浓淡旋流煤粉燃烧器的数值模拟与改进

论文摘要

旋流煤粉燃烧器因为能够形成较大的中心回流区,卷吸高温烟气,促进煤粉的着火和稳燃,在工程上得到了广泛的应用。燃烧器内发生着多相流、燃料分解、燃烧等复杂的物理化学过程。随着计算机软硬件技术的飞速发展,以计算流体动力学为理论基础的数值模拟技术迅速发展和成熟,对于流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等问题的高精度数值预测使其在越来越多的工程中得到推广和应用。本文采用计算流体力学软件Fluent中的Realizable k-ε模型研究了在冷态工况下风道的风量分配,二次旋流风的旋流强度和位置对回流区的分布、形状及其大小的影响,总结其规律,从而达到在理论上指导燃烧器结构改进的目的。研究表明,旋流燃烧器存在较强的回流,二次旋流风的卷吸牵引作用较为明显,一次旋流风与二次旋流风得到及时的混合,在混合处湍动较为剧烈。由于旋流风的扩展特性,一、二次风在混合之后向燃烧器的外端扩展,燃烧器的轴线附近出现较强的回流,但同时也造成喷火口沿径向方向上的速度差异过大。差异过大容易引起火焰的偏移甚至分叉等问题。在实际运行中,为保证火焰的推力均匀,往往采取增大一次风量的办法,结果使得燃烧不够稳定,模拟结果与这些现象得到了吻合。在对燃烧器的热态模拟中,采用离散相模型中的拉格朗日随机轨道模型和非预混燃烧模型,探明煤粉颗粒的浓淡分离的机理和运动特点,并对流场、氧气浓度场和温度场等进行分析。研究表明起到浓淡分离途径是通过一次风道的斜面碰撞反射,颗粒浓相在内侧,进入膛体后主要分布在燃烧器接近壁面的区域附近。适当增大扩锥的角度有助于提高烟气回流的温度,但同时也造成喷火口壁面附近温度上升。通过对以上影响因素的总结,针对喷火口速度差异过大提出改进办法,并进行模拟验证。结果表明改进结构不但使得出口的速度变得均匀,而且能使颗粒停留时间增长,挥发份得以完全燃烧,固定碳的燃尽率提高15%,出口火焰温度提高130K。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 煤粉燃烧器的发展现状
• 1.3 煤粉燃烧器的数值模拟研究现状
• 1.4 本文研究对象及其优缺点
• 1.5 本文研究技术路线和主要工作
• 1.5.1 研究的技术路线
• 1.5.2 本文的主要工作
• 第二章 煤粉燃烧器的数学模型及FLUENT简介
• 2.1 物理模型
• 2.2 控制方程
• 2.3 边界条件的设置
• 2.3.1 壁面的处理
• 2.3.2 出入口的设置
• 2.4 FLUENT软件简介
• 第三章 煤粉燃烧器的冷态数值模拟
• 3.1 网格的划分方法
• 3.2 方程的求解
• 3.3 原燃烧器在设计工况下的数值模拟结果及分析
• 3.4 实际运行工况的数值模拟结果及分析
• 3.5 改变二次旋流风旋流强度的数值模拟结果及分析
• 3.6 改变二次旋流风通道位置的数值模拟结果及分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 煤粉燃烧器的热态数值模拟
• 4.1 采用煤种的元素分析
• 4.2 采用的模型
• 4.2.1 气相湍流模型
• 4.2.2 湍流两相流模型
• 4.2.3 辐射换热模型
• 4.2.4 燃烧模型
• 4.3 煤粉的浓淡分离机理及运动迹线分析
• 4.4 原结构的燃烧模拟
• 4.5 燃烧器结构改进及模拟
• 4.5.1 改进的指导思想与方法
• 4.5.2 新结构的数值模拟分析与对比
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文