乙烯裂解炉及燃烧器喷嘴的CFD模拟研究

论文摘要

裂解炉是乙烯生产装置的核心部分,燃烧器产生热量,是裂解炉的最重要组成部分。通过计算机技术建立数学模型,采用数值计算方法模拟裂解炉内所发生的各种过程,可以在少量的实验基础上获得大量的数据,为提高裂解技术提供必要的信息。本文按照从简单到复杂的规律开展研究,选择单个喷嘴为研究对象,以GAMBIT和FLUENT软件为平台,结合实际工业过程,选取适当的数学模型来描述计算域内所发生的燃料燃烧、烟气流动等过程和组分分布。首先采用GAMBIT软件建立计算域几何模型,并对计算域进行网格划分,建立数学模型,选择离散化方法。之后,在忽略辐射传热的前提下,应用FLUENT计算软件进行求解,分别采用ED模型、EDC模型、有限速率/涡耗散模型、非预混燃烧模型和组分PDF输运模型进行计算,对这五种燃烧模型的数值模拟结果进行对比分析,得出最适合于实际情况的燃烧模型为有限速率/涡耗散模型。选定燃烧模型后,本文考查了速度和计算域对燃烧结果的影响。采用有限速率/涡耗散燃烧模型,忽略辐射传热,考察了不同的燃料气进口速度（50m/s、100m/s、200m/s、300m/s及409m/s）对燃烧结果的影响;同时,把计算域沿X方向各向左右延伸0.5m,考查了计算域对燃烧结果的影响。最后,结合实际工业条件,选取两种比较适合本文工业条件的辐射模型,即:P-1辐射模型和DO辐射模型,考察辐射对燃烧结果的影响。对所得结果进行比较分析表明:虽然湍流反应速率仍为主要影响因素,但是加入辐射模型后,化学反应和辐射间的相互作用变得重要了,而且对于不同的辐射模型有不同的地位和作用。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景、目标、意义及挑战
• 1.2 论文内容
• 第二章 文献综述
• 2.1 计算流体力学介绍
• 2.1.1 计算流体力学的发展
• 2.1.2 计算流体力学在燃烧中的应用
• 2.1.3 计算流体力学的求解过程
• 2.2 燃烧机理与燃烧模型
• 2.2.1 燃烧机理
• 2.2.2 燃烧模型
• 2.3 辐射传热模型
• 2.3.1 经验法
• 2.3.2 零维模型
• 2.3.3 多维模型
• 2.3.4 P-1 辐射模型
• 2.3.5 Rosseland 辐射模型
• 2.3.6 离散坐标法（Discrete Ordinate Method）
• 2.3.7 有限体积法
• 2.3.8 球形谐波法
• 2.3.9 小结
• 第三章 计算域与计算方法
• 3.1 计算域几何形状及其边界条件
• 3.2 计算域网格划分
• 3.3 数学模型的建立
• 3.4 离散化方法
• 第四章 燃烧模型的选取
• 4.1 冷模实验结果
• 4.2 燃烧实验结果
• 4.2.1 ED 模型计算结果
• 4.2.2 EDC 模型计算结果
• 4.2.3 有限速率/涡耗散模型计算结果
• 4.2.4 非预混燃烧模型计算结果
• 4.2.5 组分PDF 输运模型计算结果
• 4.3 燃烧结果比较分析
• 4.3.1 计算域烟气速度分布
• 4.3.2 计算域烟气温度分布
• 4.3.3 烟气组成分布
• 4.4 小结
• 第五章 速度和计算域对燃烧结果的影响
• 5.1 速度对燃烧结果的影响
• 5.2 计算域对燃烧结果的影响
• 5.2.1 计算域扩大前后烟气速度分布对比
• 5.2.2 计算域扩大前后烟气温度分布对比
• 5.2.3 烟气组成分布
• 5.3 小结
• 第六章 辐射模型对燃烧结果的影响
• 6.1 P-1 辐射模型计算结果
• 6.2 离散坐标辐射模型计算结果
• 6.3 模拟结果比较分析
• 6.3.1 计算域烟气速度分布
• 6.3.2 计算域烟气温度分布
• 6.3.3 烟气组成分布
• 6.4 小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 符号说明
• 致谢