Fluent軟件模擬計(jì)算煤粉燃燒的機(jī)理及其模型實(shí)現(xiàn)的方式

丁歷威，李鳳瑞

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

0 引言

由于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)具有低成本、高效率以及方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中得到越來越廣泛的應(yīng)用。很多鍋爐設(shè)計(jì)及燃燒器的改造方案都已經(jīng)把煤粉燃燒數(shù)值計(jì)算結(jié)果作為其重要的參考資料。目前優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算軟件有Fluent，CFX等，其中Fluent以其豐富的模型、高效的算法、準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，在國(guó)內(nèi)外得到了普遍的應(yīng)用[1-2]。

但是Fluent也具有局限性，由于適用于所有數(shù)值計(jì)算問題，其模型具有一定的通用性。所以對(duì)于一些特殊的比較專業(yè)的問題，用其自帶的模型已經(jīng)不適用。比如煤粉燃燒，它所需計(jì)算的對(duì)流擴(kuò)散方程很多[3-5]，采用Fluent自帶的燃燒模型、顆粒運(yùn)動(dòng)模型等所計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際有較大的出入。為解決這個(gè)問題，必須深入分析Fluent處理煤粉燃燒的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上通過用戶自定義函數(shù)（User Defined Function，UDF）進(jìn)行二次開發(fā)，深入研究煤粉燃燒模型中顆粒跟蹤數(shù)計(jì)算的方法、過程之間的切換、過程與規(guī)則之間的關(guān)系、顆粒生命周期內(nèi)和多調(diào)用自定義規(guī)則的數(shù)目及過程規(guī)則的調(diào)用機(jī)理。根據(jù)實(shí)際工況以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，重新編寫部分計(jì)算程序和燃燒模型。

1 Fluent模擬計(jì)算煤粉燃燒的機(jī)理

煤粉燃燒的數(shù)值模擬計(jì)算是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及到氣體和顆粒輻射、煤粉濃淡分離、煤粉顆粒熱解、焦碳表面燃燒以及煤粉顆粒分級(jí)燃燒等情況。Fluent把模擬計(jì)算分成了4個(gè)過程[6]：煤粉顆粒的吸熱、揮發(fā)分的析出、焦炭的表面燃燒以及灰分的吸熱或者冷卻，每一個(gè)過程都有一個(gè)具體的規(guī)則去求解相應(yīng)的方程，規(guī)則也可以通過UDF自定義重寫。各個(gè)過程切換在規(guī)則切換準(zhǔn)則（Switch Law）中實(shí)現(xiàn)。

1.1 初始吸熱過程（First Law）

當(dāng)煤粉顆粒的溫度小于揮發(fā)分熱解溫度時(shí)，該過程就會(huì)被觸發(fā)。Fluent默認(rèn)執(zhí)行吸熱規(guī)則（Inert Heating），顆粒的熱源來自于對(duì)流換熱和輻射換熱。

1.2 揮發(fā)份析出過程（Second Law）

當(dāng)煤粉顆粒溫度大于揮發(fā)分熱解溫度，并且煤粉顆粒中含有揮發(fā)分時(shí)，該過程就會(huì)被觸發(fā)。Fluent默認(rèn)采用熱解規(guī)則（Devolatilization），有多個(gè)模型可以選擇，如固定速率熱解模型、單步熱解模型、雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，其中用的比較多的是單步熱解模型和雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，該規(guī)則僅僅適合于煤粉燃燒顆粒。

1.3 焦炭表面燃燒模型（Third Law）

當(dāng)揮發(fā)分析出完成后，煤粉顆粒只剩下焦炭和灰分時(shí)，就會(huì)觸發(fā)該過程。Fluent默認(rèn)執(zhí)行顆粒表面燃燒規(guī)則（Surface Combustion），也有多個(gè)表面燃燒模型可以選擇，一般采用動(dòng)力—擴(kuò)散限制燃燒模型，該模型分3個(gè)區(qū)域[7]：

（1）在溫度小于1000℃時(shí)，由于化學(xué)反應(yīng)速率很慢，擴(kuò)散過來的氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過反應(yīng)所需的氧量，這時(shí)燃燒速率與反應(yīng)有關(guān)。

（2）當(dāng)溫度超過1400℃時(shí)，由于化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨著溫度升高急劇增大，致使反應(yīng)所消耗的氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過擴(kuò)散過來的氧量，這時(shí)燃燒速率主要由氧氣的擴(kuò)散速度決定。

