本發(fā)明涉及電力技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬方法及裝置。

背景技術(shù)：

電站鍋爐煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的湍流流動(dòng)、傳熱及燃燒的三維過(guò)程。由于過(guò)程的復(fù)雜性以及燃煤鍋爐燃料的多變性，迄今為止，對(duì)鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行缺乏成熟的理論和經(jīng)驗(yàn)，往往需要冷態(tài)及熱態(tài)試驗(yàn)來(lái)確定運(yùn)行和設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)樵囼?yàn)具有直觀、可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以直接用來(lái)指導(dǎo)鍋爐產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和制造。但是目前我國(guó)火力發(fā)電廠已向高參數(shù)、大容量方面發(fā)展，爐膛尺寸越來(lái)越大，這類試驗(yàn)周期長(zhǎng)，耗資巨大，且很難得到全面、滿意的數(shù)據(jù)。制造全尺寸模型的試驗(yàn)臺(tái)已不切實(shí)際，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的大容量鍋爐直接進(jìn)行空氣動(dòng)力場(chǎng)的測(cè)量，以及對(duì)爐內(nèi)燃燒、流動(dòng)、傳熱整體規(guī)律特性進(jìn)行測(cè)量幾乎是不可能的，所以，通過(guò)試驗(yàn)指導(dǎo)鍋爐設(shè)計(jì)存在很大的局限性。

現(xiàn)有技術(shù)只解決了關(guān)于600MW超臨界鍋爐的上述提及的問(wèn)題，如何解決關(guān)于1000MW超超臨界鍋爐的上述提及的由于爐膛尺寸大，制造全尺寸模型的試驗(yàn)臺(tái)已不切實(shí)際，所導(dǎo)致的無(wú)法對(duì)爐內(nèi)燃燒、流動(dòng)、傳熱整體規(guī)律特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題已成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬方法及裝置，其中，HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬方法包括：建立包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三位軸對(duì)稱燃燒室，對(duì)所述三位軸對(duì)稱燃燒室進(jìn)行簡(jiǎn)化和分區(qū)網(wǎng)格劃分；通過(guò)基本守恒方程、旋流修正的湍流流動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NOX生成模型對(duì)網(wǎng)格劃分后的所述HT-NR3低NOx燃燒器中的鍋爐煤粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬；通過(guò)對(duì)所述HT-NR3低NOx燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)與數(shù)值模擬檢驗(yàn)所述HT-NR3低NOx燃燒器、所述旋流修正的湍流流動(dòng)模型、所述湍流氣固兩相流動(dòng)模型和所述氣相湍流燃燒模型的合理性；根據(jù)模擬后的結(jié)果確定所述鍋爐燃燒器內(nèi)的氣流場(chǎng)、所 述鍋爐燃燒器內(nèi)的溫度場(chǎng)、所述鍋爐燃燒器內(nèi)的煙氣成分分布、煤粉顆粒在所述鍋爐燃燒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、所述鍋爐燃燒器壁面輻射熱流、鍋爐燃燒效率和NO_X排放量。

本實(shí)施例中，建立包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三位軸對(duì)稱燃燒室，對(duì)所述三位軸對(duì)稱燃燒室進(jìn)行簡(jiǎn)化和分區(qū)網(wǎng)格劃分；通過(guò)基本守恒方程、旋流修正的湍流流動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NOX生成模型對(duì)網(wǎng)格劃分后的所述HT-NR3低NOx燃燒器中的鍋爐煤粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬；通過(guò)對(duì)所述HT-NR3低NOx燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)與數(shù)值模擬檢驗(yàn)所述HT-NR3低NOx燃燒器、所述旋流修正的湍流流動(dòng)模型、所述湍流氣固兩相流動(dòng)模型和所述氣相湍流燃燒模型的合理性；根據(jù)模擬后的結(jié)果確定所述鍋爐燃燒器內(nèi)的氣流場(chǎng)、所述鍋爐燃燒器內(nèi)的溫度場(chǎng)、所述鍋爐燃燒器內(nèi)的煙氣成分分布、煤粉顆粒在所述鍋爐燃燒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、所述鍋爐燃燒器壁面輻射熱流、鍋爐燃燒效率和NO_X排放量，解決了1000MW超超臨界鍋爐爐膛尺寸大，制造全尺寸模型的試驗(yàn)臺(tái)已不切實(shí)際，所導(dǎo)致的無(wú)法對(duì)爐內(nèi)燃燒、流動(dòng)、傳熱整體規(guī)律特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬方法的一個(gè)實(shí)施例的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬裝置的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)和(b)分別為HT-NR3低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格劃分示意圖；

圖4為包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三位軸對(duì)稱燃燒室的網(wǎng)格劃分示意圖；

圖5為HT-NR3低NOx燃燒器的一次風(fēng)風(fēng)道內(nèi)速度云圖；

圖6(a)和(b)分別為HT-NR3低NOx燃燒器一次風(fēng)風(fēng)道和出口處煤粉濃度分布；

圖7(a)和(b)分別為燃燒器外二次風(fēng)旋流器以及出口處速度矢量圖；

圖8為冷態(tài)流場(chǎng)模擬結(jié)果與煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比；

圖9為HT-NR3低NOx燃燒器截面速度矢量；

圖10為計(jì)算的HT-NR3低NOx燃燒器截面溫度分布與文獻(xiàn)中試驗(yàn)得到的某工況下的爐內(nèi)火焰的圖像；

圖11為計(jì)算的HT-NR3低NOx燃燒器截面溫度分布(左)與試驗(yàn)拍攝的火焰圖像(右)(單位:K)；

圖12為沿軸向離HT-NR3低NOx燃燒器出口不同距離截面溫度分布(單位:K)；

圖13為HT-NR3低NOx燃燒器截面CO量分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；

圖14為HT-NR3低NOx燃燒器截面NO濃度分布(103ppm)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬方法及裝置，解決了目前1000MW超超臨界鍋爐由于爐膛尺寸大，制造全尺寸模型的試驗(yàn)臺(tái)已不切實(shí)際，所導(dǎo)致的無(wú)法對(duì)爐內(nèi)燃燒、流動(dòng)、傳熱整體規(guī)律特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)問(wèn)題。

