新建75th高压高温水煤浆锅炉炉内冷态空气动力场、燃烧过程及.pdf

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1、浙江大学硕士学位论文新建75t/h高压高温水煤浆锅炉炉内冷态空气动力场、燃烧过程及NOx排放试验和数值模拟姓名：周平申请学位级别：硕士专业：热能工程指导教师：赵翔;周志军20050101聊旺大学硕士学位论文周平摘要摘要水煤浆是一种低污染、高效率、流动性能强的代油清洁燃料。为了降低化工产品的生产成本，提高企业的经济效益，中国石油吉林石化分公司委托浙江大学设计并由南通锅炉厂制造了7 5 t l l 高压高温水煤浆锅炉，该锅炉在国内属于第一台。锅炉冷态试验和燃烧调整试验表明，锅炉的设计是成功的，为进一步推广水煤浆锅炉在石化企业中的应用起到了示范作用。本文对四角切圆燃烧水煤浆锅炉炉内的流动、传熟、燃烧

2、过程及氮氧化物(N O X)的生成过程作了详细的数值研究，并尽可能结合实炉试验，对理论进行验证。本文同时应用数值研究方法模拟了四角切圆锅炉一二次风大小变化、大小同心切圆布置方式、一三角相切二四角对冲、二次风配风方式改变，二次风反切等对炉内流场特性的影响，为优化锅炉设计、改造、运行提供了及其有意义的理论上的指导。关键词：高压高温，水煤浆，冷态试验，切向燃烧锅炉，数值模拟，N O x浙江大学硕士学位论文周平A B S T R A C TC o a l-w a t e rs l u r r yi sat y p eo fl o wp o l l u t i o n，h i g he f f i c

3、i e n c y，p e r f e c tl i q u i d i t yf u e la sas u b s t i t u t i o nf o ro i l I no r d e rt od i m i n i s ht h ec o s ta n di m p r o v et h eb e n e f i to ft h ec h e m i c a le n t e r p r i s e，o n e7 5 t hh i【s ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ec o a l w a t e rs l u r r

4、yb o i l e rw a sc r e a t e db yN a n t o n gB o i l e rM a n u f a c t o r y，w h i c hw a sc o m m i s s i o n e db yt h eO r g a n i cS y n t h e t i c a lF a c t o r yo fJ i l i nP e t r o c h e m i c a lC o，a n dd e s i g n e db yZ h e j i a n gU n i v e r s i t y T h eb o i l e ri so r i g i n

5、 a li nC h i n a T h ec o l dm o d e le x p e r i m e n ta n dc o m b u s t i o na d j u s te x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ed e s i g no ft h eb o i l e ri ss u c c e s s f u la n df u n c t i o na sad e m o n s t r a t i o nf o rf u r t h e r i n gt h ea p p l i c a t i o no fc o a l

6、w a t e rs l u r r yi np e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n s I nt h i sp a p e r,d e t a i l e da t t e n t i o nh a sb e e np a i do nt h em o d e l i n gf o rf l o w，h e a tt r a n s f e r，c o m b u s t i o n，r a d i a t i o n，N O xp r o d u c t i o na n ds o m et e s t i f ya r ed o n

7、eo nt h e o r yb ye x p e r i m e n t s M e a n w h i l es o m ed e t a i l e dn u m e r i c a lr e s e a r c h e sa r ed o n eo nt h ei n f l u e n c et ot h ea e r o d y n a m i cf i e l dt h r o u g h o u tc h a n g i n gm a g n i t u d eo ft h ep r i m a r ya i ra n dt h es e c o n d a r ya i r，

8、a d o p t i n gh o m o c e n t n ct w ot a n g e n t i a lc i r c l e s，t a n g e n t i a l l y-f i r e di nn u m b e ro n ea n dn u m b e rt h r e ec o m e rf a c e f i r e di nn u m b e rt w oa n dn u m b e rf o u rc o m e r，c h a n g i n gt h ea i rd i s t r i b u t i o no ft h es e c o n d a r y

9、a i ra n dt h er e v e r s es w i r lo fu p p e rs e c o n d a r ya i r，W h i c hp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rb o i l e rd e s i g n,o p t i m a lo p e r a t i o n，r e n o v a t i o ne t c K e yw o r d s：H Pa n dH T，c o a l w a t e rs l u r r y，c o l dm o d e le x p e r i m e

10、 n t，t a n g e n t i a l l yf i r e db o i l e r,n u m e r i c a ls i m u l a t i o n，N O x浙江大学硕士学位论文周平第一章绪论第一章绪论1 1 引言水煤浆是由6 0 7 5 不同粒径分布的煤、3 0 3 5 左右的水和约l 的添加剂制成的煤水混合物，是七十年代石油危机发展起来的一种新型低污染代油燃料。它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳定性，被称为液态煤炭产品。水煤浆技术包括水煤浆制备、储运、燃烧等关键技术，是-N 涉及多门学科的系统技术。水煤浆具有燃烧效率高，污染物排放低等特点，可用

