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行业新闻

达冠新型生物质燃烧机中风机的数值模拟

达冠新型生物质燃烧机中风机的数值模拟

摘要:随着计算机技术和计算流体力学(CFD)的发展,利用CFD来研究生物质燃烧机内部湍流,化学反应等复杂流动现象,为设计定型提供了有力的参考依据,尤其在生物质燃烧机技术方案论证及优化设计中起着越来越重要的作用,通过建立生物质燃烧机的流体动力学模型,并利用计算FLUENT软件,对低压大气式生物质燃烧机引射器内部的流场、温度场与浓度场进行模拟分析,为初步设计生物质燃烧机提供了各项技术参数,有助于生物质燃烧机设计的改进,减少实验的工作量.

    讦算流体力学(Computation Fluid Dynamics,简称CFD)是一门年轻的科学,但却有很强的生命力,展速度很快,高速发展的硬件技术是计算流体力学的基础,需要和应用计算流体动力学发展的动力,而FL UENT是目前国际上比较流行的商用计算流体力学软件包,它具有丰富的物理模型、先进的数值法以及强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用,

    本文选择相对简单的民用燃具大气式生物质燃烧机的引射器作为研究的目标,利用FLUENT软件,建立生物质燃烧机的流体动力学模型,并对低压引射式大气式生物质燃烧机引射器内部的流场、温度场与浓度场进行模拟分析,为初步设计的生物质燃烧机提供各项技术参数,从而为进一步研究大型生物质燃烧机打下理论和实践基础,并且将CFD与生物质燃烧机研究相结厶,不仅有助于燃烧器设计的改进,而且能减少实验的工作量,可以说,CFD是一种有效和经漭的研究手段.

1  引射器

    低压引射式大气式生物质燃烧机是应用最广泛的燃气生物质燃烧机,由于其燃烧所需空气是靠燃气的高速射流吸入,不需要动力设备,且生物质燃烧机引射空气的能力在一定范围内只与生物质燃烧机的结构有关,而与生物质燃烧机的工作状况无关,既空气引射系数不随负荷的变化而变化,因此大气式生物质燃烧机一旦设计合理,就具有燃烧空气自动调节、燃烧完全、燃烧效率高、烟气中污染物排放量低等优点

    引射器是生物质燃烧机的关键部件之一,它是利用射流的紊动扩散作用,使不同压力的两股流体相互混合,并引发能量交换的流体机械和混合反应设备.

2  引射器的数值计算

    本文选择I型生物质燃烧机,工作流体为甲烷,其额定压力为800 Pa.引射流体为空气,其压力为标准大气压力.

2.1控制方程和湍流模型

    采用尼  £双方程模型来求解湍流扩散问题,标准k  e模型自从被Lau nder和Spalding提出之后,就成了工程流场计算中的主要工具,它具有适用范围广、经济及合理的精度,它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的,使用尼£湍流模型解决湍流问题时,控制方程包括:连续性方程、动量方程、组分运输方程和k  e方程【2].

    为了简化实际问题,便于分析,在建立数学模型前对引射器的气体流动先做了以下假设:

    (1)引射器内气体滴足牛顿内摩擦定律,为牛顿流体;

    (2)流体温度为常温密度可视为常数;

    (3)由于燃气压力为800 P凸可视为不可压缩性流体;

    (4)引射器内气体的流动形式为稳态湍流;

    (5)引射器壁面上满足无滑移边界条件,

    从网格构造来说,可分为结构化( Structures)网格、块结构化( Block-s truct ured)网格及非结构化(U ns tructured)网格三种,由于引射器的几何结构是对称的,为了减少计算量,选用其结构的一半建立方媛嫒等:方低压大气式生物质燃烧机中引射器的数值模拟模型,

    在进行网格划分时需要注意的问题是,如果网格过密,计算量太大,一般计算机内存难以满足要求;网格过于粗大,难以收敛[ 4].如图2所示,本文对引射器进行非结构化网格划分.由于非结构化网格对网格的节点没有结构性的限制,它的节点和单元分布是任意的,因此这种网格具有优越的几何灵活性,生成的网格质量较高,能够较好的处理复杂边界问题,

    本文考虑到引射器结构的不规则性,且喷嘴尺寸相对于整体比较小,局部需要加密,如图2所示,在喷嘴周围节点布置较密,其他地方稀疏因此生成网格时,喷嘴周围网格也较密,这种划分形式可以方便的进行自适应计算,减少计算量,提高计算精度.

2.3设定边界条件

    所谓边界条件,是指在求解域的边界上所求变量或其一阶导数随地点及时间变化的规犁a.

    对于燃气进口设为压力进口边界类型,To talpressure(全压)设为512 Pa.物质组分甲烷为1,设水力直径为9. 67 mm,

    空气进口设为压力进口,T otal  pressu re(全压)设为0 Pa.物质组分氧气为0.21,水力直径为2 66 mm;

    模型出口设为压力出口,静压设为1.7P岛水为直径为15 mm.

2.4模拟结果分析

    对于低压燃气可忽略其可压缩性,燃气热负荷Q=2 8 kW,燃气热值H/= 13 423 KJ/m3,喷嘴流量系数弘一Q 8,如文献1(P160-161例7—1).通过理论计算所得的值与模拟值对比如下表所示:

    可以看出模拟数值与理论计算误差很小,质量流量相对误差不到2‰所以验证了本模拟的可靠性,

    对引射器进行数值计算,其结果如下,其中引射器轴面上的速度矢量分布如图3所示,

    如图3所示,燃气以一定的速度进入引射器,燃气靠本身的能量吸入一次空气,在混合管中,燃气和空气进行能量和动量的交换,混合趋于均匀,速度趋于稳定,两者混合均匀后经扩压管流出,从上图中,可以明显看到两股流体掺混得过程

    由于在混合段的流速达到最大,由公式Pt,tal-Pstatic+寺Py2,总压一定,V增大则静压减小,如图4所示,所以混合段的静压最小,在喉部到混合段末端(555~580 mm)之间,由于管径没发生变化,但是由于燃气和空气进一步交换能量,致使能量进一步损失,静压到580 mm处静压达到最小,而在扩压管段,压力又逐渐恢复,到引射器末端,也就是压力出口处,静压恢复到1.7 Pa左右,以克服气流在燃烧器头部的阻力损失,

    引射式生物质燃烧机具有自动调节的特性,即生物质燃烧机的引射能力只与引射器的结构有关,而与生物质燃烧机的工作状况无关,空气引射系数不随负荷的变化而变化,

3  结论

    (1)通过对理论计算与实验对比,验证了数值模拟的可靠性,为进一步优化引射器打下基础,有助于生物质燃烧机设计的改进;

    (2)对模拟出的速度场、压力场进行分析,为初步设计的生物质燃烧机提供各项技术参数;

    (3)验证了引射式生物质燃烧机具有自动调节的特性,


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点击次数:  更新时间:2017-06-06 22:05:58  【打印此页】  【关闭