煙氣混合流場(chǎng)模擬計(jì)算

王永興

(山西國(guó)控環(huán)球工程有限公司(原山西省化工設(shè)計(jì)院)，山西 太原 030024)

本次研究的管道為加熱爐出口煙氣管道(DN1200)和引風(fēng)機(jī)出口管道(DN2000)兩個(gè)管道組成的管系。兩個(gè)管道出口處壓力和溫度不同，煙氣流速相差很大，加熱爐出口支管的煙氣流速較大。通過(guò)本次研究，從理論上模擬兩股流體的流動(dòng)情況及混合時(shí)兩種流體的流動(dòng)狀態(tài)，避免引風(fēng)機(jī)出口流體出現(xiàn)反混回流現(xiàn)象，為設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。

本次計(jì)算主要用到兩個(gè)軟件Gambit和Fluent。Gambit主要是通過(guò)其GUI(用戶界面)接受用戶輸入的數(shù)據(jù)，從而直接簡(jiǎn)單的建立幾何模型、網(wǎng)格化模型形成有限元模型的一個(gè)軟件包，它是流體力學(xué)(CFD)計(jì)算領(lǐng)域一個(gè)重要的建模工具。Fluent本身帶有先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法、各種各樣的的物理模型以及強(qiáng)大的后處理性能，它的數(shù)值計(jì)算方法在計(jì)算速度、精度和穩(wěn)定性等各方面均有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其在流體分析計(jì)算、熱量傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)工程等方面具有特別顯著的優(yōu)勢(shì)，因此，這個(gè)軟件的應(yīng)用非常廣泛。

1 模擬軟件介紹

1.1 Fluent介紹

目前，在市面上的CFD軟件中，國(guó)內(nèi)外備受推崇、使用廣泛、最流行的理論流體模擬計(jì)算軟件主要是Fluent軟件。Fluent軟件的理論模擬計(jì)算是基于“CFD軟件群”的理念，主要是針對(duì)每一種流動(dòng)的流體的實(shí)際物理特征，選擇最為合適的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行模擬求解，因而在計(jì)算速度、精度和穩(wěn)定性等各個(gè)方面均達(dá)到最為理想的結(jié)果。目前Fluent軟件已經(jīng)被ANSYS收購(gòu)，作為ANSYS的一個(gè)模塊。

Fluent軟件主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)Fluent軟件目前采用的模擬計(jì)算法為有限元體積發(fā)生，它是基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的一種方法，并且具有基于網(wǎng)絡(luò)單元和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的梯度算法；(2)Fluent計(jì)算軟件可以用于非定常/定常流體流動(dòng)的模擬，且具有快速的非定常模擬性能；(3)Fluent計(jì)算軟件含有動(dòng)/變形網(wǎng)格劃分技術(shù)，主要用來(lái)解決運(yùn)動(dòng)邊界的問(wèn)題，在具體使用時(shí)僅僅需要給出初始網(wǎng)格劃分和相關(guān)運(yùn)動(dòng)壁面的邊界限制條件，其剩余的網(wǎng)格變化則完全由計(jì)算器自動(dòng)進(jìn)行生成；(4)Fluent計(jì)算軟件網(wǎng)格支持能力十分強(qiáng)大，它支持邊界不連續(xù)的網(wǎng)格劃分、混合網(wǎng)格劃分、動(dòng)/變形網(wǎng)格劃分以及滑動(dòng)網(wǎng)格劃分等；(5)Fluent計(jì)算軟件還具有多種基于計(jì)算解的網(wǎng)格自適應(yīng)的性能、動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)性能以及網(wǎng)格動(dòng)態(tài)自適應(yīng)和動(dòng)網(wǎng)格相結(jié)合的性能；(6)Fluent計(jì)算軟件包含三種算法：耦合顯式算法、耦合隱式算法、非耦合隱式算法，這種軟件是商用計(jì)算軟件中應(yīng)用最多的；(7)Fluent計(jì)算軟件包含了豐富而先進(jìn)的湍流計(jì)算模型，能夠準(zhǔn)確地模擬處無(wú)粘型流、層流、湍流等多種流體形態(tài)。湍流模型包含了Spalart-Allmaras模型組、k-ω模型、k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)、大渦模擬模型(LES)以及分離渦模擬(DES)等。另外它還可以根據(jù)實(shí)際的物理情況進(jìn)行定制或者添加自己需要的湍流模型。

Fluent軟件的優(yōu)點(diǎn)為：

(1)適用面廣。適用范圍很廣，F(xiàn)luent計(jì)算軟件含有很多種傳熱燃燒計(jì)算模型及多相流計(jì)算模型，可應(yīng)用于從可壓縮流體到不可壓縮流體、從低速流體到高速甚至超音速流體、從單相流到多相流、以及化學(xué)反應(yīng)、氣固混合、燃燒等幾乎所有的和流體相關(guān)的領(lǐng)域。