11、于电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉代油、代气和代煤燃烧，亦可作为气化原料用于生产合成氨、合成甲醇等。水煤浆技术是我国现行阶段适宜的代油、环保、节能技术用煤制取清洁燃料，【；l 煤代油。是我国能源长期稳定的发展战略和现实选择。吉林石化公司现有燃油蒸汽有机锅炉1l 台，2 0 0 1 年消耗燃料油总量2 3 7 万吨年。由于目前燃料油价格高，导致燃油锅炉产生的蒸汽成本提高同时增加了化工产品的生产成本。由于水煤浆具有以上等优点，并且燃烧效率、锅炉效率能达到燃油同等水平，且燃烧调节方便，运行稳定可靠，贮存、运输比燃油简单、安全，便于管理，适宜于管道运输。因此，以水煤浆替代燃油，改变有机锅炉的燃料结构在技术

12、上是可行、可靠的，经济上是合理的。中国石油吉林石化分公司为了降低化工产品的生产成本，提高企业的经济效益，新建了7 5 t h 高压高温水煤浆锅炉工程，以满足蒸汽有机锅炉由燃油到燃水煤浆的燃料结构改变的需要，以提升企业的综合竞争能力，适应未来市场发展的要求。经初步预算：燃油锅炉的产汽成本在1 2 0 1 3 0 元吨左右；水煤浆锅炉的产汽成本在8 0 9 0 元吨左右。新建7 5 t h 高压高温水煤浆锅炉，年可节省燃料油、汽3 9 万吨。该水煤浆锅炉由吉林石化有机合成厂和南通锅炉厂委托浙江大学设计，其容量和设计参数在国内尚属首台。该锅炉于2 0 0 3 年1 0 月安装完毕，之后进行了锅炉冷态

13、空气动力场试验，并于2 0 0 3 年1 2 月和2 0 0 4 年4 月份2 个阶段完成了燃烧调整试验。热态试验进行了全烧油、油气混烧、浆气混烧、全烧浆工况的性能测试，笔者参与了全部调试过程，试验结果达到了合同规定的技术要求和技术指标。锅炉经燃烧调试后，锅炉运行情况良好，并一至持续运行至今。总之。吉林石化公司有机合成厂国内首台新建7 5 讹高压高温水煤浆锅炉的设计和调试是成功的，锅炉负荷和蒸汽参数均符合设计技术指标的要求，并满足机组安全经济运行要求。为进步优化锅炉运行，本文将从现场试验和计算机数值模拟相结合的方式研究四角切圆燃烧锅炉炉内空气动力场特性l 三I 及水煤浆燃烧过程特性、污染物排放

14、特性等，用以指导水煤浆锅炉设计和实际运行。1 2 四角切圆燃烧锅炉的优点、目前存在的主要问题四角燃烧锅炉广泛应用于燃煤和燃油以及水煤浆锅炉。通常直流式燃烧器布置在炉膛四角-其出口气流几何轴线切于炉膛中心的假想切圆，造成气流在炉内强烈旋转。炉膛四周是强烈的螺旋上升气流，在中心则是速度很低的微风区。四角切向燃烧锅炉由于其燃料的适应性及风粉混合均匀等特点决定其是我国电站应用最广、最成熟的燃烧方式，应用的锅炉容量从小到大不等，使用从优质煤到劣质煤几乎所有的煤种。对于水煤浆，更是普遍采用了四角切圆的燃烧方式。多年运行实践表明，切向燃烧锅炉具有以下优点阱：。(1)四角射流着火后相交，相互点燃，使煤粉着火稳

15、定是煤粉着火稳定性较好的炉型。由此可见，切向燃烧方式是以整个炉膛为单元来组织燃烧的，故燃烧器的燃烧工况和整个炉浙江大学硕士学位论文周平第一章绪论膛的空气动力特性关系十分密切。(2)由于四股射流在炉膛内相交后强烈旋转，湍流的热量、质量和动量交换十分强烈，故能加速着火后燃料的燃烬程度。(3)四角切向射流有强烈的湍流扩散和良好的炉内空气动力结构，旋转火焰气流横扫过大部分炉膛容积，使炉膛火焰充满系数很高，整个炉膛形成一个特大型旋流燃烧室，燃烧充分，炉内热负荷较均匀。(4)旋转火焰气流使燃料、空气和烟气强烈混合，并随旋转气流呈螺旋状上升，直到炉膛出口，延长了煤粉粒子在炉内的行程，有利于煤粉的燃烬，减小了

