本發(fā)明涉及鍋爐仿真模擬
技術領域：
，特別涉及一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。
背景技術：
：循環(huán)流化床鍋爐是近三十年發(fā)展起來的一種新型潔凈煤燃燒設備，在清潔燃燒特別是燃燒劣質煤方面具有污染物排放及控制成本低、燃料適應范圍廣、調峰能力強、燃燒效率高等優(yōu)點。循環(huán)流化床燃燒技術是潔凈煤技術中最具商業(yè)化潛力、污染排放控制成本最低的技術，同時由于煤種適應性強，其也成為了消納煤炭生產帶來的大量煤矸石的最有效手段。由于循環(huán)流化床鍋爐復雜的流化態(tài)結構，采用單一的實驗測量手段無法真實地了解循環(huán)流化床的三維非穩(wěn)態(tài)流動結構，這極大地限制了現(xiàn)場循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)化運行。為了解決這個問題，隨著當前計算機技術的高速發(fā)展，人們開始對循環(huán)流化床鍋爐內部的燃燒過程進行數(shù)值模擬，尤其注重于對循環(huán)流化床鍋爐的污染物生成過程進行數(shù)值模擬，以通過數(shù)值模擬來對循環(huán)流化床鍋爐的整體燃燒過程和污染物生成過程進行優(yōu)化。然而，傳統(tǒng)技術是基于雙流體模型來對循環(huán)流化床鍋爐的污染物生成過程進行數(shù)值模擬的，這種雙流體模型是在將固體燃煤顆粒當作流體來進行處理的基本假設下進行建立的，這導致基于這種模型得到數(shù)值模擬結果與循環(huán)流化床鍋爐的實際污染物生成過程存在較大的偏差，數(shù)值模擬效果較差，難以適應當下對循環(huán)流化床鍋爐越來越高的數(shù)值模擬要求。綜上所述可以看出，如何進一步提升污染物生成過程的數(shù)值模擬效果是目前有待解決的問題。技術實現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，進一步提升了污染物生成過程的數(shù)值模擬效果。其具體方案如下：一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法，包括：預先對循環(huán)流化床鍋爐進行網格建模，得到相應的鍋爐網格模型；對所述鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解，得到與所述鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型；利用所述數(shù)學模型，并結合所述循環(huán)流化床鍋爐在工作過程中所涉及的化學反應式，對所述循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，得到與污染物生成過程對應的仿真模型。優(yōu)選的，所述對所述鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解的過程，包括：利用CPFD方法，對所述流體相方程和所述顆粒相方程進行求解。優(yōu)選的，所述流體相方程為基于納維葉－斯托克斯方程以及顆粒與流體之間動量耦合方程得到的方程。優(yōu)選的，所述顆粒與流體之間動量耦合方程為：Fξn+1=1VξΣkNpSξ,sk[Dsk(uf,skn+1-uskn+1)-1ρsk▿pskn+1]nskmsk]]>式中，ξ表示計算網格，Vξ表示計算網格ξ的體積，Dsk表示計算網格ξ中第k個計算顆粒所受到的曳力，表示流體相的速度，表示顆粒相的速度，ρsk表示第k個計算顆粒的密度，表示第k個計算顆粒所受到的壓強，msk表示第k個計算顆粒的質量，nsk表示第k個計算顆粒所代表的實際顆粒的數(shù)目，Sξ,sk表示第k個計算顆粒的插值算子。優(yōu)選的，所述流體相方程為：∂θfρf∂t+▿·(θfρfuf)=ρ·sfc∂(θfρfuf)∂t+▿·(θfρfufuf)=-▿p-F+θfρfg+▿·θfτf]]>式中，uf表示流體相的速度矢量，θf表示流體的體積分數(shù)，ρf表示流體的密度，p表示流體的壓力，τf表示流體應力張量，g表示重力加速度，F(xiàn)表示單位控制容積內流體相與顆粒相動量作用源，表示流體相單位控制容積內質量生產率。優(yōu)選的，所述顆粒相方程為基于MP-PIC方法得到的方程。優(yōu)選的，所述顆粒相方程為：dusdt=Dp(uf-us)-1ρs▿p+g-1θsρs▿τs]]>式中，us表示顆粒相的速度矢量，Dp表示顆粒所受到的曳力，uf表示流體相的速度矢量，p表示顆粒所受到的壓強，g表示重力加速度，ρs表示顆粒的密度，θs表示顆粒的體積分數(shù)，τs表示顆粒的法向的應力。本發(fā)明還公開了一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬系統(tǒng)，包括：網格模型構建模塊，用于預先對循環(huán)流化床鍋爐進行網格建模，得到相應的鍋爐網格模型；數(shù)學模型構建模塊，用于對所述鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解，得到與所述鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型；仿真模塊，用于利用所述數(shù)學模型，并結合所述循環(huán)流化床鍋爐在工作過程中所涉及的化學反應式，對所述循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，得到與污染物生成過程對應的仿真模型。優(yōu)選的，所述數(shù)學模型構建模塊，具體用于利用CPFD方法，對所述流體相方程和所述顆粒相方程進行求解，得到所述數(shù)學模型。