一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法，属于电站锅炉技术领域，现提出如下方案，其包括以下步骤，S1：根据四角切圆锅炉的实际尺寸，建立锅炉的几何模型；S2：对建立的几何模型进行网格划分；S3：将划分好的网格导入求解器；S4：设置数值计算模型；S5：设置材料属性；S6：设置边界条件；S7：设置离散格式、数值求解方法以及收敛参数；S8：初始化并进行求解；S9：进行速度场与温度场的场协同计算；S10：后处理查看计算结果。本发明专利技术数值分析方法不仅具有花费低，效率高的特点，而且得到的信息量很大，有助于四角切圆锅炉燃烧过程的深入研究。

A numerical analysis method for tangential boilers based on field synergy principle

【技术实现步骤摘要】
一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法
本专利技术涉及电站锅炉
，尤其涉及一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法。
技术介绍
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在一次能源中占据主导地位，我国的这种能源结构决定了燃煤发电在我国电力工业中的主导地位，并且这种主导地位在可预见的相当长的一段时间内都不会改变。四角切圆锅炉煤粉着火稳定性好、风粉混合均匀而且煤种适应性强，诸多优点决定了四角切圆燃烧方式是我国燃煤电站中应用最广泛且最成熟的燃烧方式。长期以来，对四角切圆锅炉的研究主要是通过试验手段，但由于试验周期长、成本高以及难度大等弱点的存在，导致研究者不能很好的掌握炉膛内部的流场、温度场等信息，这些信息对于研究炉内烟气流动、传热及燃烧等是非常重要的。为此，本专利技术提出一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法，包括以下步骤，S1：根据四角切圆锅炉的实际尺寸，建立锅炉的几何模型；S2：对建立的几何模型进行网格划分；S3：将划分好的网格导入求解器；S4：设置数值计算模型；S5：设置材料属性；S6：设置边界条件；S7：设置离散格式、数值求解方法以及收敛参数；S8：初始化并进行求解；S9：进行速度场与温度场的场协同计算；S10：后处理查看计算结果。优选的，所述S1和S2步骤中，采用GAMBIT软件进行几何模型的建立以及网格的划分，所述S2步骤中，采用六面体结构化网格进行网格划分，对燃烧器区域网格进行适当加密，同时为了减小伪扩散的影响，应尽量使燃烧器区域网格的划分与风粉喷出的方向相一致，并在划分好网格之后进行网格质量检查，另外，为保证计算准确度以及计算成本，应进行网格独立性测试。优选的，所述S3步骤中，采用FLUENT求解器进行数值求解。优选的，所述S4步骤中，湍流模型选择Standardk-ε模型，辐射模型选择P-1辐射模型，使用WSGGM模型计算烟气发射率，气相化学反应模型选择非预混模型，离散相模型采用随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动，煤粉粒径分布采用Rosin-Rammler模型进行模拟，煤粉脱挥发分采用双步竞争反应模型进行模拟，煤焦燃烧采用动力/扩散控制模型进行模拟。优选的，所述S5步骤中，对于气相燃烧中的材料主要定义混合属性和气体辐射特性，对于燃烧颗粒材料主要定义密度、比热容以及颗粒辐射特性。优选的，所述S6步骤中，入口边界条件主要设置速度、温度、湍流强度和水力直径，出口边界条件主要设置压力、温度、湍流强度和水力直径，壁面边界条件主要设置温度。优选的，所述S7步骤中，压力采用PRESTO!离散格式，其它均采用一阶迎风格式，数值计算方法选择SIMPLE算法。优选的，所述S8步骤中，对于煤粉燃烧求解，以Patch高温点火的方式开始燃烧求解。优选的，所述S9步骤中，采用FLUENT软件中的用户自定义函数进行速度场与温度场的场协同计算。优选的，所述S10步骤中，采用tecplot软件进行后处理。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：数值分析方法不仅具有花费低，效率高的特点，而且得到的信息量很大，有助于四角切圆锅炉燃烧过程的深入研究。同时，基于场协同原理对炉内速度场及温度场进行场协同计算，可以定量地分析炉膛内的传热情况。附图说明图1是数值计算的流程图。图2是锅炉三维几何模型示意图。图3是网格划分示意图。图4是燃烧器区域横截面网格划分示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。参照图1-4，按照图1的流程图，下面详细介绍本专利技术的具体实施方式：1、建立锅炉的几何模型：锅炉为亚临界压力、一次中间再热、控制循环汽包炉、单炉膛Π型露天布置、平衡通风、固态排渣，锅炉采用全钢架结构，配用中速磨煤机正压直吹式制粉系统。燃烧器在锅炉的四角布置，每角布置6层一次风，每两层一次风之间布置2层二次风，主燃区上部布置有紧凑型燃尽风，另外与主燃区分隔开来布置有两段式分离燃尽风。采用同心切圆燃烧方式，二次风偏离一次风一定角度射入炉膛，这不仅可适当推迟一二次风的混合，而且在炉膛水平方向形成中央富燃料区，水冷壁区域富空气区。在GAMBIT软件中根据四角切圆锅炉的实际结构与尺寸，采用由点到线由线到面然后平移扫描的方法建立所研究锅炉的三维几何模型。进行几何建模时，本专利技术对于其中较为复杂的局部结构，如燃烧器喷口以及炉膛顶部过热器与再热器，在不影响计算结果的前提下进行了适当的简化。所建立的锅炉三维几何模型如图2所示。2、对建立的几何模型进行网格划分：由于炉膛的整体几何模型是一个不规则的几何体，所以为了方便网格的划分，首先要对其进行分区，将炉膛划分为若干子几何体，对每个子几何体分别进行网格划分。其中需要注意的是，由于燃烧器区域横截面为八边形，而燃烧器区域相邻上下部分横截面均为四边形，因此燃烧器区域与相邻上下两个区域的网格划分难以一致，为了方便各个区域的网格划分，将燃烧器区域划分为独立几何体，在GAMBIT中可通过取消勾选connected选项来实现。分区之后，对每个子几何体分别进行网格划分，网格划分采用高质量的六面体网格。其中需要注意的是，由于燃烧器区域流动、传热及燃烧过程最为复杂，所以需要对燃烧器区域尤其是喷口附近区域进行网格加密处理，如图3所示。同时为了减小伪扩散的影响，应尽量使燃烧器区域网格的划分与风粉喷出的方向相一致，如图4所示。划分好网格之后，要在GAMBIT中设定各区域类型，各喷口设定为速度入口，锅炉出口设定为压力出口，锅炉壁面及换热器壁面设定为WALL。其中需要注意的是，由于之前将燃烧器区域划分为了独立的几何体，为了在计算中实现燃烧器区域与其上下区域的物理连通性，对上下交界面上各自独立的面设定为Interface。然后选择GAMBIT网格划分中的Check工具对划分好的网格进行质量检查，确定网格质量符合要求之后，导出网格。一般来说，网格数量越多，所模拟的结果准确度也就越高，但是网格数量越多，数值计算的时间也越长，所以为了同时保证计算成本和计算准确度，本专利技术考虑了82万、132万和189万三套网格，进行了网格独立性测试，计算结果表明132万和189万网格计算结果比较接近，82万网格与之相比则误差较大，因此最终选择了132万网格进行数值模拟。3、将划分好的网格导入求解器：将网格导入FLUENT求解器，并进一步检查以确保几何建模和网格的正确。需要注意的是，由于在GAMBIT中将燃烧器区域划分为了独立的几何体，即在几何结构上是不连通的，所以需要先手动进行物理上的连通性定义。4、设置数值计算模型：电站锅炉炉膛内煤粉的燃烧是典型的流动、传热、传质及化学反应的湍流燃烧过程。对四角切圆锅炉炉膛内燃烧过程的数值模拟，可以用基本守恒方程、湍流模型、辐射模型、离散相模型、挥发分析出模型、气相湍流燃烧模型以及焦炭燃烧模型来进行数学描述，通过对这些微分方程的数值求解来模拟煤粉在炉内燃烧的实际过程，从而对实际工程问题给出数值预测。基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤，S1：根据四角切圆锅炉的实际尺寸，建立锅炉的几何模型；S2：对建立的几何模型进行网格划分；S3：将划分好的网格导入求解器；S4：设置数值计算模型；S5：设置材料属性；S6：设置边界条件；S7：设置离散格式、数值求解方法以及收敛参数；S8：初始化并进行求解；S9：进行速度场与温度场的场协同计算；S10：后处理查看计算结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法，其特征在于，包括以下步骤，S1：根据四角切圆锅炉的实际尺寸，建立锅炉的几何模型；S2：对建立的几何模型进行网格划分；S3：将划分好的网格导入求解器；S4：设置数值计算模型；S5：设置材料属性；S6：设置边界条件；S7：设置离散格式、数值求解方法以及收敛参数；S8：初始化并进行求解；S9：进行速度场与温度场的场协同计算；S10：后处理查看计算结果。2.根据权利要求1所述的一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法，其特征在于，所述S1和S2步骤中，采用GAMBIT软件进行几何模型的建立以及网格的划分，所述S2步骤中，采用六面体结构化网格进行网格划分，对燃烧器区域网格进行适当加密，同时为了减小伪扩散的影响，应尽量使燃烧器区域网格的划分与风粉喷出的方向相一致，并在划分好网格之后进行网格质量检查，另外，为保证计算准确度以及计算成本，应进行网格独立性测试。3.根据权利要求1所述的一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法，其特征在于，所述S3步骤中，采用FLUENT求解器进行数值求解。4.根据权利要求1所述的一种基于场协同原理的四角切圆锅炉数值分析方法，其特征在于，所述S4步骤中，湍流模型选择Standardk-ε模型，辐射模型选择P-1辐射模型，使用WSGGM模型计算烟气发射率，气相化学反应模型选择非预混模型，离散相模型采用随机轨道模型模拟煤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志伟，孟雨生，张秀宇，李晓明，武英杰，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22