16、飞灰损失，经济性好。(5)切圆燃烧时每角均由多个一、二、三次风喷嘴所组成，负荷的变化调节灵活，对煤种的适应性强，控制和调节手段也较多。(6)炉内结构简单，便于大容量锅炉的布置。(7)采用摆动式直流燃烧器时运行中改变上、下摆动角度即可调整火焰中心高度，改变炉膛出口烟温，达到调节过热蒸汽温度的目的。(8)便于实现分段送风组织分段燃烧，从而抑制q 的排放。旋转火焰使炉内火焰温度比较均匀，不易出现局部高温区，使得炉膛四面水冷壁的热负荷也较均匀，可避免出现膜态沸腾也有利于降低N O 的生成。尽管四角切向燃烧锅炉在我国乃至世界范围内已得到了广泛的应用，在实际的运行中仍存在着许多问题。四角切向燃烧锅炉存在如

17、下主要问题I j J：(1)污染物的生成锅炉燃烧所产生的污染物中，N O x 对人类环境危害较大，会造成大面积酸雨，还会破坏臭氧层，如何有效地控制N O x 生成不仅已成为人们普遍关注的焦点，还是能源发展面I 临的重大障碍之一。并且随着四角切向燃烧锅炉容量的增加，断面热负荷越高。炉内温度也较高。煤粉的挥发份释放和焦炭燃烧速率也较大，使燃料型哝的比例较高，同时热力型N O x 的份额也大幅度提高。本文将对酞的生成进行数值模拟。(2)结渣锅炉结渣问题的存在非常普遍。在炉膛内煤粉燃烧过程中，烟气中夹带的熔化或部分熔化的颗粒碰撞在炉壁上，水冷壁或管壁上被冷却凝固形成结渣。结渣的形态主要是粘稠状的熔融沉

18、淀物，结渣主要出现在辐射受热面上。结渣轻则影响传热，迫使锅炉降负荷运行，降低锅炉的效率；重则导致非计划停炉或造成重大安全事故，是危及锅炉安全经济运行的一大难题。结渣的内因是燃料的灰分特性；外因是炉内的燃烧工况。从内因上讲，我国的燃料政策是电站锅炉尽量燃用劣质燃料。统计表明，我国大机组所用煤质约有半数属易结渣类型：而且电厂燃用煤质多变，实际燃用煤质与设计煤种相差较大；炉膛结构特性，燃烧器的结构布置与燃料不匹配也容易出现结渣问题。燃用劣质煤的锅炉为了保证燃烧稳定，通常在设计上选择较高的热负荷和采用较保守的稳燃措施，这虽可取得较好的稳燃效果但却导致结渣。从外因上讲，锅炉运行方式不当、速度场和温度场分

19、布不合理、火焰偏斜、冲墙、局部出现还原性气氛也是导致结渣频繁发生的原因。锅炉结渣已经成为阻碍锅炉技术向前发展的巨大障碍。本文将结合炉内空气动力场特性及燃烧过程说明此问题。(3)烟温偏差近些年部分大容量火电机组非计划停运事故的统计分析表明：锅炉事故最多的是四管爆破。即水冷壁、省煤器、过热器和再热器的管子爆破。过热器和再热器爆管所占的比例最大，又因过热器工质的压力最高，温度最高，所以事故扩大性更为严重。超温爆管的发生主要来自两方面的原因：锅内过程和炉内过程。由于锅内过程的设计是针对炉内过程进行的，寻找并解决引起爆管的炉内过程方面的因素是解决超温爆管问题的基础。切圆燃烧锅炉水平烟道中存在着不同程度的

20、烟速、烟温偏差，而且随着锅炉容量的增大-偏差也增大，速度和温度偏差是造成高温对流过热器超温爆管的直接原因。国内部分大机组锅炉运行情况表明，其水平烟道左右两侧的烟温偏差都在1 0 0 C 以上，高者甚至可以达2浙江大学硕士学位论文周平第一章绪论到2 7 0 C 左右。过热器和再热器超温爆管问题目趋严重，国产大容量电站锅炉及一些总体质量上很好的进口大容量电站锅炉上都发生过受热面超温问题。这类问题在技术上有一定的复杂性，其研究对于锅炉的安全性和经济性具有重要的意义。本文将对此作出定性分析。(4)低负荷稳燃效果差，飞灰可燃物也较高，特别对于劣质煤层、贫煤、无烟煤等，在负荷低时必须投油助燃，而多数四角锅