CFD，軟件(Computational Fluid Dynamics)，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),是流體力學(xué)的一個(gè)分支，簡(jiǎn)稱CFD。CFD是近代流體力學(xué)，數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的邊緣科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問(wèn)題。

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃 燒特性模擬方法的一個(gè)實(shí)施例包括：

101，建立包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三位軸對(duì)稱燃燒室，對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器三位軸對(duì)稱燃燒室進(jìn)行簡(jiǎn)化和分區(qū)網(wǎng)格劃分；

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)得到了飛速發(fā)展。以CFD為基礎(chǔ)的數(shù)值模擬日益成為各國(guó)能源動(dòng)力領(lǐng)域的研究者們用來(lái)研究鍋爐爐內(nèi)過(guò)程的重要手段。數(shù)值模擬方法速度快，獲得的信息量大，能全而預(yù)報(bào)爐內(nèi)的流動(dòng)、傳熱和燃燒過(guò)程，為鍋爐的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和改造提供重要的參考依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。因而，通過(guò)爐內(nèi)過(guò)程的全模擬數(shù)值計(jì)算，分析爐內(nèi)的空氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)，來(lái)對(duì)燃燒過(guò)程中NOX的生成做出預(yù)報(bào)成為可行的研究手段，首先需要對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器進(jìn)行分區(qū)網(wǎng)格劃分，一次風(fēng)通道彎頭部分采用四面體網(wǎng)格，其它部分采用六面體網(wǎng)格。

102，通過(guò)基本守恒方程、旋流修正的湍流流動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NOX生成模型對(duì)網(wǎng)格劃分后的HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器中的鍋爐煤粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬；

當(dāng)建立包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三位軸對(duì)稱燃燒室，對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器三位軸對(duì)稱燃燒室進(jìn)行簡(jiǎn)化和分區(qū)網(wǎng)格劃分之后，需要通過(guò)基本守恒方程、旋流修正的湍流流動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NOX生成模型對(duì)網(wǎng)格劃分后的HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器中的鍋爐煤粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬。

103，通過(guò)對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)與數(shù)值模擬檢驗(yàn)HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器、HT-NR3低NOx燃燒器旋流修正的湍流流動(dòng)模型、HT-NR3低NOx燃燒器湍流氣固兩相流動(dòng)模型和HT-NR3低NOx燃燒器氣相湍流燃燒模型的合理性；

當(dāng)通過(guò)基本守恒方程、旋流修正的湍流流動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NOX生成模型 對(duì)網(wǎng)格劃分后的HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器中的鍋爐煤粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬之后，需要通過(guò)對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)與數(shù)值模擬檢驗(yàn)HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器、HT-NR3低NOx燃燒器旋流修正的湍流流動(dòng)模型、HT-NR3低NOx燃燒器湍流氣固兩相流動(dòng)模型和HT-NR3低NOx燃燒器氣相湍流燃燒模型的合理性。

104，根據(jù)模擬后的結(jié)果確定HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的氣流場(chǎng)、HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的溫度場(chǎng)、HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的煙氣成分分布、煤粉顆粒在HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器壁面輻射熱流、鍋爐燃燒效率和NO_X排放量；

當(dāng)通過(guò)對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)與數(shù)值模擬檢驗(yàn)HT-NR3低NOx燃燒器HT-NR3低NOx燃燒器、HT-NR3低NOx燃燒器旋流修正的湍流流動(dòng)模型、HT-NR3低NOx燃燒器湍流氣固兩相流動(dòng)模型和HT-NR3低NOx燃燒器氣相湍流燃燒模型的合理性，需要根據(jù)模擬后的結(jié)果確定HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的氣流場(chǎng)、HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的溫度場(chǎng)、HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的煙氣成分分布、煤粉顆粒在HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、HT-NR3低NOx燃燒器鍋爐燃燒器壁面輻射熱流、鍋爐燃燒效率和NO_X排放量。

需要說(shuō)明的是，在建立包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三位軸對(duì)稱燃燒室，對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器三位軸對(duì)稱燃燒室進(jìn)行簡(jiǎn)化和分區(qū)網(wǎng)格劃分之后還包括：

獲取HT-NR3低NOx燃燒器設(shè)置后的設(shè)計(jì)參數(shù)和工況條件。

可選地，

HT-NR3低NOx燃燒器旋流修正的湍流流動(dòng)模型為Realizable k-ε雙方程模型；

其中，k方程為

ε方程為

Gk表示由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生，Gb是用于浮力影響引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生，YM表示可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響，σ_k、σ_ε分別是湍流動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)。