(2)高效省時(shí)。Fluent計(jì)算軟件可以將不同領(lǐng)域的相關(guān)計(jì)算軟件組合起來(lái)，成為一個(gè)CFD軟件群，這些相關(guān)軟件可以方便的進(jìn)行數(shù)值交換，且采用了統(tǒng)一的前處理、后處理工具和方法，這樣就節(jié)省了科研學(xué)者在計(jì)算方法、前后處理、模擬編程等方面投入，節(jié)省了很多寶貴的時(shí)間，大大提高了科研的效率。

(3)穩(wěn)定性好且精度高。這種軟件對(duì)每一種物理問(wèn)題，都會(huì)針對(duì)它的流動(dòng)特點(diǎn)，選擇適合的數(shù)值計(jì)算方法，用戶可以選擇顯式或隱式差分格式計(jì)算方法，使得在計(jì)算精度、速度和穩(wěn)定性方面均達(dá)到最佳效果。

1.2 Gambit介紹

Gambit是為了建立力學(xué)計(jì)算物理模型和網(wǎng)格化形成計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型，并且和其它軟件接軌而設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件包。Gambit通過(guò)其用戶界面(GUI)來(lái)接收用戶的數(shù)據(jù)輸入。Gambit GUI可以簡(jiǎn)單、直接的建立物理模型、網(wǎng)格化模型形成有限元模型。

Gambit建模軟件主要具有以下特點(diǎn):(1)具有建立在ACIS內(nèi)核基礎(chǔ)上全面的三維幾何建模性能，可以通過(guò)各種方式，直接或者間接建立點(diǎn)、線、面和體，而且它具有十分強(qiáng)大的布爾運(yùn)算性能；(2)可以自動(dòng)的對(duì)生成的Journal文件編輯，來(lái)自動(dòng)控制、修改或者直接生成新的幾何與網(wǎng)格；(3)建立的模型可以導(dǎo)入PRO/E、CATIA、UG、ANSYS、SOLIDWORKS、PATRAN等大多數(shù)的CAD/CAE軟件。且導(dǎo)入的模型質(zhì)量很高；(4)具有強(qiáng)大的幾何修復(fù)性能，在導(dǎo)入幾何模型時(shí)可以自動(dòng)合并一些重合的點(diǎn)、線、面等；(5)網(wǎng)格劃分能力十分強(qiáng)大，可以輕松的劃分包括邊界層、具有CFD特殊性能要求的高質(zhì)量計(jì)算網(wǎng)格；(6)Gambit獨(dú)有的六面體核心(HEXCORE)技術(shù)集成了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和笛卡爾網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，從而使得網(wǎng)格劃分更加簡(jiǎn)單，網(wǎng)格質(zhì)量更高。

2 基本條件

來(lái)自加熱爐流量為30000 Nm3/h、溫度為443.15T(170℃)、壓力為5000Pa的煙氣流經(jīng)直徑1.2 m的管道，與來(lái)自煙氣引風(fēng)機(jī)煙氣流量為122200 Nm3/h、溫度為393.15T(120℃)、壓力2624Pa的流經(jīng)直徑2m的管道的煙氣混合,混合后的溫度400.15T(127℃)。

2.1 基本數(shù)據(jù)

表 1 基本數(shù)據(jù)

2.2 質(zhì)量流量

引風(fēng)機(jī)出口a質(zhì)量流量:

加熱爐出口b質(zhì)量流量:

說(shuō)明：煙氣的密度按照空氣密度估算。

3 建立模型及計(jì)算結(jié)果

圖1 實(shí)際模型

本次模擬使用質(zhì)量流量邊界條件。理由為：針對(duì)本課題，在使用CFD理論進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，主要使用的邊界條件有壓力入口邊界條件和質(zhì)量流量邊界條件。壓力入口邊界條件有其適用的區(qū)域，比如說(shuō)典型的浮力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)。其具體適用范圍為：壓力已知但是流動(dòng)速度未知的情況。因此使用壓力入口為邊界條件是不合理的，本項(xiàng)目理論計(jì)算采用的邊界條件為：質(zhì)量流量邊界條件。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果如圖2～6所示。

圖2 速度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖3 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

圖4 速度矢量圖模擬結(jié)果

圖5 理論壓力場(chǎng)模擬結(jié)果

圖6 實(shí)際壓力場(chǎng)結(jié)果

4 結(jié)論及建議

(1)在建模以及進(jìn)行流場(chǎng)模擬計(jì)算的時(shí)候，比較充分的考慮了模型的細(xì)節(jié)和各種影響因素，因此分析結(jié)果可靠；

(2)兩股流體混合后，流動(dòng)情況良好，通過(guò)模擬計(jì)算，引風(fēng)機(jī)口煙氣流體不會(huì)出現(xiàn)回流反混的現(xiàn)象；

(3)所有類焊接焊頭焊后應(yīng)內(nèi)外磨平，應(yīng)對(duì)引風(fēng)機(jī)出口管道與加熱爐出口管道連接三通處的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，避免局部應(yīng)力過(guò)大。