21、炉在燃烧稳定性、着火性能上都不理想，且飞灰中可燃物含量过高。着火和燃烧的稳定性除了与煤质有关外，还与燃烧的组织有密切的关系。燃烧器形式和布置、锅炉结构和运行方式(主要是风粉配合)，要保证炉内合理的空气动力场和温度场。1 3 数值模拟的主要优缺点发现问题、分析问题并尽可能地去解决它，这无疑是人类认识自然和改造自然的一般规律。本文正是基于这样的一个思路，尝试用数值模拟的方法对锅炉冷态空气动力场、燃烧特性及污染物排放进行预报，以达到为锅炉机组的优化设计和优化运行提供技术指导的目的。数值模拟具有如下优点1 4 J：(1)耗费少在许多应用中，计算机的计算费用要比相应实验费用低好几个数量级。当需要研究的问

22、题变得更复杂时，这个因素所起的作用更加重要。(2)速度快计算研究能以非常快的速度进行。只要模型合理。计算所花费的时间将比试验所用的时间少。(3)完整的资料一个问题的计算机解能给出详细和完整的资料。能提供整个计算区域内的所有相关变量的值(例如速度、压力、温度、浓度、湍流强度等)。试验研究不可能测出整个区域内所有变量的分布，即使完成了实验，在很大程度上还需要计算机解去完善补充实验资料。(4)模拟真实条件的能力在理论计算中，很容易模拟真实条件，没有必要求助于小尺寸和冷流动模型。虽然数值模拟具有以上优点，但计算的使用价值受数学模型和计算方法是否合理所限制。若使用了不适当的数学模型，即使是一个完全满意的

23、数值方法也不能得到有价值的结果。锅炉的试验研究，即使规模不太，从设计到实施都要消耗大量的人力和物力。随着计算机内存容量的不断增大，运算速度的加快，数值模拟技术与试验研究日益结合起来。数值模拟是对试验研究成果的修正和补充，并且能够提供试验研究无法实施的结果。比如受到试验条件和测试手段的限制，克服试验过程中难以避免的某些系统误差和偶然误差：对设计方案或改造方案进行初步论证，减少试验工作的盲目性和重复性，降低工作量和资金费用。1 4 电站锅炉冷热态数值模拟的研究现状对于电站锅炉炉内过程的数值预报，涉及计算流体力学、燃烧学、传热学、气固两相流、化学反应动力学等诸多领域。借助这些学科和计算机科学的发展，

24、计算模拟炉内过程逐步成为一种强有力的研究手段。1 4 1 研究气固两相流的两大经典方法炉内燃烧特性的数值模拟，首先是气固两相的计算流体力学问题。涉及气固两相流，则不得不提到研究气固两相流的两大经典方法：欧拉法和拉格朗日法。前者从空间场的角度对流体现象进行描述，研究某一时刻质点群形成的空间场量；后者从时间场的角度对流体现象进行描述，研究某一质点在不同的运动时刻形成的时间场量。两种方法在本质上是相通的，浙江大学硕士学位论文周平第一章绪论可以相互转换。处理气固两相流时，欧拉法将固相当作连续相：拉格朗日法将固相当作离散相，通过在拉格朗日坐标系下对大量颗粒的轨迹跟踪统计其物理量。两种方法在处理不同问题时

25、具有不同的优缺点。欧拉法由于可以方便地解决颗粒间的碰撞问题因而在处理稠密两相流动中得到充分的应用。它可以得到整个流场任何一个位置的运动情况，并且引入了相的容积分额概念，将固相和气相在数学上都当作相互渗透的连续相处理；拉格朗日法则是跟踪某个湍流微团(或者是某个颗粒)，研究其在不同时刻内运动轨迹和状态的变化，它由于可以方便地计入颗粒在运动过程中沿程的物理化学变化，因而在处理有化学反应的气固两相流中得到长足地发展，它需要假定固相占有很低的容积份额(固相的质量大于气相是容许的)。所以在对整个流场作研究的时候，一般都采用欧拉方法，在求解运动轨迹的时候用拉格朗日方法。现在有许多学者致力于这两种方法的结合。

26、应用它们各自的优点更反映实际地去模拟各种气固两相流动问题。1 4 2 气相湍流流动模型综述处理湍流流动大体上有三种方法：直接模拟(D i r e c t N u m e r i c a lS i m u l a t i o n，简称D N S)、雷诺时均法和大涡模拟。直接模拟的方法可以获得复杂几何形状体内的高雷诺数湍流流动N S方程完整的时间相关精确解，但所需要的计算机的速度和内存按现有的计算机水平是无法想象的，在可预见的将来实现起来也不是容易的。在无法直接模拟的情况下，有两种替代性的方法，一是雷诺时均法一是大涡模拟。这两种方法的特点是不直接模拟小尺度的湍流脉动。无论是雷诺时均法还是大涡模拟。

