分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(shí)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(gè)恒溫平面；將燃燒器簡化成一

2、個(gè)平面，各次風(fēng)口為平面中的一個(gè)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(gè)計(jì)算域劃分為5個(gè)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?？梢允亲韵露系?，即先生成體的各個(gè)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(gè)面；最后將面組合成一個(gè)實(shí)體。當(dāng)然建模時(shí)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(gè)面，并將該面平移至該實(shí)體要切

3、割的位置，split volume選卡中，split with選擇face（real），然后選中要切割的實(shí)體（對(duì)應(yīng)split volume中的volume）以及用來切割這個(gè)體的面（對(duì)應(yīng)face欄）（注意：在切割時(shí)需要選中Connected，保證切割產(chǎn)生的兩個(gè)體之間的面是公共面，而不是兩個(gè)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(shí)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(shí)，在xy平面內(nèi)燃燒區(qū)被分為8份，如圖所示：3.3網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分的最后記結(jié)果如圖所示：這種網(wǎng)格的特點(diǎn)是：四個(gè)角的地方網(wǎng)格

4、比較密，而中間網(wǎng)格比較稀疏。同時(shí)網(wǎng)格線的方向與流動(dòng)合速度方向重合度比較高。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)域分塊的基礎(chǔ)上對(duì)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(duì)稱的網(wǎng)格，我們需要對(duì)edge進(jìn)行劃分，如圖所示：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(duì)每條邊進(jìn)行了劃分，所以對(duì)面的網(wǎng)格劃分就只需要設(shè)置網(wǎng)格的形式和類型如圖所示：其中，E

5、lements采用Quad形式，Type采用Map形式（映射成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）。此時(shí)不需要對(duì)Spacing進(jìn)行設(shè)置了。Volume的劃分：對(duì)volume的劃分，我們采用Cooper（制桶）方式。采用這種劃分方式時(shí)，有一點(diǎn)需要注意，就是上下兩個(gè)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。如圖所示：其中，Element采用Hex/Wedge形式。Sources表示需要選擇制“桶”的上下兩個(gè)面。Interval count表示兩個(gè)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(gè)網(wǎng)格高度在0.1m左右。最后依照上面的方法和步驟對(duì)燃燒區(qū)的每一層進(jìn)行這樣的網(wǎng)格劃分

6、。對(duì)于除了燃燒器區(qū)的其他區(qū)域的網(wǎng)格劃分，要求就比較低一些了。對(duì)我們依舊采用COOPER的方式對(duì)體進(jìn)行劃分。不過其他地方的Sources是沿y軸方向的兩個(gè)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(gè)，其中燃燒器區(qū)域網(wǎng)格為151200個(gè)。3.4交接面處的處理在劃分計(jì)算域的時(shí)候會(huì)涉及到interface的設(shè)置。在燃燒區(qū)的上下兩個(gè)端面，我們需要分別將這個(gè)面與其相重合的那個(gè)面設(shè)置

7、成一對(duì)interface。因?yàn)槿紵鲄^(qū)與相鄰的兩個(gè)實(shí)體并不是通過分割而來，是3個(gè)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)，如圖所示：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(gè)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(duì)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(gè)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

8、在模型中的位置，然后將邊界條件的Type設(shè)置成velocity_inlet（速度入口）。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)。如圖所示：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，否則會(huì)出錯(cuò)，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-Ba

9、sed、Absolute、Steady的情況。勾選Gravity，建立重力場(chǎng)（z=-9.81m/s2），設(shè)置如圖所示：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，如圖所示：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(hào)單位3#T-017#T-018#T-01適用標(biāo)準(zhǔn)全水分Mt%9.18

10、.78.2GB/T211-2007空氣干燥基水分Mad%2.531.822.17GB/T212-2008收到基灰分Aar%27.8733.2236.39干燥無灰基揮發(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 213-2008收到基低位發(fā)熱量Qnet,v,arMJ/

11、kg19.5518.2717.36根據(jù)表格，我們將元素分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成干燥無灰基的揮發(fā)分的元素組成。由于干燥無灰基無水、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)換為干燥無灰基來計(jì)算。各種煤不同分析基之間的換算公式為X=X0K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)。收到基與干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)換為干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0.82097

12、10.0557660.1057570.017506PDF中工業(yè)分析分析組分組分VFCAM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=

13、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(gè)一次風(fēng)口煤的質(zhì)量流量：Qcoal=26000360042=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(duì)流場(chǎng)數(shù)據(jù)的設(shè)置。在Fluent中Boundary Conditions菜單下找到pa11項(xiàng)目，如圖所示。然后這個(gè)風(fēng)口進(jìn)行設(shè)置。點(diǎn)擊Edit進(jìn)入設(shè)置頁面，如圖所示。在Velocity Specification Method選項(xiàng)中選擇