可選地，

HT-NR3低NOx燃燒器湍流氣固兩相流動(dòng)模型為拉格朗日隨機(jī)顆粒軌道模型。

可選地，

HT-NR3低NOx燃燒器氣相湍流燃燒模型為混合分?jǐn)?shù)—概率密度函數(shù)(PDF)模型。

可選地，

HT-NR3低NOx燃燒器煤粉顆粒燃燒模型的包括用于揮發(fā)份析出雙方程模型、用于焦炭燃燒的擴(kuò)散—?jiǎng)恿刂迫紵Ｐ汀?/p>

可選地，

HT-NR3低NOx燃燒器輻射換熱模型為P-1輻射模型

可選地，

HT-NR3低NOx燃燒器NOX生成模型為PDF輸運(yùn)方程模型。

下面將以一具體實(shí)施例進(jìn)行描述，應(yīng)用例包括：

對(duì)于類似于1000MW超超臨界鍋爐的大型燃煤鍋爐燃燒過(guò)程，可以用基本守恒方程、湍流流動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，通過(guò)對(duì)上述方程數(shù)值求解來(lái)模擬實(shí)際過(guò)程，為實(shí)際運(yùn)行提供參考參數(shù)。本部分就對(duì)本報(bào)告模擬研究中所采用的煤粉鍋爐燃燒過(guò)程的各個(gè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

基本守恒方程

燃燒是包含有劇烈放熱化學(xué)反應(yīng)的湍流流動(dòng)過(guò)程，所有物理量都是空間和時(shí)間的隨機(jī)變量，但是湍流流動(dòng)遵循連續(xù)介質(zhì)一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律。描述燃燒規(guī)律的定律有：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、化學(xué)組分平衡和化學(xué)元素質(zhì)量守恒等等。

(1)連續(xù)性方程

(2)動(dòng)量方程

動(dòng)量方程的一般形式可寫(xiě)為：

式中σ_ij＝pδ_ij-τ_ij

其中：τ_ij為粘性應(yīng)力。

δ_ij為克羅內(nèi)克函數(shù)：

δ_ij為應(yīng)力張量，S_i則包括了各種體積力與阻力在i方向的分量。在考慮多相流動(dòng)時(shí)，多相流動(dòng)間的作用力也反映在此項(xiàng)中。

(3)能量方程

能量平衡方程：

方程式等號(hào)左邊：表示單位時(shí)間內(nèi)單位流體總能量對(duì)時(shí)間的變化率；方程式等號(hào)右邊：第1項(xiàng)為表面壓力對(duì)流體微元所做的功，一般可忽略；第2項(xiàng)為熱傳導(dǎo)引起的單位體積能量變化；第3項(xiàng)Φ為由于粘性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，稱為耗散函數(shù)；第4項(xiàng)S_h為化學(xué)反應(yīng)熱、輻射熱、相間熱量交換以及自定義的體積熱源項(xiàng)。

(4)化學(xué)組分方程

化學(xué)組分方程體現(xiàn)的是燃燒過(guò)程中各個(gè)組分的質(zhì)量守恒。對(duì)于任何一種化學(xué)組分K，其化學(xué)組分連續(xù)性方程為：

式中：m_k—組分K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，定義為：

S_k—由于化學(xué)反應(yīng)引起的組分K的產(chǎn)生(或消耗)率以及多相反應(yīng)產(chǎn)生的 本組分的質(zhì)量源。

Γ_k—化學(xué)組分K的輸運(yùn)系數(shù)：Γ_k＝ρD_k

D_k為化學(xué)組分K對(duì)應(yīng)混合氣體的擴(kuò)散系數(shù)。

將式(2-4)對(duì)整個(gè)組分K進(jìn)行相加，即得到整個(gè)流體的連續(xù)性方程：

式中，為顆粒反應(yīng)引起的質(zhì)量總源項(xiàng)，當(dāng)無(wú)顆粒相反應(yīng)時(shí)(5)狀態(tài)方程

上述方程式中包含了6個(gè)未知數(shù)，u，v，w，p，T，及ρ，還需補(bǔ)充一個(gè)聯(lián)系p，ρ的狀態(tài)方程：

ρ＝ρ(p,T) (2-5)

對(duì)于以上所述的基本方程，其未知數(shù)與方程數(shù)是相等，應(yīng)該說(shuō)方程是封閉的。只要適當(dāng)?shù)孛枋鲞吔鐥l件和初始條件，就可以求解，但事實(shí)上人們發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際自然界和工程流動(dòng)裝置中，流動(dòng)往往是湍流流動(dòng)，而湍流是在一個(gè)很小的湍流尺度上進(jìn)行的。因此，求解這樣一組方程就必須在湍流尺度的網(wǎng)格尺寸內(nèi)進(jìn)行，然而這是目前計(jì)算機(jī)容量及速度尚不能實(shí)現(xiàn)的。因此，求解Navier-Stokes方程必須從其他方面著手，這就是湍流模型。

湍流流動(dòng)模型

湍流流動(dòng)是自然界常見(jiàn)的流動(dòng)現(xiàn)象，在多數(shù)工程中流體的流動(dòng)往往處于湍流狀態(tài)，湍流特性在工程中占有重要的地位。在鍋爐燃燒過(guò)程中，由于燃燒設(shè)備尺寸較大、形狀復(fù)雜、氣流速度較高，加上燃料燃燒等化學(xué)反應(yīng)的影響，在燃燒器和鍋爐爐內(nèi)的氣流流動(dòng)幾乎都是湍流流動(dòng)。

雙方程模型中的k-ε模型，是在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型。在關(guān)于湍流動(dòng)能k的方程的基礎(chǔ)上，再引入了表示各向同性小尺度渦旋機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能速率的脈動(dòng)動(dòng)能耗散率ε。該模型是由Launder和Spalding于1972年提出的。目前廣泛地用于燃燒室流場(chǎng)、管流、鈍體回流以及射流回流的數(shù)值 模擬，以及一些設(shè)備中氣流流動(dòng)、燃燒、傳熱、傳質(zhì)等過(guò)程綜合模型中的氣相模擬。

k-ε雙方程模型有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)通過(guò)求偏微分方程考慮湍流物理量的輸運(yùn)過(guò)程，即通過(guò)求解偏微分方程確定脈動(dòng)特征速度與平均場(chǎng)速度梯度的關(guān)系，而不是直接將兩者聯(lián)系起來(lái)；(2)特征長(zhǎng)度不是由經(jīng)驗(yàn)確定，而是以耗散尺度作為特征長(zhǎng)度，并由求解相應(yīng)的偏微分方程得到。

