在燃烧器二次气流计算流体力学研究

1、燃烧器二次气流计算流体力学研究阿尼尔Purimetla，崔杰*机械工程系，田纳西理工大学，5014箱，库克维尔，田纳西州38505，美国2006年5月1日收到，2008年1月1日收到修订版，接受2008年1月7日2008年1月17日在线摘要在许多化石电厂运行的今天,没有一个用足够的手段来保证适当的平衡个人之间气流锅炉水冷壁燃烧器的单位。这个匹配导致降低锅炉效率,增加了二氧化碳的排放量。在这项研究中,计算流体动力学(CFD)模型,火电机组风的盒子。该模型求解三维雷诺兹平均n - s方程与k-e湍流模型。这个结果验证了数值试验数据取自1/8th缩尺模型的锅炉水冷壁化石单位。模型在各种各样的质量流量

2、、各种进口指定位置和两个开放条件下挡板的燃烧器进行。获得最优设计确定的均衡的二次气流通过燃烧器。这个研究表明,结合实验及数值方法是有效的研究工具。关键词:能源、流体力学、数值分析;湍流流动、电厂、平衡1。导言燃煤电力公司坚持以试图改善工厂的总体性能来实现最佳燃烧。虽然有许多方式，但很少有人去优化在个别燃烧器里的燃烧。在各种因素的影响中，燃烧风在燃烧器分布和煤粉气流流动盒中扮演一个重要的角色，且可以有不同的、很大的影响。目前还没有有效的方法来测量煤和空气流通率，但是公用事业行业继续接受这些性能的不足。不均匀的空气和煤流率之间的分布导致一个熔炉在当地燃料的燃烧器内丰富燃料贫地区。由此产生的非均匀燃

3、烧能使锅炉效率下降，排放增加且提高未燃燃料的水平。这些因素危害环境和核电厂营运预算。一个提供更均匀的燃烧的二次气流炉。空气加热器的污垢、方法,以及风的框槽几何的几何形状通常造成二次气流偏见1。1.1。意义对个别燃烧器平衡气流特性可以是一种单调乏味的事情。特别是在许多上了年纪的化石燃料电厂运行的今天,有足够的手段来保证适当的平衡。个别燃烧器的气流之间,特别是在单位的墙发电厂。任何偏离设计流量值在个别燃烧器将导致一些燃烧器工作在一个燃料瘦或燃油丰富的条件。所有的燃烧器平衡能带来显著的好处,包括低排放,降低NOx、过量空气,更少的辅助电源、整体燃烧效率高。1.2。文献综述最近,CFD已经被应用于电力

4、系统得到了定性以及定量的理解。在燃烧器的过程LaRose和霍普金斯2流场数值模拟计算模型的工作风盒。讨论了空气分布的影响,结果从几个风盒燃烧性能分析。最初的结果表明:燃烧器空气分布是非常重要的。一氧化碳和氮氧化物,大多数燃烧器在该地区最敏感的操作是空气流量。巴斯克3模拟湍流的气流在一个典型的锅炉 空气室片段。他的研究显示循环流动的空气室可能会导致不平等空气流动的空气室退出。一个三维仿真锅炉水冷壁管大量前面是由秋炉等4。敏感性有几个主要经营变量被认为在书房里。仿真表明，超重了二次风有中度影响炉热性能。除此之外，它的结论是次要的。空气涡流进入燃烧室具有不可忽视的影响炉性能。运用CFD仿真是由隋缪群

5、5的一个摘要单烧嘴顶置式炉上。他们关注的焦点研究是在灰汽化煤粉燃烧过程中。Vuthalura和Vuthaluru6三维燃烧模型来确定温度及热通量剖面对一个典型的效用锅炉。他们声称这些数值模型的研究或许能提高锅炉运行。在煤粉燃烧器燃烧过程进行了建模是2.5M使用两个商业CFD编码7。尽管两种编码方案有差异,但预测的速度、温度、物种集中在整体协议与实验数据吻合,表明两码都是良好的趋势预测的解决方案。这个应用程序的设计上运用CFD燃煤锅炉燃烧器低水平的氮气报告8、9。Stopford10综述近年来的一些应用CFD对发电和燃烧工业。例子包括设计、炉燃烧器燃煤李优化,over-fire空气、煤气再燃烧、

6、分层燃烧。结果表明,被确立为CFD模拟的设计工具与已被广泛应用于电力行业帮助工程师减少排放,增加热燃料效率,延长植物一生。论文总结了几种测量和控制技术的二次向内燃机内的燃料空气混合物添加空气平衡,改善燃烧,并降低排放量11-13。几个燃饶锅炉炉膛受益的单位运用“燃油喷射”的方法。现场试验结果表明:煤和空气流量监测在平衡器控制效果和较低的公司概况和氧气水平。数值计算和实验研究在田纳西州进行科技大学在锅炉水冷壁。18-火炉，设计和建造的巴布科克和威尔科克斯公司在1950年的。流量和压力测量是由卖方14在1/8th缩尺模型的空气室安排锅炉水冷壁单位。流量测量获得的环形的出口18-炉子用叶片风速表、和