（3）當(dāng)溫度在1000～1400℃之間，燃燒速率受到反應(yīng)速率和氧氣擴(kuò)散速率雙重影響。

1.4 灰分的吸熱或者冷卻（Fourth Law）

當(dāng)經(jīng)歷了揮發(fā)分熱解、焦炭表面燃燒后，煤粉顆粒中只剩下灰分。這時(shí)灰分只會(huì)經(jīng)歷一個(gè)吸熱或者放熱過程。該過程就被觸發(fā)，其規(guī)則求解方程與First Law一樣。

煤粉燃燒的每一個(gè)過程，都有相應(yīng)規(guī)則去求解相應(yīng)的方程。如果Fluent求解的方程不符合模型的實(shí)際情況，可以通過UDF二次開發(fā)重寫相應(yīng)的具體執(zhí)行規(guī)則。比如要把揮發(fā)分熱重曲線取代Fluent原有的可選模型，可以通過UDF把熱重曲線寫入自定義煤粉顆粒熱解模型，然后替換原來的Devolatilization。

2 顆粒跟蹤數(shù)的計(jì)算方法

在Fluent中不同的煤粉顆粒射流類型（Injection Type）就有不同的計(jì)算顆粒跟蹤數(shù)的方法。目前比較常用的Injection Type按以下幾種情況劃分： 單個(gè)顆粒（Single）、 群組（Group）和顆粒進(jìn)口表面（Surface）等。通過編寫自定義UDF，掌握各個(gè)類型顆粒跟蹤數(shù)的計(jì)算方法。

2.1 Single類型

Single類型是指煤粉顆粒在入口面以單個(gè)顆粒進(jìn)入計(jì)算區(qū)域的，假設(shè)煤粉中所有的顆粒都是相同的直徑和質(zhì)量，這個(gè)顆粒代表了煤粉所有的信息，包括流速、質(zhì)量、直徑等等。所以跟蹤1個(gè)顆粒就能反映所有煤粉的特征。Fluent中一般采用顆粒隨機(jī)軌道模型，射流的數(shù)目（Number of Tries）也決定煤粉跟蹤顆粒數(shù)。假定Number of Tries為20，其含義是把之前跟蹤的顆粒分成20個(gè)，每個(gè)顆粒占有的流量就是原來的1/20，然后對(duì)這20個(gè)顆粒賦予不同的速度脈動(dòng)值，求得各自的顆粒軌跡。Number of Tries相當(dāng)于用統(tǒng)計(jì)的方法來反應(yīng)煤粉顆粒的走向，所以該類型下Fluent跟蹤的顆粒數(shù)為：

2.2 Group 類型

Group類型是指煤粉顆粒按照直徑分成多股煤粉流，每股煤粉流之間直徑、質(zhì)量、流量、位置都各不同，然后每股煤粉流按照1個(gè)Single類型來處理，所以該類型下Fluent跟蹤的顆粒數(shù)為：

2.3 Surface類型

Surface類型是指煤粉顆粒根據(jù)入口面網(wǎng)格分成多股煤粉流。每1個(gè)面網(wǎng)格相當(dāng)于1個(gè)Group，所以該類型Fluent跟蹤的顆粒數(shù)為：

3 過程切換的方式

通過自編UDF，掌握Fluent軟件中過程切換的方式。在煤粉燃燒過程中，F(xiàn)luent對(duì)各個(gè)過程的切換是在Switch Law中進(jìn)行的。比如顆粒溫度達(dá)到了揮發(fā)分熱解溫度時(shí)，過程從First Law切換到Second Law是由Switch Law控制的，而不是由First Law中的規(guī)則Inerting heating或者是Second Law中的規(guī)則Devolatilization，也不是自定義規(guī)則確定。而Switch Law中的默認(rèn)規(guī)則（Default）已經(jīng)根據(jù)煤粉燃燒的特點(diǎn)把切換條件寫入其中。

所以當(dāng)需要修改揮發(fā)分熱解模型或者表面燃燒模型時(shí)，并不需要修改Switch Law，只需要重寫Second Law或者Third Law中的具體規(guī)則。除非增加燃燒過程，或者需要修改燃燒過程切換條件，才需要重寫Switch Law中的規(guī)則。