但k-ε模型對(duì)浮力流、強(qiáng)旋流動(dòng)、彎曲壁面流動(dòng)、彎曲流線流動(dòng)、低Reynolds數(shù)湍流以及圓射流等流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的失真，原因是在標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型中，對(duì)于Reynolds應(yīng)力的各個(gè)分量，假定粘度系數(shù)μt是相同的，即假定μt是各向同性的標(biāo)量。而在彎曲流線的情況下，湍流是各向異性的，μt應(yīng)該是各向異性的張量。因此，許多學(xué)者針對(duì)某些問(wèn)題對(duì)k-ε模型進(jìn)行了修正，如考慮非平衡流、旋轉(zhuǎn)和曲率、可壓縮性以及非線性等發(fā)展出許多改進(jìn)的模型，如低Reynolds數(shù)k-ε模型、非線性k-ε模型、多尺度k-ε模型、重整化群k-ε模型、可實(shí)現(xiàn)k-ε模型等，而且在一些方面通過(guò)應(yīng)用改進(jìn)后的模型已經(jīng)取得了比較滿意的效果。

本報(bào)告選用的Realizablek-ε(帶旋轉(zhuǎn)修正)雙方程模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。Realizable k-ε雙方程模型主要的特點(diǎn)就是它是通過(guò)求偏微分方程來(lái)考慮湍流物理量的輸運(yùn)過(guò)程，即通過(guò)求解偏微分方程確定脈動(dòng)特征速度與平均場(chǎng)速度梯度的關(guān)系，而不是直接將兩者聯(lián)系起來(lái)；另外，模型中的特征長(zhǎng)度不是由經(jīng)驗(yàn)確定，而是以耗散尺度作為特征長(zhǎng)度，并由求解相應(yīng)的偏微分方程得到。因此帶旋流修正的k-ε模型對(duì)于平板和圓柱射流的發(fā)散比率有更精確的預(yù)測(cè)，而且它對(duì)于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流有很好的表現(xiàn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)Realizablek-ε雙方程更為簡(jiǎn)單，使用方便?，F(xiàn)在Realizablek-ε雙方程模型己被有效的用于各種不同類型的流動(dòng)模擬，包括旋轉(zhuǎn)均勻剪切流、包含有射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)、以及帶有分離的流動(dòng)等。而且都取得了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較一致的結(jié)果，適合工程問(wèn)題研究。

帶旋流修正的k-ε模型是近期才出現(xiàn)的，比起標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)有兩個(gè)主要的不同點(diǎn)：(1)帶旋流修正的k-ε模型為湍流粘性增加了一個(gè)公式，(2) 為耗散率增加了新的傳輸方程，這個(gè)方程來(lái)源于一個(gè)為層流速度波動(dòng)而作的精確方程。通過(guò)修正后的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，明顯的提高了對(duì)平面射流以及圓柱射流的擴(kuò)散率的模擬精度。

直角坐標(biāo)系下，穩(wěn)態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的通用控制方程如下：

其中：P為流體壓力，ρ為流體密度，Φ是通用因變量，Г為各方程變量的輸運(yùn)系數(shù)(擴(kuò)散系數(shù))，S為因變量的守恒方程中所對(duì)應(yīng)的源項(xiàng)，P、ρ、Φ、Г、S的具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1通用控制方程中各變量的表達(dá)式

在表1中

μ_e＝μ+μ_t，

其中：μ_e為有效粘性系數(shù)；

μ_t為湍流粘性系數(shù)；

μ為層流粘性系數(shù)。

必須說(shuō)明的是，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)時(shí)均應(yīng)變率特別大的情形，有可能導(dǎo)致負(fù)的正壓力。為使流動(dòng)符合湍流的物理定律，需要對(duì)正壓力進(jìn)行某種數(shù)學(xué)約束。計(jì)算湍流動(dòng)力限度計(jì)算式中的C_μ應(yīng)當(dāng)不是常數(shù)，而應(yīng)當(dāng)與應(yīng)變率聯(lián)系起來(lái)。從而提出了Realizable k-ε模型

k方程：

ε方程：

其中：G_k表示由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生，G_b是用于浮力影響引起的湍流動(dòng)能產(chǎn)生；Y_M表示可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。σ_k、σ_ε分別是湍流動(dòng)能及其耗散率的湍流普朗特?cái)?shù)。

C₂＝1.9，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.2，σ_1ε＝1.44

式中，μ_t與C_μ按下式計(jì)算：

其中：

A_o＝4.0

其中是從角速度為ω_k的參考坐標(biāo)系中觀察到的時(shí)均轉(zhuǎn)動(dòng)速率張量，顯然對(duì)無(wú)旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)，U^*式中根號(hào)中的第二項(xiàng)為零，這一項(xiàng)是專門用以表示旋轉(zhuǎn)的影響的，也是本模型的特點(diǎn)之一。

