天然气锅炉燃烧的数值模拟

论文摘要

天然气取代燃煤作为锅炉的燃料可以大大减轻对环境的污染。采用天然气作为锅炉燃料能大大减缓能源供求矛盾和环境污染状况。为了解炉内工作过程,合理建立炉内的湍流流动、传热及燃烧模型来进行燃烧模拟是很有必要的。通过建立燃烧过程中NOx的燃烧模型,可以更好地预测NOx的生成,并可以方便地进行广泛的变参数研究,为减少天然气燃烧过程中NOx的生成量和新型的低NOx技术提供指导。本文采用CFD软件,建立天然气锅炉三维模型,并选用了适合的数学模型,对燃烧器和炉膛内的湍流流动、传热传质及湍流燃烧等进行描述和分析。利用所建立的模型,先对炉内冷态过程进行模拟,得到燃烧器和炉膛的速度场、压力场和湍动能及其耗散率分布场,对其进行分析和研究。再对炉内热态过程进行模拟,得到分别改变过量空气系数和空气预热温度时,炉内温度场和NOx浓度场分布,并考察了不同工况对炉内燃烧温度以及NOx排放的影响,从而得出改善锅炉运行状况和降低NOx排放的因素。计算结果为天然气锅炉的试验研究提供了理论指导。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 天然气低NOx 排放技术研究状况
• 1.2.2 CFD 数值模拟技术的发展
• 1.3 低NOX 燃烧器简介
• 1.3.1 NOx 的形成原因
• 1.3.2 低NOx 燃烧器
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 数值模拟方法及工作软件简介
• 2.1 CFD 通用软件综述
• 2.2 STAR-CD 软件简介
• 2.2.1 STAR-CD 求解方法
• 2.2.2 STAR-CD 组件及其功能
• 2.2.3 STAR-CD 的解算范围与应用领域
• 2.3 湍流流动模型
• 2.4 燃烧模型
• 2.4.1 扩散火焰模型
• 2.4.2 旋涡破碎模型
• 2.4.3 拉切滑模型
• 2.4.4 几率分布函数的输运方程模型
• 2.4.5 ESCIMO 湍流燃烧理论
• 2.4.6 混合分数－概率密度函数模型
• 2.5 辐射换热模型
• 2.6 NOX 生成模型
• 2.7 数值方法简介
• 2.7.1 计算流体力学常用数值方法
• 2.7.2 时间差分和空间差分
• 2.7.3 控制方程离散化
• 2.7.4 算法
• 2.8 本章小结
• 第3章 几何模型的建立及网格的生成
• 3.1 几何模型外形与尺寸
• 3.2 燃烧器和锅炉炉膛网格的建立过程
• 3.2.1 网格生成技术
• 3.2.2 结构化网格
• 3.2.3 非结构化网格
• 3.2.4 燃烧器网格建立
• 3.2.5 锅炉炉膛网格建立
• 3.3 本章小结
• 第4章 冷态过程及燃烧过程数值模拟与分析
• 4.1 冷态过程模拟结果与分析
• 4.1.1 燃料处理
• 4.1.2 物理模型选择
• 4.1.3 边界条件设定
• 4.1.4 速度场分析
• 4.1.5 压力场分析
• 4.1.6 湍动能及耗散率
• 4.2 燃烧过程模拟结果与分析
• 4.2.1 燃烧条件与边界条件设定
• 4.2.2 判断收敛的标准
• 4.2.3 温度场分析
• 4.2.4 NOx 浓度场分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 全文总结
• 5.1 本文结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT