余热锅炉进口烟道流场模拟报告(杭锅？)

1、余热锅炉进口烟道流场模拟报告杭锅？1刖言为了分析余热锅炉前部烟道（从炉前水平烟道进口到余热锅炉内高压过热器 管束出口的这一段烟气流通区域） 内的烟气流动和换热情况，在大型流体力学计 算软件FLUENT-CF开发平台上进行了数值模拟工作，得到了这段区域内的烟气 速度和温度分布。2模拟对象的几何建模和网格划分如前言中所述，数值模拟的对象为余热锅炉的进口烟道， 包括燃机出口，锅 炉进口烟道和高压过热器管束换热区这三个部分，其整体几何模型如图 1所示。 其中图中深绿色区域为高压过热器管束。图1模拟对象的整体几何模型在建模过程中，对高压过热器换热模块进行了合理的简化，将原来的管束结构简化成相同外形尺寸的

2、长方体，这主要是为了配合使用porous media model（多孔介质模型）。在完成几何模型的建立后，使用gambit软件对其进行网格划分，整个模型共划分网格数约为 60万，网格划分情况如图2所示图2模型网格划分情况(2)(2)3数值模拟方法3.1控制方程及求解方法将烟气的流动视为三维稳态定常流动，采用标准 k- &双方程模型，该模型的 控制方程组如下：连续方程：亠（山）+v）.x:y ( :?w 0.'Z(1)动量方程:L'、rL、u ( uu) (vu ) Wu =)x: yz:x:x(2)（Zv）（Zv）c、wv）（%芒）厶（讥兰）:x：y；z；x丄（止）（九

3、亠）上（九兰）.:z ；z ；x ；:y ；y :y:：Xjy纠丄（:w：p）_一 Zy :y-Cle：w）： C.x:xy（"uw）（vw）（ ?ww）二:xyzii） ） -V）宀二）:zz x z y: we 丿：y渝、 dp:z _7x湍动能k方程:aaa（：uk） 亠（vk） 厶（wk）-:x为-z上（丄兰）G小z - k :z湍动能耗散率；方程:L、L、L、严严严（：u ；）亠（：'v ；）亠（W ；）=:x:y:z（）（C1Gk-C2 ：；）:z z亠（丄二）:XX亠（丄二）纠二-y其中:烟气密度；u,v,w分别为X, y, z坐标方向的速度分量;p :压力;:

4、湍流动能；：湍流动能耗散率；-e :有效粘性系数;Gk :湍流动能剪力产生力,Gk 二 JT于2-廿/JT :动力粘性系数,T Cu k / '；方程中的常数Ci=1.44, C2=1.92, Cu =0.09由于问题中还涉及烟气与过热器管束的换热，所以还要引入能量方程。在数值计算过程中，上述方程的离散全部采用一阶上风格式，并选用SIMPLE算法来处理压力场和速度场的耦合。3.2选用的特殊模型为了模拟高压过热器换热管束，引入porous media model，即多孔介质模如前所述，在建模过程中将高压过热器换热管束简化成了长方体区域，现将该区域定义为多孔介质区，并设定内部阻力系数和单位

5、体积能量源项。 该模型不 仅可以模拟烟气流经过热器管束时的压力损失和换热情况， 还能通过设定多孔性 （定义为多孔介质区流体的体积分数） 参数来反映管束区流通截面缩小引起的烟 气流速的增加。其中多孔区域的设置如表 1所示。表1多孔区域参数表模型进口烟温（k）模型出口烟温（k）烟气流量（kg/s）高压过热器 内换热量（MW流经高压过热器后烟气压降（Pa）84376039432.6945753.3边界条件的设定将模型进口即水平烟道进口设为速度进口， 并根据燃机公司提供如图3所示 的进口截面速度分布情况进行赋值。 模型出口为压力边界。近壁面处的区域采用 标准壁面函数来处理并设定相应参数G-.Aug-U

6、 comfOmntuITEFt -902LOCAL 7S48 LOCAL MN- -X7A67455 ZU £3 SS 470( AZ D436 35 DET1915 1J41 ?.(tbi1.M4NOTE：The HRSG theAAshall con side i velocity indicalOut let of Exhaust Diffuser)图3燃机出口速度分布图3.4烟气物性的处理由于在flue nt软件的物性数据库中并没有烟气的各项物性数据，而且在该 问题中还要考虑到物性参数随温度的变化，所以采用自定义的方法来处理。根据已知的烟气成分将烟气的密度 p，比热Cp,动力

7、粘度卩和导热系数入 这四个主要的物性参数定义为温度的多项式函数。4数值模拟结果分析数值模拟的主要目的是为了考察这段烟道内的温度和速度分布情况，所以下面就分别从这两个方面对计算结果进行分析。为了能比较清楚地说明问题，选用了最有代表性的几个截面处的温度和速度 分布图来进行分析对比，选用截面的位置如下图 4所示。图4所选截面位置示意图图510是 Y 0和Z= 0两截面上的模拟计算结果，此两截面为整个模型中心，所以从中可以看出研究段烟道内的温度整体分布情况8Oe+2S3ee*023 53*02日a 1Be+<l2 乱 1302 首込*也 弓如粧 7.8W+Q2 7狂吨 T.SJrHK 7.S3B

8、+C27 77*2 7T2*ffl 7 57rH33 7.52KG 7.57e+<12 丁空啦7打网2丁0低5 20+0144 53fr+m4 20*01 3Mr+0l3 53&*01 1200401 iBte+CM1 BSfr+QIft込剜 1i»+0i 枚goo5 ?4t*W 1> 8W+001 400Y./SefOO .13fri-D01.1iSft+-fr1图5Y = 0截面温度场 K图6 Y = 0截面速度场 m/s&5Sc*0i“i«+on357#<h52»+CHi3»*Qrt1 B3»+O11 w

9、+cn 7W*Q04 41*Qd &37#J31-2.54&*0C-6.Dte*0QP.420O1如011冃如QI图7Y = 0截面速度矢量图8Z = 0截面温度场 K 4#7f*p1I 4SSr« D1 I直如們 3-B5#*D1 in-SfrDI 'XU诃 JS&r-gi 才dni ilvfaDIf Wf+P1 mi wi*ni$叶R u 帀 * 45*00-MHDt*»«OI 4 9101-4 2K*#O13-22irf>1 沏lCIHto-©ii SCn11 M»-OI+41»H»

10、;9 3r»>CH屯01D£9e*001X*01 -1厝切图9 Z = 0截面速度场 m/s图10 Z = 0截面速度矢量1 心 *01从图中可以看出，由于余热锅炉进口烟道中无吸热部件， 从锅炉进口到进入 高压过热器之前的这段区域内，烟气的温度没有发生变化。在进入换热区之后， 由于烟气放热，其温度有了明显的下降。换热区内的温度分布层次鲜明，反映出 了温度由高到低渐进变化的过程。另外，整个换热区内的温度分布情况都趋于一 致，可见烟气与高压过热器管束之间的换热是比较均匀的。在出了换热区域后， 烟气的温度基本不再变化。在速度方面，由于燃机出口，既锅炉进口的烟气速度不均匀，使

11、进口烟道中 存在明显的速度梯度。在烟道高度方向，由于流通截面积迅速扩大，高速的烟气 扩散能力差，所有存在上下两个回流区。在烟道水平方向，由于流通截面积未扩 散,没有回流区。烟道进口中心的回流区是燃机公司提供的回流速度造成的。当 烟气到达高压过热器（既多孔区域）时，由于烟气速度越高，所受阻力越大，反 之阻力越小。根据力学平衡原理，高速烟气必将进行分流，使烟气在高压过热器 中所受阻力趋向相同，图中模拟结果与此理论分析相吻合。B.43e«O2S33e+<KB.2fle*re B 23*0?®13e*<ra ».Q8*W SD3«*O2F 92etO

12、?7.07#*O2S2o”(n4 87eDJ-4 79+00七i3e+aa z -tlSe+OI- x -1 40e+O11 eae*oi1 S3etD11 i9e*0iS 24#+DO 1如00 -1 45e+0Q图11 X = 10截面温度场 K图12 X = 10截面速度场 m/sr.82e*O2 ?J7e*O2 r.72e#ffi! ?.B7e*O2 布 2C+W ?.S7e<K2 7.52*02 ? *7e*0? ?2e*O0505e+Q1J79e401J52e*01J26e*01a SBe+ai320e+01293e+01267e+012 40&+012.146+01

13、1 87&+011 61e+011 34e+011 07e+018.096+005448+00373b+01 a 46b+012.709+00532?+Q11 34e-01.I-图13 X = 10截面速度矢量图图1113是高压过热器进口截面模拟结果。在高压过热器进口截面将有一 部分高速烟气流向低速区域，所以此截面上的速度分布比较复杂，如图13所示。 由于惯性作用，截面各处烟气速度数值仍存在差距，如图12所示。烟气速度分布的不均匀造成吸热不均匀，吸热不均匀又造成烟气温度的不均匀，如图11所示。B.16e*O27 70?*027.308*027757e*027 50t*027 43#*0

14、28.36&*-D2 W30 严 0?S.03e*O27.9St0i27.SOb<-027S3eO27£3e+0(2 Z7 J7efrO2y 字7lOe*O2487e+014 53e*01A 20e+013 6fc+01363e+013? S6&+CT1253+0121&e*O11 86e*O1t S3*011 l9e*015 2Qe*-01d.15e*3V -1,4Sr*C18 SSeOO5还心T 89e*00-1 45«*00-47&e+Q0ai3e+0D图14出口截面温度场 K图15出口截面速度场m/s5 31*4014.Me+D1 4.61 e+01 4.26e+01 3.920+01 3.576401 3.22e+Q1 2.876*01 2.53e*01 2.1Be+D1 1.S3e+01 1,40e+O1 1.14C+01 7,fl9e+00 441e+D0 9.37e-01 -254e+0D -.D1e+00 9 49+00 -I.SCte+01 -1.64e+01图16出口截面速度矢量图图1416是模型出口截面模拟结果。烟气经过高压过热器时，由于前面所 分析的力学平衡，速度不均匀性将受到改善。从模拟结果上看，当到达模型出口 截面时，速