27、它们在控制方程中都引入了附加项。为保证控制方程的封闭，需要对附加项进行模化：补充新的方程将附加项与控制方程中原有的项联系起来。雷诺时均法通过对N S 方程时均化，求解平均流动量，通过采用的湍流模型描述所有尺度的湍流。这种处理方法大大减少了计算的工作量。在实际工程问题中被广泛采用。雷诺时均法引入了雷诺应力项，根据处理附加雷诺应力项方法的不同，可以分为两大类：B o u s s i n e s q模型和雷诺应力模型。B o u s s i n e s q 模型是将雷诺应力与平均速度梯度联系起来。像S p a l a r t-A l l m a r a s 模型例、k 一占模型1 6 、k 一占模型

28、的改进型(R N Gk 一占川、R e a l i z a b l ek 一占嘲)、k 一国模型驯和k m 模型的改进型(S S Tk 一)都属于此类。这种模型的优点在于计算湍流粘性系数。时的代价很低。缺点是。各向同性的假定与实际不是很吻合。雷诺应力模型(R S M)”u J l l l 【I“需要求解雷诺应力张量每一项所对应的输运方程。通常情况下基于 B o u s s i n e s q假设t l”的湍流模型就可以取得很好的计算结果，如果采用雷诺应力模型的话，计算结果可能会有改进，但相比与计算花费而言，将是得不偿失。当然，对于各向异性占主导的湍流流动，雷诺应力模型的优越性表现无余。比如高强

29、度的旋流和应力诱发的次级流动，采用雷诺应力模型是比较合适的，根据求解雷诺应力的方程又可分为雷诺应力微分方程模型(D i f f e r e n t i a lS t r e s sM O d e l，简称D S M)、代数应力模型(A l g e b r a l cS t r e s sM o d e l，简称A S M)。A S M 模型是D S M 的简化模型。典型的代数应力模型有C r a f l-L a u n d e r 模型1 1 4】、S h i h 模型1 1 5】【1 6 1、R o d i 模型【1 7 I。大涡模拟是近几十年来发展的一种具有一定应用前景的数值计算方法，其基

30、本思想是：紊流流动是由许多大小不同尺寸的涡旋组成，大尺度的涡旋对平均流动的影响比较大，各种变量的紊流扩散、质量、动量和能量的交换以及雷诺应力的产生都是通过大尺度涡旋来实现的而小尺度涡旋主要对耗散起作用。通过耗散脉动来影响各种变量。不同的流场形状和边界条件对大涡有较大影响，使它具有明显的各相不均匀性。在高雷诺数下，小涡旋近似于均匀各相同性，受边界条件影响较小，有较大的共同性。因此可把紊流中大涡旋和小涡旋分开处理，大涡旋通过修正的N S 方程【l q 直接求解，小涡旋可通过亚网格尺度模型，建立与大尺度涡旋的关系对其进行模拟。亚网格尺度模型主要有：动力与代数亚网格尺度模型、k 方4浙江大学硕士学位论

31、文周平第一章绪论程亚网格尺度模型“、动力双系数亚网格尺度模型o”、可压缩流动力亚网格尺度模型o“。大涡模拟还处于工业应用的起步阶段。工程应用中一般采用雷诺时均法，其中以k 一占双方程模型以及它的各种修正模型应用最为广泛。1 4 3 气固两相流动模型综述流动时间(停留时间)r f=叫扩散驰豫时间r=d；瓦1 8 平均运动驰豫时间o=T r ll+R e；3 口；l脉动时间T T=上：兰碰撞时间r，=“j=(c 厅#)。1：)1其中R e P=l D u p l 以”根据上述特征时间的比值所组成的各个准则，可以定性地判断几种极端情况下的流动类型：T r，f，01 为无滑移流(平衡流)、T r I

32、f，口l 为强滑移流(冻结流)、T r z T01 为扩散冻结流(可忽略颗粒湍流扩散)、叶口1 为扩散平衡流(颗粒扩散等于流体组分扩散)、0 l f P01 为稀疏悬浮流、T r l f P 口1 为稠密悬浮流。可以看出r 一o 口，以V)(以)，其中以为颗粒相的体积分数。表1 4 1 颗粒相模型；黧兰蒸麓篓竺兰翌竺兰竺絮擞磬亲繁不考虑有嚣无c h=q=五=o，扩散冻磊-j 鬲历厚一无滑篓磬州8 鬈部分地考虑蒜嚣欧拉引h2 黼，2，各种模型都是由不同角度对真实过程所作的近似和简化。不同模型使用范围大致取决于颗粒相相对浓度(体积分数或质量载荷比)和几种特征时间之比。这可以定性地用表1 4 2和图

33、1 4 1 来加以表示。浓度极低(丸极小)和相对滑移量很大(f，。f，很大)时为颗粒冻结流简化模型区。砟和。r，稍大些的区域为单颗粒动力学简化模型区，这时颗粒浓度仍相当低，相对滑移量仍相当大(颗粒尺寸较大和颗粒R e y n o l d s 数较大)，因而颗粒对流体作用可忽略，但已考虑流体对颗粒的作用。处于中等的砟和f，f，值的大部分区域是完整两相流模拟区其中又可又可分成较大的r，叶值与较小的。值(即扩散相对较小和颗粒浓浙江大学硕士学位论文周平第一章绪论度偏小)的确定轨道模型区，较小的r值与较大的妒。值的随机轨道模型区以及拟流体rrT区。随机轨道模型区中有一部分和拟流体模型区重叠，后种情况意味

34、着，在足够大的妒。及足够小的f。f，的范围内，两类模型均适用。当颗粒浓度屯相当大而0 1 肛r 又较小时，即稠密两相流而又滑移量不大时，为拟流体模型区，这时轨道模型不适用。在极小的r 肛，(滑移量趋于0)的范围内则为无滑移或单流体简化模型区。即两相平衡流区。衰1 4 2 颗粒相模型适用范围圈I 4 1 颗粒相模型适用范围圈示墅垫塑苎翌生!塞立!二l(王量王l !。冻结流一极大一一最早期(5 0 年代至6 0 年代初期)的单颗粒动力学模型是假设颗粒对流场无影响，考察已知流场(通常是均匀的速度场和温度场)中颗粒的时平均或对流运动的轨道，以及颗粒速度及温度沿轨道的变化。这是一种极端的简化模型。N 6

35、 0 年代后期及7 0 年代初期提出了两相流的单流体模型或无滑移模型 2 4 1，即颗粒相与流体相达到动力平衡及热平衡，认为空间到处颗粒与流体时均速度与温度相等，颗粒扩散则相当于流体组分的扩散(扩散平衡)，把颗粒与流体作为统一的流体来加以研究，这是另外一种极端的简化模型。由6 0 年代质期开始，s L S o o(苏绍礼)开始提出用多相连续介质即颗粒群的小滑移模型”来描述两相流，其中对稀疏悬浮流虽忽略颗粒对流体的作用然而对颗粒则由单颗粒的描述过渡到颗粒群拟流体概念，只考虑颗粒群集体速度与温度，承认颗粒与流体间的滑移，但认为颗粒的滑移与其扩散溧移是同一现象的两个方面，可称为“小滑移”模型，这是建

36、立较完整的两相流模型的开端。由7 0 年代中期以后逐渐发展了更完整的两相流模型，即完整地考虑相间速度与温度滑移(包括非起源于扩散的大滑移)，颗粒扩散，完整地考虑相间耦合，包括质量，动量及能量间耦合，特别是颗粒对流体的作用，以及颗粒反应的模型，其中又主要分成颗粒相轨道(包括不考虑相间紊流扩散的颗粒群轨道模型和考虑相间紊流扩散的随机轨道模型)模型(前者般采用单元内颗粒源法(P a r t i c l eS o u r c ei nC e l lM e t h o d 2”，简称P S I C 法)求解，后者一般按照M o n t e-C a r l o 法求解)及颗粒相拟流体模型两大类。颗粒群轨道

37、模型的基本思想是：在L a g r a n g i a n 坐标系下考察各组颗粒群沿各自轨道运动、质量损失及能量变化过程，在欧拉坐标系下处理气相场，由颗粒群沿轨道中阻力、蒸发、挥发或燃烧产生颗粒群速度、温度、尺寸变化作为质量、动量及能量源加入气相场中成为气相与颗粒相之间相互耦合。在用L a g r a n g i a n 法描述颗粒运动时，由于只考虑颗粒沿自身轨迹互不干扰的运动，并认为沿轨迹颗粒数目不变，这就意味不考虑颗粒的湍流扩散效应。因此必须进行修正。一类是认为的加入漂移速度鲫或漂移力的概念，另一类是用随机的方法来处理颗粒的运动*随机轨道法，是在计算颗粒的随机轨道时考虑气相脉动随机速度对颗

38、粒运动的影响。采用随机轨道模型。一般假定气相速度脉动各向同性并符合高斯分布，以气相湍流脉动速度的平均平方根值为基础，给予不同的随机数以达到模拟颗粒的湍流扩散特性。浙江大学岑可法，樊建人等认为一般的随即轨道模型未能考虑到各个湍流涡团的不同的脉动频6浙江大学硕士学位论文周平第一章绪论率、频谱、振幅和方向性而仅以气相湍流脉动速度的平均平方根为基础而提出了脉动频谱随机轨道模型【2 8 l，用随机傅里叶级数来模拟气流的湍流脉动速度。颗粒拟流体模型的基本思想就是把颗粒群看成是与流体互相渗透的拟流体它可以较完整的考虑颗粒相的各种湍流输运，可以用统一的数值解法处理两相流问题，模拟结果能够给出颗粒相空间分布的详