湍流氣固兩相流動(dòng)模型

煤粉燃燒過(guò)程是典型的湍流氣固兩相流動(dòng)和燃燒過(guò)程，氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值模擬研究主要包括氣相湍流的模擬、顆粒運(yùn)動(dòng)的模擬和氣固相間相互作用的模擬等，它是在單相湍流模擬的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。目前對(duì)兩相流的研究有兩種不同的觀點(diǎn)：一是把流體或氣體作為連續(xù)介質(zhì)，在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述，而把顆粒群作為離散體系，在拉氏坐標(biāo)系內(nèi)加以描述；而另一是除了把流體作為連續(xù)介質(zhì)外，還把顆粒群當(dāng)作擬連續(xù)介質(zhì)或擬流體，兩相在空間共存和互相滲透，兩相都在歐拉坐標(biāo)系內(nèi)加以描述。對(duì)湍流多相流動(dòng)的瞬時(shí)方程組按照類似于單相湍流流動(dòng)中采用的方法進(jìn)行雷諾分解和平均后，得其時(shí)均方程組，方程組時(shí)均化后含有未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)，不能封閉。為此，提出下列模擬及簡(jiǎn)化方法：(1)單顆粒動(dòng)力學(xué)模型；(2)小滑移模型；(3)無(wú)滑移模型(單流體模型)；(4)雙流體模型(多流體模型或滑移—擴(kuò)散的多連續(xù)介質(zhì)模型)；(5)顆粒軌道模型。

顆粒軌道模型，在拉格朗日坐標(biāo)內(nèi)處理顆粒相，且考慮了與顆粒擴(kuò)散無(wú)關(guān)的、兩相間的大速度滑移和溫度滑移，充分考慮了氣相與顆粒相間的相互作用。隨機(jī)軌道模型采用Monte-Carlo。法求解此隨機(jī)瞬時(shí)流場(chǎng)中顆粒運(yùn)動(dòng)的 隨機(jī)軌道，來(lái)計(jì)入流體湍流的顆粒作用。顆粒軌道模型易于模擬有蒸發(fā)、揮發(fā)及異相反應(yīng)的顆粒的經(jīng)歷，在顆粒相預(yù)報(bào)中無(wú)數(shù)值擴(kuò)散。因此，該模型是目前在湍流流動(dòng)與燃燒模擬中應(yīng)用最廣泛的模型。但它無(wú)法滿足脈動(dòng)量的連續(xù)方程，不能完全模擬顆粒脈動(dòng)。如果要獲得與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較的顆粒詳細(xì)信息，需要非常大的計(jì)算量。

本報(bào)告選用的是拉格朗日隨機(jī)顆粒軌道模型，該模型求解的難題主要集中在三個(gè)方面：氣固兩相的耦合、流體速度模擬、邊界條件。其基本思想是：在計(jì)算顆粒的隨機(jī)軌道時(shí)考慮氣相脈動(dòng)隨機(jī)速度對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，即由顆粒瞬時(shí)動(dòng)量方程出發(fā)，隨機(jī)地給定氣體的瞬時(shí)速度，用Monte-Carlo法計(jì)算隨機(jī)瞬時(shí)流場(chǎng)中顆粒的隨機(jī)軌道以計(jì)入流體湍流對(duì)顆粒的作用。其主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，當(dāng)顆粒有較復(fù)雜的變化經(jīng)歷時(shí)，能較好的追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)，數(shù)值計(jì)算時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生偽擴(kuò)散；還有就是考慮了流體湍流脈動(dòng)對(duì)顆粒的影響。其缺點(diǎn)是難以完全模擬顆粒湍流的輸運(yùn)過(guò)程，也難以給出能與實(shí)測(cè)的顆粒歐拉場(chǎng)特征相對(duì)應(yīng)的顆粒速度及濃度空間分布的相近數(shù)據(jù)。

顆粒的作用力平衡方程在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式(X方向)為：

右式第一項(xiàng)為顆粒所受應(yīng)力，第二項(xiàng)為顆粒本身重力，第三項(xiàng)為附加質(zhì)量力。

其中，u為氣相速度，u_p為顆粒速度，μ為流體動(dòng)力粘度，ρ為氣體密度，ρ_p為顆粒密度，d_p為顆粒直徑。

在(2-13)中，Re為相對(duì)雷諾數(shù)(顆粒雷諾數(shù))，表達(dá)式如下：

C_D為應(yīng)力系數(shù)，表達(dá)式如下：

a₁、a₂、a₃是圓球顆粒常數(shù)，依據(jù)Morsi和Alexander等人看法其值隨Re值范圍變化而改變。

或者，依據(jù)Haider和Levenspiel的說(shuō)法，亦可以表達(dá)為

其中，b₁＝exp(2.3288-6.4581+2.448Φ²)

b₂＝0.0964+0.5565Φ

b₃＝exp(4.905-13.8944+18.4222Φ²-10.2599Φ³)

b₄＝exp(1.4681+12.2584Φ-20.7322Φ²+15.8855Φ³)

形狀系數(shù)Φ的定義為：Φ＝s/S

S是與顆粒有相同體積的圓球球體表面積，S是顆粒的表面積。模擬中Φ設(shè)為1，即假定煤粉顆粒均為球形顆粒。

在拉格朗日坐標(biāo)系下，顆粒瞬時(shí)的動(dòng)量方程為：

式中m_p、V_p、t、F分別為顆粒的質(zhì)量、速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間及所受到的力。忽略顆粒的浮力、Magnus力、壓力梯度力、Saffman力以及虛假質(zhì)量力的作用等。因此顆粒質(zhì)量的動(dòng)量方程為：

其中，τ_p為顆粒松弛時(shí)間，u′、v′、w′是氣相的脈動(dòng)速度，這里假定氣相湍流流場(chǎng)是局部均勻和各向同性的，當(dāng)顆粒位于某個(gè)湍流旋渦時(shí)，u′、v′、w′取為：

