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    氣流床氣化爐數(shù)值模擬中化學反應模型的對比

    2015-12-22 02:44:52楊晉芳于清航
    化工管理 2015年17期
    關鍵詞:高溫區(qū)概念模型層流

    楊晉芳 于清航

    (煤炭科學研究技術研究院有限公司節(jié)能工程技術研究分院,北京 100013)

    1 化學反應模型的介紹

    Fluent中的反應模型主要分為三種,一種為快速反應模型,包括渦耗散模型、預混燃燒模型、非預混燃燒平衡模型、部分預混模型;另外一種為有限速率模型,包括層流有限速度模型、渦耗散概念模型、概率密度輸運燃燒模型和層流小火焰模型(穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài))。最后為其它一些模型,包括離散相模型、污染物形成模型和表面反應。如果流動為層流,則可直接選擇層流有限速率模型,如果流動為湍流,則需進一步考察[1]。

    氣化爐內(nèi)流動屬于湍流,對于燃料和氧化劑通過多股射流,以非預混的形式送入爐內(nèi),可以考慮選擇有限速率/渦耗散模型、非預混模型、渦耗散概念模型和PDF組分輸運模型。文中將有限速率/渦耗散模型與渦耗散概念模型進行對比。

    2 模擬對象

    本文數(shù)值模擬的對象為氣化爐三維空間,模型及計算網(wǎng)格如圖1所示。

    圖1 模型及計算網(wǎng)格

    3 模擬結果與分析

    3.1 速度場的對比

    爐內(nèi)存在流體力學各異的三個區(qū),即射流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)。在噴嘴附近為射流區(qū)。在射流噴出的周圍空間內(nèi)形成回流區(qū)。射流衰減到一定程度,則形成管流區(qū),一直延伸到爐膛出口。圖2中左圖為使用渦耗散概念模型模擬的速度場,可以看出左圖流場均勻,射流區(qū)內(nèi)速度從上到下逐漸減小,射流的寬度也逐漸增大;回流區(qū)中速度在爐體中間最大;管流區(qū)中,由于受縮口的影響,速度有所增加。右圖為有限速率/渦耗散模型模擬的速度場,速度場向右偏移,流場不對稱,而且也看不出爐內(nèi)的三區(qū)分布。

    圖2 軸向速度分布

    圖3 氣化爐內(nèi)氣體溫度分布

    3.2 溫度場的對比

    氣化爐的溫度分布如圖3所示。左圖為使用渦耗散概念模型模擬的溫度場,從圖中可以看出,氣化爐內(nèi)存在明顯的火焰結構。噴嘴出口附近存在一個高溫區(qū),射流區(qū)溫度比回流區(qū)內(nèi)溫度高,高溫區(qū)延伸至回流區(qū)底部。從上到下,爐體整體溫度先升高后降低。右圖為有限速率/渦耗散模型模擬的溫度場,可以看出,整體溫度場看不出明顯的火焰結構,下部高溫區(qū)向左偏移,出現(xiàn)不規(guī)則高溫區(qū)。

    3.3 出口氣體對比

    表1 中所示為兩種模型模擬的氣化爐內(nèi)主要氣體的體積分數(shù)與文獻值[2]的對比。

    表1 模擬值與文獻值的比較

    從表中可以看出,渦耗散概念模型模擬的結果與文獻值相近,而有限速率/渦耗散模型模擬結果與文獻值相差較大,模擬效果不理想。

    4 結語

    從速度場、溫度場以及出口氣體成分的對比來看,渦耗散概念模型在氣流床氣化爐的模擬上較有限速率/渦耗散模型更為可靠。

    [1]李鵬飛,徐敏義,王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實戰(zhàn)[M].人民郵電出版社,2011,138-140.

    [2]張宗飛,湯連英,呂慶元,等.基于Aspen Plus的粉煤氣化模擬[J].化肥設計,2008,46(3):14-18.

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