本發(fā)明中，循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法，包括：預先對循環(huán)流化床鍋爐進行網格建模，得到相應的鍋爐網格模型；對鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解，得到與鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型；利用數(shù)學模型，并結合循環(huán)流化床鍋爐在工作過程中所涉及的化學反應式，對循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，得到與污染物生成過程對應的仿真模型?？梢姡景l(fā)明先對循環(huán)流化床鍋爐進行了網格建模，然后對鍋爐網格模型中的流體相方程和顆粒相方程進行求解，由此得到與鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型，接著結合上述數(shù)學模型以及相應的化學反應式，對循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，從而得到了與污染物生成過程對應的仿真模型，也即，本發(fā)明基于流體相方程和顆粒相方程來構建循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型，相比于傳統(tǒng)的雙流體模型，本發(fā)明增加了顆粒相對循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型的影響，這樣使得最終得到的數(shù)學模型更加符合循環(huán)流化床鍋爐的實際燃燒過程，進而提升了后續(xù)污染物生成過程的仿真效果。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實施例公開的一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法；圖2為本發(fā)明實施例公開的一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬系統(tǒng)結構示意圖。具體實施方式下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明實施例公開了一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法，參見圖1所示，該方法包括：步驟S11：預先對循環(huán)流化床鍋爐進行網格建模，得到相應的鍋爐網格模型。需要說明的是，當前存在多種網格建模的方法，可以根據實際的仿真需要以及循環(huán)流化床鍋爐內部的每個構件的具體結構，來選取相應合適的網格建模方法來進行建模。本實施例中，優(yōu)先對循環(huán)流化床鍋爐進行正交網格建模。步驟S12：對鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解，得到與鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型。其中，在不同的仿真精度要求下，上述流體相方程和顆粒相方程會有所不同。若仿真精度的要求較高，則上述流體相方程和顆粒相方程相對會比較復雜，相應的計算量也會比較大；若仿真精度的要求較低，則可對上述流體相方程和顆粒相方程進行一定程度上的簡化，由此也能減少相應的計算量。步驟S13：利用數(shù)學模型，并結合循環(huán)流化床鍋爐在工作過程中所涉及的化學反應式，對循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，得到與污染物生成過程對應的仿真模型。可以理解的是，上述化學反應式主要包括生成氮氧化物、硫化物以及一氧化碳等相關污染物的化學反應式。本發(fā)明實施例中，循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法，包括：預先對循環(huán)流化床鍋爐進行網格建模，得到相應的鍋爐網格模型；對鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解，得到與鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型；利用數(shù)學模型，并結合循環(huán)流化床鍋爐在工作過程中所涉及的化學反應式，對循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，得到與污染物生成過程對應的仿真模型?？梢?，本發(fā)明實施例先對循環(huán)流化床鍋爐進行了網格建模，然后對鍋爐網格模型中的流體相方程和顆粒相方程進行求解，由此得到與鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型，接著結合上述數(shù)學模型以及相應的化學反應式，對循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，從而得到了與污染物生成過程對應的仿真模型，也即，本發(fā)明實施例基于流體相方程和顆粒相方程來構建循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型，相比于傳統(tǒng)的雙流體模型，本發(fā)明實施例增加了顆粒相對循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型的影響，這樣使得最終得到的數(shù)學模型更加符合循環(huán)流化床鍋爐的實際燃燒過程，進而提升了后續(xù)污染物生成過程的仿真效果。