4 過程與規(guī)則之間的關(guān)系

過程與規(guī)則在Fluent計(jì)算中的調(diào)用關(guān)系是UDF二次開發(fā)的關(guān)鍵。在UDF中，獲取當(dāng)前顆粒所處過程[8]的索引號(hào)是：

判斷當(dāng)前過程對(duì)應(yīng)的換熱規(guī)則是：

式中：p為Fluent求解器中的顆粒指針。每個(gè)跟蹤顆粒都有1個(gè)指定的指針來定位它。

規(guī)則是過程具體的執(zhí)行代碼。默認(rèn)的規(guī)則有多個(gè)模型可以選擇，也可以通過自定義UDF來重寫規(guī)則。

在Fluent中過程是從0開始計(jì)數(shù)，比如Fisrt Law代表著0，Second Law代表著1等，而各個(gè)規(guī)則是保存在p結(jié)構(gòu)體數(shù)組heat_mass_laws中。

5 煤粉燃燒過程規(guī)則模型的調(diào)用方式

通過重寫Switch Law，發(fā)現(xiàn)每1個(gè)煤粉顆粒在其生命周期內(nèi)最多只能執(zhí)行4個(gè)自定義規(guī)則。如果超過4個(gè)，顆粒跟蹤迭代就會(huì)報(bào)錯(cuò)。具體的說就是可以編寫4個(gè)以上的自定義規(guī)則導(dǎo)入Fluent中，也可以在Injection中設(shè)置4個(gè)以上的自定義規(guī)則。但是顆粒生命周期內(nèi)調(diào)用的自定義規(guī)則最多4個(gè)，多設(shè)置的自定義規(guī)則調(diào)用不到，就不會(huì)報(bào)錯(cuò)，如果調(diào)用到了，顆粒跟蹤迭代就會(huì)報(bào)錯(cuò)。如果自定義了1個(gè)規(guī)則，但是在多個(gè)過程中被設(shè)置，那么這個(gè)規(guī)則也要重復(fù)被計(jì)數(shù)，而自帶規(guī)則沒有此限制，如表1所示。

從表1可以看出，DEFINE_DPM_LAW自定義的規(guī)則[8]在Fluent內(nèi)部編號(hào)從7開始的。而且最多只能定義4個(gè)。

通過編寫大量的UDF，給出了Fluent對(duì)煤粉燃燒過程規(guī)則模型的關(guān)系，如圖1所示。對(duì)于UDF二次開發(fā)而言，就是用自定義的規(guī)則來取代Fluent默認(rèn)的規(guī)則。同時(shí)理論上可以增加煤粉燃燒過程，此時(shí)就需要重寫Switch Law，把增加過程的觸發(fā)條件加入其中。

6 結(jié)論

在詳細(xì)說明Fluent中煤粉燃燒每一步過程的含義以及每一步過程切換的條件后，通過自編UDF掌握了Fluent處理煤粉燃燒過程的機(jī)理。通過分析可以清楚地理解Fluent處理煤粉燃燒的機(jī)理以及各個(gè)過程規(guī)則算法的調(diào)用方式，從而為重寫煤粉燃燒模型提供了基礎(chǔ)。

（1）顆粒跟蹤數(shù)的計(jì)算和Injection Type有關(guān)，不同的類型有不同的計(jì)算方法。

（2）過程之間的切換是由Switch Law來控制的。過程切換的觸發(fā)條件在Switch Law中的Default規(guī)則中寫入。如果只是重寫已有的過程，就不需要重寫Switch Law。如果需要增加過程，或者更改過程觸發(fā)條件，需要重寫Switch Law。

（3）過程與規(guī)則在Fluent計(jì)算中的調(diào)用關(guān)系是UDF二次開發(fā)的關(guān)鍵，規(guī)則是過程具體的執(zhí)行代碼。默認(rèn)的規(guī)則有多個(gè)模型可以選擇，也可以通過自定義UDF來重寫規(guī)則。

（4）每一個(gè)煤粉顆粒在其生命周期內(nèi)最多只能執(zhí)行4個(gè)自定義規(guī)則。如果超過4個(gè)，顆粒跟蹤迭代就會(huì)報(bào)錯(cuò)。如果自定義了1個(gè)規(guī)則，但是在多個(gè)過程中被設(shè)置，那么這個(gè)規(guī)則也要重復(fù)被計(jì)數(shù)。

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