39、尽信息，并且易于和试验数据对照。发展拟流体模型的关键是颗粒相湍流模型。到目前为止，建立双流体模型颗粒相基本方程及其紊流模型主要有两种途径：一是用雷诺平均建立颗粒连续、动量、能量颗粒素流动能和雷诺应力方程，并采用类似单项紊流模型的方法加以封闭；另一途径是，应用概率密度函数建立概率密度(P d f)输运方程进行统计平均或质量加权平均，建立紊流两相流动的连续、动量、能量雷诺应力或紊流动能方程，并加以封闭，构成两相紊流模型。1 9 7 0 年，H i n z e-T c h e n 基于局部各相同性紊流脉动，提出以颗粒追随流体脉动概念为基础的代数模型(H i n z e-T c h e n 公式)，简

40、称4。模型。把气相k 一占模型与爿。模型合称为 一占一一。模型 2 9 J。按此模型颗粒的湍动能k。恒小于流体的湍动能k，且颗粒尺寸越大，k。k 越小。对此，1 9 8 7 年，L x Z h o u(周力行)提出了建立颗粒湍动能七。的方程，构成k 一占一k。模型p w。该模型认为颗粒湍流动能不仅取决于当地气体湍流的作用而且取决于其本身的对流，剪切产生和扩散，因此一定情况下在流场的某些区域颗粒脉动比气体的强。由于两相紊流是各向异性的，为此周力行等人从两相各自的瞬时及时均方程出发，导出了两相各自的雷诺应力输运方程和两相脉动速度关联的输运方程而建立了统一二阶矩(U S M)模型。对于第二种途径，李

41、勇、周力行等通过研究紊流两相流动的瞬时量与脉动的P d 瀚运方程，建立了两相紊流k s 只矿模型p 2 J，该模型对流体相紊流采用k 一占模型而用P d f 模型来计算出颗粒相各方程的脉动关联相；而后又提出了气相雷诺应力方程模型和颗粒概率密度输运方程相结合而构成的D S M 一蹦两相湍流模型p 3 I：此外文献口4 1 应用P d 蹦运方程，建立双流模型基本方程把联合概率密度函数(P d f)辅运方程用于气相和颗粒相模拟两相紊流流动，封闭两相紊流模型。1 4 4 气相湍流燃烧(反应)模型综述燃烧现象是物理与化学过程相互作用的结果。由于燃烧反应的速率不仅与化学动力学因素有关，而且还与反应体系内质

42、量和能量的输运有密切关系。这种输运取决于系统的宏观运动(可燃混气的流动)以及系统内微观运动(分子热运动)所引起的热传导和扩散现象。在实际燃烧过程中，燃烧速率往往受控于某些物理因素。因为在燃烧系统中燃料和氧化剂的浓度足够大，气温温度又很高-若混合均匀，则化学反应速率可能很大，但如果混合不均匀，混合或扩散速率相当慢时，则燃烧速率实际上取决于扩散速率。这样许多物理因素如混合气体的速度分布、流动情况、燃烧设备形状和尺寸、紊流与局部扰动情况、分子扩散与涡旋扩散情况以及系统内热量分布等。都对燃烧速率有很大影响。对于混合气扩散速度比化学反应速率低得多的燃烧过程称为扩散燃烧。相反对于混合均匀的气体。如果化学反

43、应速率比扩散速率小得多的燃烧过程称之为动力燃烧。若化学反应速率与扩散速率相当，则可称之为扩散动力燃烧。扩散燃烧主要受扩散、流动和其他物理混合过程的控制。而动力燃烧主要受化学动力因素支配扩散动力燃烧则是化学动力学和物理混合因素同时起支配作用口”。一般来说，凡是燃料和氧化剂未预先混合的燃烧过程称为扩散燃烧，该火焰称为扩散火7浙江大学硕士学位论文周平第一章绪论焰。S p a i d i n g 于1 9 7 1 年提出了预估紊流扩散火焰的k w g 模型，后来演变为k 一占一g 模型圳，其主要思想是，采用紊流k s 模型来描述紊流特性，燃烧按简单化学反应系统和快速反应假设进行简化，建立厂和g，混合分

44、数，是脉动的t 是一个随机变量，可采用一个适当的概率密度函数p(f)来描述厂的脉动性质，如果P(f)已知，则各标量的时均值都可求出。一般P f 厂)是未知的，确定方法有两种：一是直接建立以P(m)输运方程，找出p 矽的分布形式，即概率密度分布函数输运方程模型田J；另一种方法是根据对紊流脉动的设想事先给出P d r 分布形式，即简单概率函数模型或简化的p d f 模型。典型的p d f 函数有：城墙式(B a t t l e m e n t)或方齿形分布、截尾正态分布概率密度分布函数(C l i p p e dN o r m a lD i s l r i b u t i o n)、B e t a