本發(fā)明實施例公開了一種具體的循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法，相對于上一實施例，本實施例對技術方案作了進一步的說明和優(yōu)化。具體的：上一實施例步驟S12中，對鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解的過程，具體包括：利用CPFD方法，對流體相方程和顆粒相方程進行求解。需要說明的是，上述CPFD方法中，流體相和顆粒相均在同一個求解器中進行計算，通過相間插值算子來保證計算的穩(wěn)定性和切換的守恒性。CPFD方法中創(chuàng)造性地提出了“計算顆粒”的概念，所謂“計算顆?！笔窃诶窭嗜辗椒ㄌ峁┑幕镜摹傲黧w微團”概念之上，拓展到顆粒相而形成的“顆粒微團”，也即，在一個“計算顆?！敝邪硕鄠€真實的燃煤顆粒，并且一個“計算顆?！敝械乃姓鎸嵢济侯w粒具有相同的物質屬性、物理運動及化學變化規(guī)律。本實施例中，優(yōu)先采用Barracuda軟件中提供的CPFD數(shù)值方法來對流體相方程和顆粒相方程進行求解。進一步的，上述流體相方程具體是基于納維葉－斯托克斯方程以及顆粒與流體之間動量耦合方程得到的方程。其中，上述顆粒與流體之間動量耦合方程為：Fξn+1=1VξΣkNpSξ,sk[Dsk(uf,skn+1-uskn+1)-1ρsk▿pskn+1]nskmsk]]>式中，ξ表示計算網格，Vξ表示計算網格ξ的體積，Dsk表示計算網格ξ中第k個計算顆粒所受到的曳力，表示流體相的速度，表示顆粒相的速度，ρsk表示第k個計算顆粒的密度，表示第k個計算顆粒所受到的壓強，msk表示第k個計算顆粒的質量，nsk表示第k個計算顆粒所代表的實際顆粒的數(shù)目，Sξ,sk表示第k個計算顆粒的插值算子。具體的，上述基于納維葉－斯托克斯方程以及顆粒與流體之間動量耦合方程得到的流體相方程為：∂θfρf∂t+▿·(θfρfuf)=ρ·sfc∂(θfρfuf)∂t+▿·(θfρfufuf)=-▿p-F+θfρfg+▿·θfτf]]>式中，uf表示流體相的速度矢量，θf表示流體的體積分數(shù)，ρf表示流體的密度，p表示流體的壓力，τf表示流體應力張量，g表示重力加速度，F(xiàn)表示單位控制容積內流體相與顆粒相動量作用源，表示流體相單位控制容積內質量生產率。進一步的，本實施例中的顆粒相方程為基于MP-PIC(即MultiphaseParticle-in-cell)方法得到的方程。具體的，上述基于MP-PIC方法得到的顆粒相方程為：dusdt=Dp(uf-us)-1ρs▿p+g-1θsρs▿τs]]>式中，us表示顆粒相的速度矢量，Dp表示顆粒所受到的曳力，uf表示流體相的速度矢量，p表示顆粒所受到的壓強，g表示重力加速度，ρs表示顆粒的密度，θs表示顆粒的體積分數(shù)，τs表示顆粒的法向的應力。相應的，本發(fā)明實施例還公開了一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬系統(tǒng)，參見圖2所示，該系統(tǒng)包括：網格模型構建模塊21，用于預先對循環(huán)流化床鍋爐進行網格建模，得到相應的鍋爐網格模型；數(shù)學模型構建模塊22，用于對鍋爐網格模型內部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進行求解，得到與鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型；仿真模塊23，用于利用數(shù)學模型，并結合循環(huán)流化床鍋爐在工作過程中所涉及的化學反應式，對循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，得到與污染物生成過程對應的仿真模型。其中，上述數(shù)學模型構建模塊，具體用于利用CPFD方法，對流體相方程和顆粒相方程進行求解，得到數(shù)學模型。關于上述各個模塊更加具體的工作過程可參考前述實施例中的相關內容，在此不再進行一一贅述?？梢姡景l(fā)明實施例先對循環(huán)流化床鍋爐進行了網格建模，然后對鍋爐網格模型中的流體相方程和顆粒相方程進行求解，由此得到與鍋爐網格模型對應的數(shù)學模型，接著結合上述數(shù)學模型以及相應的化學反應式，對循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時的污染物生成過程進行仿真，從而得到了與污染物生成過程對應的仿真模型，也即，本發(fā)明實施例基于流體相方程和顆粒相方程來構建循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型，相比于傳統(tǒng)的雙流體模型，本發(fā)明實施例增加了顆粒相對循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學模型的影響，這樣使得最終得到的數(shù)學模型更加符合循環(huán)流化床鍋爐的實際燃燒過程，進而提升了后續(xù)污染物生成過程的仿真效果。最后，還需要說明的是，在本文中，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。以上對本發(fā)明所提供的一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過程的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。當前第1頁1 2 3