式中，為氣相湍流脈動(dòng)速度的平均平方根值，ζ為符合高斯分布的隨機(jī)數(shù)，k為氣相湍流動(dòng)能。

顆粒的軌跡方程為：

x_p＝∫u_pdt y_p＝∫v_pdt z_p＝∫w_pdt

氣相湍流燃燒模型

湍流的出現(xiàn)，不僅會(huì)影響流場(chǎng)的特性，而且會(huì)影響到所有的輸運(yùn)方程。湍流燃燒速率同時(shí)受到湍流流動(dòng)、分子輸運(yùn)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)三方面的影響，目前尚未見(jiàn)到普遍使用的湍流燃燒速率公式。目前描述湍流氣相燃燒過(guò)程的模擬，主要有針對(duì)擴(kuò)散火焰的k-ε-g模型、針對(duì)預(yù)混火焰的旋渦破碎模型(EBU)、拉切滑模型、ESCIMO湍流燃燒理論等。

在氣相擴(kuò)散火焰中，燃料和氧化劑是處于不同流中。在其發(fā)生反應(yīng)之前，兩者的接觸必須達(dá)到分子水平。當(dāng)混合時(shí)間尺度比反應(yīng)時(shí)間尺度大得多時(shí)，必須詳細(xì)考慮湍流混合過(guò)程，但可以假設(shè)是瞬時(shí)化學(xué)反應(yīng)(快速化學(xué)反應(yīng))，可以采用平衡算法來(lái)計(jì)算反應(yīng)過(guò)程。在綜合燃燒模型中有種基于此假設(shè)的方便的應(yīng)用廣泛的方法，即混合分?jǐn)?shù)法。

混合分?jǐn)?shù)—概率密度函數(shù)(PDF)模型不需要求解每一組分的輸運(yùn)方程，只求解一個(gè)或兩個(gè)守恒量(混合分?jǐn)?shù))的輸運(yùn)方程，單個(gè)組分的濃度根據(jù)預(yù)測(cè)的混合分?jǐn)?shù)的分布來(lái)求解。在守恒量的求解過(guò)程中，利用概率密度函數(shù)來(lái)考慮湍流的影響。適用于不可壓縮的湍流流場(chǎng)和擴(kuò)散燃燒反應(yīng)系統(tǒng)，不能用于預(yù)混或部分預(yù)混燃燒系統(tǒng)。

對(duì)一種燃料和一種氧化劑組成的二元系統(tǒng)，混合分?jǐn)?shù)f的定義式可表示為：

式中：Z_i為元素i的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。下標(biāo)ox表示氧化劑流入口處的值，fuel表示燃料流入口處的值。

在相同擴(kuò)散率的假設(shè)下，組分方程可被減少為一個(gè)單一的關(guān)于混合組分f 的方程。f是一個(gè)守恒量，時(shí)間平均混合分?jǐn)?shù)方程為：

源項(xiàng)S_m僅指質(zhì)量由反應(yīng)顆粒(如煤)傳入氣相中。S_user為任何用戶定義源項(xiàng)。

除求解混合分?jǐn)?shù)的時(shí)均方程外，還需求解平均混合分?jǐn)?shù)均方值的守恒方程：

式中：常數(shù)σ_t、C_g、C_d分別取0.85、2.86、2.0。

混合分?jǐn)?shù)模擬方法有利之處是將化學(xué)反應(yīng)減少為一個(gè)或兩個(gè)守恒的混合分?jǐn)?shù)。所有熱化學(xué)標(biāo)量(組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，密度和溫度)均唯一與混合分?jǐn)?shù)有關(guān)。給定反應(yīng)系數(shù)化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)，流場(chǎng)中任何一點(diǎn)的瞬時(shí)守恒分?jǐn)?shù)值可被用于計(jì)算每個(gè)組分摩爾分?jǐn)?shù)、密度和溫度值。由于混合分?jǐn)?shù)法無(wú)需求解大量的物質(zhì)傳輸方程就可以模擬湍流反應(yīng)流動(dòng)中中間產(chǎn)物的形成、湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用，并且其計(jì)算效率高，比有限率法能得出更精確的流體平均密度，所以目前得到了廣泛的應(yīng)用。

煤粉燃燒模型

煤粉燃燒過(guò)程分為幾個(gè)階段：煤粉預(yù)熱、揮發(fā)份析出及燃燒過(guò)程、焦炭燃燒等過(guò)程。煤熱解時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)份及揮發(fā)份的燃燒對(duì)于整個(gè)煤的燃燒過(guò)程有著重要的影響，有時(shí)甚至是決定性的影響。為了得到封閉的微分方程組，能量方程和組分平衡方程中的源項(xiàng)主要由揮發(fā)物熱解模型和焦炭顆粒燃燒模型共同給出。

(1)揮發(fā)份析出模型

煤在高溫下首先發(fā)生熱解反應(yīng)，析出揮發(fā)份，然后所剩余的焦炭以及析出的揮發(fā)份分別和空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng):

原煤：y揮發(fā)份+(1-y)焦炭

在數(shù)值計(jì)算試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，科研工作者建立了不同的熱解模型。主要有 定揮發(fā)速率模型、單反應(yīng)模型、雙方程模型、多步平行反應(yīng)模型、官能團(tuán)熱解模型、考慮非動(dòng)力學(xué)控制因素的熱解模型等。

由Stickler等人于1975年提出的雙平行反應(yīng)模型目前是應(yīng)用比較廣泛的模型，該模型認(rèn)為有速度常數(shù)

與

在該模型中，E₂＞E₁，A₂＞A₁。在較低溫度時(shí)，第一個(gè)反應(yīng)起主要作用，高溫時(shí)，第二反應(yīng)起主要作用。

釋放出揮發(fā)份比例分別為α₁和α₂，控制活化能數(shù)值使第一個(gè)反應(yīng)在低溫下進(jìn)行，第二個(gè)反應(yīng)在高溫下進(jìn)行，熱解所造成的煤的質(zhì)量減少量為：