7、静压分布进行了数静态压力标签上各燃烧器。压力分布的定量地跟随流程显现在燃烧器的平衡,因此,可以达到中等气流通过平衡静止压力分布。这种技术的优点在于,它可以应用在线。巴拉德15测量的流动速率、静压力和速度,在空气室缩尺模型来确定最好的位置给大众传感器,目的是为了提供数据流在空气室在线平衡。结果表明多一点流量测量需要这样的应用程序。一个数值重点分析对比实验及数值结果是由马龙完成的。1由于计算资源的限制，模拟进行了单独留在空气室和相关的管道。撰文提到，从实验数据收集。可以用来调整CFD模型，它可以提供空气室内流的了解，以及验证实验数据。1.3。目标主要的目标是完成工作现状的综合数值模拟研究平衡的气流

8、在空气室燃烧器的锅炉水冷壁电厂。在管道系统的流程与空气室将被视为一个整体在当前的研究。以作者的最好的知识详细的试验和数值研究了二次气流平衡。这个任务包括:(1) 验证数值模型比例尺模型试验对1/8th模型15。这个质量流量在二次空气流动速度的个别燃烧器将对比实验的结果；(2) 在验证该数值模型，利用CFD方法将延伸到书房的流场的空气室获得更好的理解这样的流动；(3) (3)进行参数的研究，确定了优化设计流量平衡条件下的各种水流条件。2。数值方法就目前的研究，流利6 16是用作计算流体力学求解。空气，被认为是液体，假定为不可。质量守恒方程为：哪里是液体的密度,用户界面是笛卡尔速度分量(i = 1

9、、2、3)、xi有3个轴。重复的指数,在1-3暗示总和。雷诺的平均动量方程定义为：其中p是压力，L是动力粘度。雷诺应力的定义为：这里LT是涡流粘度，k为湍流动能，dij是克罗内克的象征。在湍流模型在这项调查是采用标准k - E模型（其中E是能量耗散率）。涡流粘度定义为：其中氯是一个常数，等于0.09美元。湍流动能k和耗散率及其E是从以下输运方程： 其中 在这项研究中，对火电厂空气室规模CFD模型，构建了实验模型图。图1是集结空气室模型图片，通过空气进入进气管道对管道，拥有15.2厘米与半径圆形，然后在分裂成两个流管。答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至114

10、0年 1129图1空气室,最终空气进入空气室通过两个入口,在以弗得前面两条肩空气室侧壁,传球通过18-炉子 空气室模型,并通过对燃烧器的空缺。图2所示，图示的锅炉水冷壁炉的数值模型设计了一个编码方案各燃烧器的标签来缓解天文数据归算的过程。利用数值模型空气室的对称的模型和水流条件,只有一半的空气室模型在数值模拟。体积网格生成与精致的燃烧器附近地区区域的边界条件。图3所示的空气室厘米的维度上模型。三个观点(左)和前,展示提供完整的描述模型。图21130 答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年图3图4图4。尺寸(cm)和特写高度精炼非结构化网格围绕锅炉水冷

11、壁燃烧器。图4显示的尺寸和燃烧器和特写高度精炼非结构化网格围绕锅炉水冷壁燃烧器。有13个时段测量3.8-cm长和宽、彼此间隔1.6-cm 2.2-cm分开在每个燃烧器。这个相对较小尺寸的燃烧器附近开,必须妥善处理需要很多计算节点相比,体积大开,风的导入盒子。结果有大约1 106四面体网格元素。在进口、质量流率(实验中一样),规定为1.0139公斤/ s的宽广的案例,1.1828公斤/ s对半开。静压是零相关规定,所有的网点。一个no-slip边界条件征收的所有表面和零正常梯度的变量在对称面。在目前的研究中,所有的数值模拟是5000迭代次数和迭代求解的后遗症通过对四种腐朽数量级。所有的经营为基础

12、进行Pentium4工作站用1千兆赫单一处理器和大约30小时的计算时间是每个案例质量流量的比较为三个不同层次的网格细化表11132 答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年网格独立是指融合从流体力学计算得到的解决方案是独立的网格密度。在实践中，网格独立是格表示，在进一步完善的产出只占很小，在数值解微不足道的变化。在目前情况下，全三维风流区盒子网状网格密度三，在模型的结果是597141，1030270和1592568细胞。表1是计算的流量在每3个不同层次的网格加密刻录机比较。从表1有人认为，经过改进的网格一定水平，即增加了四面体从1030270细胞到15

13、92568，解决方案是几乎不敏感。因此,解决了网格1,030体积元素,被认为是足够270个不同流动模拟。3。实验结果和代码验证在考虑了蓄热式加热炉18-burner 锅炉水冷壁单位(图5)。一个1/8th 空气室本身的规模构成和内部结构的实际空气室中发现,如t型、平面困惑考虑了同样比例模型。该模型是由丙烯酸薄膜。主体的采用丙烯酸管燃烧器被建造。插槽被切成燃烧体内控制进口次要的附近的气流。为了控制进口截面,一套构造和了该模型可使用了一柄之外。通过对模型的气流引起了30点离心吹风机和控制的一种方法变频驱动10。流量测量个别燃烧器,通过在不同条件下使用的组合要么半开、开放的滑动器的设置,以不同的高压

14、离心吹风机。一幅画的物理模型和半开的设置是睁着如图6。它被发现的原型和规模的空气室展示其垂直midplane对称性。实验测量也证实了几乎是对称的流动辗扩过程。这是一种常见的数值模拟,利用几何对称减少大小的问题。在这项研究中,这种做法是采用,只有一半的原型模式被认为是在该数值模型(看无花果1和2)。对称性边界条件对垂直辗扩过程,因此范围的整体模型减半。这也决定一般稍不对称的实验数据,对对称平面的平均数据将用来验证了数值数据。图7显示的数值计算结果的比较与试验值的空位。它可以清楚地看到,这一趋势的质量流量(生产商)变化都是相似的数值与实验结果,显示数值模型能较好地再现了流量分布.图5答：Purim

15、etla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126-1140 1133图6在测量。然而,相当大的差异存在于3和8。燃烧器这样做的原因在这一阶段的差异尚不明确的数值模型预测以来是相当不错的流量其它的七个燃烧器,一个可能的原因是某些局部流动现象进行了实验。由于没有纳入到高度各向异性CFD计算,这两个燃烧器附近流动的动荡模型。总的来说,这个协议是相当合理。验证的开放后的分布情况,对半开的案例是次要的气流相比与实验结果10。一个图对比试验与数值计算的价值的价值。生产商在图显示。一个好的协议,数值计算结果与试验的结果可以看出,如图8。它应该指出,这个宽广的病例总数是小于半开的情况吗(1.0139公斤

16、/ s和1.1828公斤/ s),从实验结果完全相同的条件下进行的,更好的协议后,情况并非由于半开的流量之间的差别。从无花果。7号和8号,它能被观察到的数值计算的情况有一个更好的协议半开与实验结果比较时,本协议的结果为宽广的案例。而且静压分布在9个门市获得空位,半开的病例。它是观察到条件下的半开放的燃烧器港口的压力损失是相比更高广开放的端口。为了满足质量守恒、速度通过每一个个体远远的燃烧器情况,因此对半开更高的压降。应该指出数字和实验结果显示出更好的流量之间的平衡当这个港口是半燃烧器比敞开开放,这是由于这样的事实,即当港口半开放、压差是微不足道的燃烧器的总压损失整个管道和空气室系统,从而更均匀

17、流场分布在燃烧器被实现。 1134 答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年图7而对于宽广的案例,因为总压损失在整个系统较低、压差在燃烧器和流动成为更深远的平衡是比在半开的案例。因此可以推断,利用CFD方法包括建模和网格是有效的。因此被用来作为求解作业车间调度问题的平衡二次空气流动。利用CFD模拟也提供详细信息的流场内部的管道系统和windox。创建一个初步评估一般航测作业是相对应的空气室包括入学空气室区域。这架飞机是位于中间的空气室,即从每个墙12.1厘米这是24.1-cm切断所有的每个燃烧器的空缺。图9所示的轮廓速度这架飞机是震级为宽广的案例。它可

18、以观察到第二，它的空气加速出口管道系统和席卷前面的空气室。此外,它可以看,网络流量有些约束的更直接进入上部层燃烧器比传播出去。作为二级空气进入燃烧器开放,逐步提高流速即可观察。一个非均匀分布的可观察到二次气流的高度上游流动。高速度的体积流量被发现在入口处的空气室从管道系统。虽然燃烧器的一、迎面而来的直接撞击地区流量、流量通过一、炉燃烧器比通过2至5。这个建议很复杂流场空气室里面,需要进一步的研究,提供在图10。流动方向和艾迪地层中可以清楚地看到pathlines表示。图10a显示pathlines速度大小的色彩。一个明显的地区被创造出来的上游的挡板。一个倒流就可以清楚地看到流的一样好。看两图p

19、athlines轮廓和速度分布的色彩,一个小的艾迪之间第1和第2和燃烧器在四到五可以观察到的现象。从这些数字来看,我们可以得出这样的流量分配的燃烧器是强烈而受影响的进口质量流量、燃烧器开放条件下,与挡板的位置。图显示详细的观点。10b pathlines燃烧器1-3周围。1在直接击燃烧器的流量与空气进入燃烧器主要通过顶部和底部的一部分,左的燃烧器。同时,对燃烧器答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年 1135图8图9大部分空气穿过顶部和底部的一部分。三是位于远离燃烧器流有更多的时间来调整自己,空气通过槽几乎一样。图显示pathlines相似。10b)

20、4-6围绕燃烧器。主要的区别是更多的空气进入燃烧器比5的右侧烧2。图显示pathlines燃烧器。贵公司7-9周围。这三个燃烧器属于第三排和他们1136 答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年图10位于远离了第一排和接近空气室底、流态是相当不同前两排。这三种的内部流场是很复杂的,烧没显示明显首选地点为空气穿过。4。参数研究作为密码验证完成后,确定的数值计算结果吻合较好实验的结果,给出了参数化研究调查的好处和流量。答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年 1137修改的基础上适当的平衡,在个别燃烧器二次气流的空

21、气室。利用CFD结果显示在第3部分的流动空气室十分复杂和二次流平衡是受多种因素的影响,如端口开启状态,总流量、挡板位置。一个系统参数学习才能看出流动平衡是受这些条件。这个参数研究主要包括三部分: (1)。通常的流动进入燃烧器由一个滑粘滞阻尼器。于是两个设计;另一种是燃烧不规范的二次气流进入槽：例如,全面开放的端口,或者敞开,另一个与半开放的端口。(2)第二次设计变更是将挡板。原板作为实验建立的模型模拟了,被认为是第一个折中的地位参数研究的基础上,可以看到在图2。第二个折流板的位置,是跨越消极的X方向之间的距离的一半的位置及挡板起初空气室进口的飞机。三是在位置折得到相同的距离,它将以相反的方向从

22、位置1。第二个和第三个挡板位置被认为是了解的在中等气流平衡各燃烧器。(3)三种不同的入口MFRs(生产商基于测量15巴拉、1 / 2 * 2 *生产商,生产商)。另一种方式,在二次气流的平衡是在三个不同的雷诺编号。所有的设计计算参数研究中所有的两个开放条件下,三挡板的位置,和三亚太地区业务总部。因此,共18个案件进行了审议。图111138 答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年次要的气流分布的位置与挡板最初是在进口边界指定生产商第3节中已经讨论过。因此,目前的讨论集中在进口边界条件指定的生产商和两次生产商,比较3生产商的病例。11无花果。显示对比的一

23、小部分的分布位置和燃烧器x生产商和分数在维度的生产商与挡板,对开放位置1。图12代表一个阴谋和燃烧器的位置，在x轴和分数上的维度的生产商与困惑,开放的第二的位置。相似的数据(未显示)也获得了所有的18例中参数学习。从所有的数字,它可以观察到生产商定义在进口在所有的电源插座,3质量表示。研究还表明,尽管该生产商进口是不同的,这一趋势的发展就在二次气流分布在各燃烧器保持不变。总的来说,平衡各燃烧器的气流,可观察到当港口是完全公开半开放的三个MFRs挡板,在第一、第二、第三的位置,这说明那个入口生产商已经影响较小的质量流量分布在燃烧器各自的隔板。当港口是完全开放。通过观察这些数字,优化设计了良好的平

24、衡无法确定的气流。而且,这个数字只有显示不同的入口的影响生产商在平衡二次空气流动。为了量化效果的不同位置,使条件、进口生产商,标准偏差,所有的案例进行了分析计算,是列表在表2。标准偏差值的偏差的平均值和一个完美的平衡相对应到零的标准偏差。注:几何和流量指定进口考虑开放不同于其他的案件为半开的案件。从表2级的标准偏差对于所有的宽广的案件比的标准偏差为半开的案件显示那半开放的端口提高平衡二次气流任何设计及流程。答：Purimetla，J.崔/应用数学模型33（2009）1126年至1140年 1139表2比较开放的标准偏差为例,半开的案例修改。看着的标准偏差为例,它可以半开在某一特定的生产商指定的入口,空气室挡板的影响很小的平衡中等的气流。但效果更深刻的宽广的情况下,这可能是由于相对较低的速度通过燃烧空缺,不要忘了改变挡板有较深刻影响位置之间的流动平衡的燃烧器。总体上看的标准偏差为例,它可以睁着说在第二个位置,折的最佳位置的平衡,在第三中学的气流挡板地位最高的平均值偏离了,因此是不可取的。,高等MFRs指定进口高的标准偏差分别为中观测到的两大开因此,半开的案件,可以评论说通过增加生产商