14、Magnitude and Direction（速度大小和方向）；在Velocity Magnitude中填入24.3m/s；在Coordinate System中選擇Cartesian（X,Y,Z）笛卡爾直角坐標(biāo)系，然后在下面依次填入流體流動(dòng)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)椋?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)置湍流參數(shù)時(shí)，我們選用Intensity and Hydrau

15、lic Diameter（湍流強(qiáng)度和水力直徑）方式。湍流強(qiáng)度I我們?cè)O(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，如圖所示。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(duì)PA和SA流場(chǎng)參數(shù)設(shè)置。2.與流動(dòng)和燃燒相關(guān)的模型設(shè)置在Fluent中我們打開Models選項(xiàng)。在中意菜單中，我們可以設(shè)置包括流動(dòng)、傳熱、

16、燃燒等方面的模型。2.1.氣相流動(dòng)模型本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-e雙方程湍流流動(dòng)模型，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面的流動(dòng)問題，其中的流動(dòng)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?；牧魅紵磻?yīng)率。針對(duì)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(duì)于煤粉燃燒，我們?cè)贛odels-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，如圖所示。在PDF Table Creation欄目中點(diǎn)擊Chemistry選卡。在State Relatio

17、n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(huì)彈出對(duì)燃料特性進(jìn)行設(shè)置的對(duì)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。如圖所示。點(diǎn)擊Boundary選卡將燃料溫度設(shè)置為303K，

18、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)，如圖所示。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，如圖所示。設(shè)置完成后點(diǎn)擊Apply和OK。同時(shí)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(dòng)力控制模型。在Fluent中首先

19、需要對(duì)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(duì)話框，如圖所示。在Interaction中勾選Interaction with Continuous Phase（對(duì)連續(xù)相的影響，但是在仿真時(shí)候需要先建立無顆粒相的流場(chǎng)，即在仿真開始時(shí)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，我們需要進(jìn)行對(duì)顆

20、粒相的設(shè)置，點(diǎn)擊Discrete Phase Model中的Injections彈出對(duì)話框，如圖所示。點(diǎn)擊Create對(duì)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，如圖所示。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(shí)，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）、

21、顆粒溫度（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），如圖所示。依照上述方法對(duì)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 Particle（coal-particle）一項(xiàng)。接下來我們對(duì)這個(gè)成分進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，如圖所示。在彈出的對(duì)話框中的Properties中設(shè)置Devolatilization Model（揮發(fā)分析出模型）為single-rate（

22、單速率）；同時(shí)設(shè)置Combustion Model（焦炭燃燒模型）為kinetic/diffusion-limited（擴(kuò)散-動(dòng)力控制）；對(duì)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，如圖所示。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(duì)來自內(nèi)部熱源的輻射熱通量有過高估計(jì)的趨勢(shì)等。在選用P1模型后，Models中Energy選卡自動(dòng)開啟。2.4邊界條件的設(shè)置在Boundary Condition

23、s中設(shè)置Supersonic/Initial 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（Solution）3.1Solution 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-

24、高斯單元法（Green-Gauss Cell 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，如圖所示：3.3求解在求解時(shí)，需要先建立連續(xù)相的流場(chǎng)，然后再加入顆粒相耦合修正流場(chǎng)，即在開始時(shí)Models-Discrete Phase中不勾選Interaction with Continuous Phase，迭代100步先建立連續(xù)相流場(chǎng)；迭代

25、完成后，勾選Interaction with Continuous Phase，其他保持默認(rèn)設(shè)置，然后進(jìn)行迭代，如圖所示：三、仿真結(jié)果中出現(xiàn)的問題在迭代步數(shù)為2670步基礎(chǔ)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，如圖所示：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(chǎng)測(cè)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)表明是順時(shí)針切圓；但在仿真中采用順時(shí)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處溫度情況如圖所示：標(biāo)高27.5m處溫度情況如圖所示：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

26、.5上二次風(fēng)4.6標(biāo)高24.2處溫度X=-1.685處Y坐標(biāo)（m） 溫度（K）-3.785600-3.63361449.03-3.48221511.38-3.33081522.37-3.17941530.99-3.0281538.02-2.87661543.94-2.72521549-2.57381553.35-2.42241557.08-2.2711560.24-2.11961562.91-1.96821565.17-1.81681567.08-1.66541568.69-1.5141570.07-1.36261571.25-1.21121572.24-1.05981573.07-0.908

27、41573.77-0.7571574.35-0.60561574.83-0.45421575.22-0.30281575.52-0.15141575.75-7.35393e-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）-3.785600-3.63361436-3.4822149