揮發(fā)份質(zhì)量變化率：

其中：m_c為未反應(yīng)原煤質(zhì)量；A₁,A₂,E₁,E₂為揮發(fā)份熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由于計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性，因此雙方程模型在實(shí)際模擬中應(yīng)用很廣。

(2)焦炭的燃燒模擬

在煤粉顆粒的燃燒過(guò)程中，焦炭的燃燒是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程(屬于氣固非均相燃燒)，該過(guò)程包括氧化物質(zhì)向顆粒表面的擴(kuò)散過(guò)程和這些物質(zhì)在顆粒表面與焦炭的反應(yīng)過(guò)程，一般認(rèn)為，這兩個(gè)過(guò)程是在一個(gè)準(zhǔn)平衡反應(yīng)狀態(tài)下同時(shí)進(jìn)行的。焦炭顆粒非均相反應(yīng)過(guò)程的模擬是復(fù)雜的，它受到焦炭的碎裂、內(nèi)孔擴(kuò)散、表面積的變化以及溫度和壓力的變化等這些不確定性因素的影響。

由于焦炭的燃燒不僅與擴(kuò)散有關(guān)，還與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素有關(guān)。因而目前焦炭燃燒使用的模型中最常見(jiàn)的就是動(dòng)力—擴(kuò)散燃燒模型。焦炭的燃燒速率Rc受到氧擴(kuò)散到焦炭表面的速率K_d和焦炭表面的化學(xué)反應(yīng)速率K_c這兩方面的共同控制，可表示為：

式中，P_O2為氧氣的分壓；D_O2為氧氣的擴(kuò)散系數(shù)；S_k為Sherwood數(shù)，取為2.0；Mc為碳的摩爾質(zhì)量。

在本實(shí)施例中，揮發(fā)份析出采用的是雙方程模型，焦炭燃燒采用的是擴(kuò)散—?jiǎng)恿刂迫紵Ｐ?。在模型中，假設(shè)煤粒為單一粒徑的球形顆粒，在反應(yīng)的任何時(shí)刻，煤粒由水分、原煤、焦炭和灰分這四部分組成。煤粒溫度的上升導(dǎo)致煤粒中的水分蒸發(fā)，進(jìn)入氣相變成水蒸汽。原煤隨著揮發(fā)份析出而消耗，剩余的固體可燃物為焦炭，焦炭與氧氣發(fā)生異相反應(yīng)而逐漸燃盡?；曳蛛S著焦炭的燃盡而逐漸趨向于1。假設(shè)析出的揮發(fā)份的成分為碳?xì)浠衔?CH_X)，它在氣相燃燒反應(yīng)中迅速耗盡。

輻射換熱模型

輻射傳熱過(guò)程是高溫爐膛中的最主要傳熱方式，因此在模擬燃燒系統(tǒng)中，對(duì)輻射能量的傳輸?shù)哪M非常重要，同時(shí)也是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。比如在一個(gè)典型的煤粉燃燒爐內(nèi)，輻射同時(shí)包括顆粒、煤粉、焦炭、灰粒、煙煤和氣相(主要是CO2和H2O)的作用。輻射計(jì)算的精確度取決于所采用計(jì)算方法的精確程度和對(duì)于輻射介質(zhì)和周圍墻壁性質(zhì)的了解程度。目前針對(duì)不同的適用條件，已發(fā)展了很多輻射換熱的計(jì)算模型，這些模型所采用的方法主要有熱流法(Heat Flux)、蒙特卡洛法(Monte-Carlo)和區(qū)域分析法(Zone Analysis)。

熱流法的特點(diǎn)是將復(fù)雜的不均勻的多項(xiàng)的界面輻射熱流用均勻的界面輻射熱流來(lái)代替，并取平均值。熱流法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單而且計(jì)算量小。但對(duì)于具有強(qiáng)烈輻射的區(qū)域，熱流法的假設(shè)明顯存在于事實(shí)不符之處。但由于該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，誤差在工程允許的范圍內(nèi)，故目前在爐內(nèi)過(guò)程數(shù)值模擬中應(yīng)用較多，發(fā)展較為成熟完善。

本報(bào)告選用的模型是以熱流法為基礎(chǔ)的P-1輻射模型。P-1法是最簡(jiǎn)單的一種球諧函數(shù)法，它假定介質(zhì)中的輻射強(qiáng)度沿空間角度呈正交球諧函數(shù)分布，并將含有微分、積分的輻射能量傳遞方程轉(zhuǎn)化為一組偏微分方程，聯(lián)立能量方程和相應(yīng)的邊界條件便可以求出輻射強(qiáng)度和溫度的空間分布。與DO法相比，P-1 法考慮了輻射散射的作用，更適用于光學(xué)厚度大和幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的燃燒設(shè)備，并且求解輻射能量方程所需要的時(shí)間短，比較適合求解煤粉爐中燃燒。國(guó)內(nèi)外的研究者在模擬煤粉爐燃燒時(shí)多用此模型。

對(duì)于輻射熱流q_r，

其中：α為吸收系數(shù)，σ_s為散射系數(shù)，G為入射輻射，C為線性各項(xiàng)異性相位函數(shù)系數(shù)。引入?yún)?shù)：

方程可化為：

G的輸運(yùn)方程為：

其中：σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，S_G為用戶定義的輻射源相。使用P-1模型時(shí)，求解這個(gè)方程以得到當(dāng)?shù)剌椛鋸?qiáng)度。

合并上面兩式，可得到如下方程：

的表達(dá)式可以直接帶入能量方程，從而得到由于輻射所引起的熱量源(匯)。

當(dāng)模型中包含有顆粒分散相時(shí)，可以在P-1輻射模型中考慮顆粒的影響。對(duì)于包含有吸收、發(fā)射、散射性質(zhì)顆粒的灰體介質(zhì)，入射輻射的輸運(yùn)方程為：