45、 函数形式、联合概率密度函数等。燃料与氧化剂在进入火焰区之前已经均匀混合的火焰。称之为预混火焰。关于紊流预混燃烧反应速率计算模型，最早是S p a l d i n g 提出的旋涡破碎模型唧(E d d yB r e a k-U pM o d e l，简称E B U 模型)，其基本思想是：把湍流燃烧区考虑成末燃气徽团和已燃气微团的混合物；化学反应在这两种微团的交界面上发生；认为化学反应速率取决于未燃气微团在湍流作用下破碎成更小微团的速率；认为破碎速率与湍流脉动动能衰变的速率成正比。由于该模型微考虑温度对化学反应速率的影响，M a s o n 等人又提出T E B U-A r r h e n i

46、u s 模型p 坩。1 9 7 6 年，M a g n u s s e n提出了涡团耗散模型I*0 1(E d d y-D i s s i p a t i o n M o d e l，简称E D M 模型)，其基本思想是：当气流涡团因耗散而变小时，分子之间碰撞机会增多，反应才容易进行并迅速完成，故化学反应速率很大程度上受紊流影响，而且反应速率还取决于涡团中包含燃料、氧化剂和产物中浓度值最小的一个。该模型反应速率取决于紊流脉动衰变速率“七，并能自动选择成分来控制速率因此该模型既能用于预混火焰，也能用于扩散火焰。但它只适用于快速反应的化学反应，为此，1 9 7 8 年M a g n u s s e

47、 n 等人有提出了修正的E D M 模型j，其主要思想是：当反应物气团能以分子尺度进行混合，并且温度又较高时，化学反应才有可能发生。在紊流中，分子尺度混合与紊流中最小尺度有关，这个混台过程与紊流能量的消耗过程相似。在紊流中涡团耗散不是均匀分布而是集中在高度拉伸变形区域，在这些耗散区内充满了其特征尺寸与K o l m o g o r o v微尺度同数量级的小涡团，称这区域为细微结构(F i n e S t r u c t u r e s)。1 9 8 1 年，M a g n u s s e n又提出了涡团耗散概念模型1 4 2 1(E d d y D i s s i p a t i o n C

48、o n c e p t M o d e l)。该模型的出发点是化学反应由两个区组成：一是在紊流微细结构中分子间很容易碰撞，发生化学反应，此时化学反应受化学动力控制；二是在微细结构的周围较大涡团区域内，含有不同成分的涡团必须混合后才能进行化学反应，混合所需时间比化学反应时间长，因此受混合速率控制。E D C 模型较适用于那些反应速率较低的化学反应。在紊流燃烧模型研究中，为了使基本方程得到封闭，需要模拟平均化学反应速率。还可采用紊流燃烧关联矩模型m】(平均反应速率输运方程模型)、概率密度函数反应速率模型m l或二阶矩概率密度模型m 1 等有限反应速率模型。1 4 5 辐射换热模型综述辐射换热过程有

49、其特殊性。燃烧装置中火焰的热辐射与火焰中介质的温度以及介质的辐射吸收、散射能力有关，而介质的辐射、散射能力与辐射波长有关。燃烧空间中任意一点对空间中其它任一点都有辐射作用，燃烧装置的壁面通常对辐射有反射作用。炉膛内的温度很高，炉内高温火焰和水冷壁之间的传热以辐射换热为主占总换热量的9 0 左右。常用的计算辐射换热的方法有热流法(热通量法)、区域法、蒙特卡洛法(又称概率模拟法)、离散传播方法；还有用数论方法模拟辐射换热。自从1 9 0 5 年S c h u s t e r 提,m x 2 通量模型【4 6】以来，目前已经发展到能应用于多维空间的四通量、六通量模型【4 7 l。浙江大学硕士学位论文

50、周平第一章绪论区域法通常又称H o t t l e 法J。其主要原理是将求解空间划分为若干体积区域，将四周壁面划分为若干面积区，并假定任一区域(体积区域或面积区域)的温度和辐射性质都均匀一致。区域法在原理上是好的。但由于计算工作量巨大，实际上只能把燃烧室分成较少的大区域。目前区域法未能广泛应用于燃烧室传热过程的工程计算中。蒙特卡洛法(M o n t e C a r l oM e t h o d)也称概率模拟法，这是一种求定积分的数学方法，具体应用到辐射换热的计算中I，便是对各微元体的吸收情况作概率模拟计算，而不需对各能束射线沿途计算辐射能量被逐步地吸收和透过的情况。其基本思想是：把燃烧室分成若