其中，E_P為顆粒的等價(jià)輻射發(fā)射量，α_p為顆粒的等效吸收系數(shù)。

其中，ε_pn，A_pn，T_pn分別為第n個(gè)顆粒的黑度、投影面積(垂直輻射方向)和溫度。

Γ的定義為：

其中，等效顆粒散射因子定義為：

它是在顆粒跟蹤計(jì)算過(guò)程中得到的，f_pn為第n個(gè)顆粒的散射系數(shù)。

P-1法中輻射熱力量q_r的壁面邊界條件為：

如果假定壁面為擴(kuò)散灰體表面，則ρ_w＝1-ε_w，上式可以表示為：

此方程用來(lái)計(jì)算能量方程中的q_r,w以及輻射方程的邊界條件。

NO_X的生成機(jī)理及模型

(1)NO_X的生成機(jī)理

目前研究認(rèn)為煤燃燒過(guò)程中生成的NOX分為三種類型，分別為熱力型、快速型和燃料型。影響燃燒中NOX生成的因素有燃料特性如煤種、含氮量、含氮物質(zhì)結(jié)構(gòu)、顆粒粒徑等；運(yùn)行條件如鍋爐形式、負(fù)荷、溫度、氧量、反應(yīng)時(shí)間(停留時(shí)間)等。

(2)熱力型NO_X(Thermal NO_X)生成機(jī)理

熱力型NOX是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的氮氧化物。它的生成機(jī)理是Zeldovich于1946年提出的，其生成過(guò)程可由如下反應(yīng)來(lái)描述：

當(dāng)燃料濃度過(guò)大時(shí)，還需要考慮下式反應(yīng)：

熱力型NOX主要是在1500℃以上的高溫區(qū)產(chǎn)生的，其生成速度和溫度的關(guān)系是按照阿累利烏斯定律：隨著溫度的升高，NOX的生成速度按指數(shù)規(guī)律迅速增加。其生成量可以按Zeldovich動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行估算：

式中：[O₂]，[N₂]，[NO]分別為O₂，N₂，NO的濃度(mol/cm³)；

T為絕對(duì)溫度(K)；

t為時(shí)間(s)；

R為通用氣體常數(shù)(J/(mol·K))。

熱力型NOX的生成速度與溫度呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)燃燒溫度低于1800K時(shí)，熱力型NOX生成極少，當(dāng)溫度高于1800K時(shí)，反應(yīng)逐漸明顯，而且隨著溫度的升高，NOX的生成量急劇升高，溫度在1800K左右時(shí)，溫度每升高100K，反映速度將增大6-7倍。在燃燒過(guò)程中，如果出現(xiàn)局部高溫區(qū)，則在這些區(qū)域會(huì)生成較多的NOX，它可能會(huì)對(duì)整個(gè)燃燒室內(nèi)的NOX生成起關(guān)鍵性作用，因此在實(shí)際過(guò)程中應(yīng)盡量避免局部高溫區(qū)的作用。

過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)熱力NOX的影響也是非常明顯的，理論上來(lái)說(shuō)熱力NOX生成量與氧濃度的平方根成正比，即氧濃度增大在較高溫度下會(huì)使氧分子分解所得的氧原子濃度增加，使熱力NOX的生成量增加。而在實(shí)際過(guò)程中情況會(huì)更復(fù)雜一些，因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)增加一方面增加氧濃度，另一方面O2濃度的增大會(huì)由于氧的稀釋作用使得燃燒溫度下降，導(dǎo)致NOX的生成速率降低?？傊?，NOX的生成速率與O2濃度有一個(gè)極值的關(guān)系，理論上這個(gè)極值為α＝1，偏離α＝1都會(huì)使NOX的生成量降低。

(3)快速型NO_X生成機(jī)理

快速型NOX最早是由費(fèi)尼莫爾(Fenimore)于1971年通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。在富 碳?xì)浠衔锶剂先紵幕鹧娣迕嫔希瑫?huì)反應(yīng)生成大量的快速NOX，由于碳?xì)淙剂细邷胤纸獬龅腃H自由基和空氣中的N2反應(yīng)生成HCN和N，進(jìn)而在O2的作用下以極快的速度形成NOX，反應(yīng)所需要的時(shí)間大概為60ms，生成量和爐膛壓力的0.5次方成正比，與溫度的關(guān)系不大。由于快速NOX需要碳?xì)浠衔飭?dòng)和N2的反應(yīng)，所以在富燃料火焰中生成量較多，多發(fā)生于內(nèi)燃機(jī)的燃燒過(guò)程，對(duì)于燃煤設(shè)備，快速型NOX只占5％左右。

(4)燃料型NOX生成機(jī)理

燃料型NOX在煤粉燃燒生成的NOX中占很大的比例。無(wú)論是揮發(fā)份燃燒還是焦碳燃燒階段都形成了大量的NOX，煤在熱解燃燒過(guò)程中燃料型NOX的生成和還原過(guò)程非常復(fù)雜，它和煤種特性、煤中氮的結(jié)構(gòu)、氮受熱分解后在揮發(fā)份和焦碳中的比例、含氮產(chǎn)物成分以及燃燒條件密切相關(guān)。燃燒型NOX的生成—還原過(guò)程大致可以分以下三步：(a)熱解揮發(fā)過(guò)程：揮發(fā)份N的析出；(b)氧化過(guò)程：揮發(fā)份N和焦碳N與空氣中氧的反應(yīng)過(guò)程；(c)雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)過(guò)程：燃料N轉(zhuǎn)化的含氮中間產(chǎn)物生成NOX的氧化反應(yīng)和生成的NOX被含氧中間產(chǎn)物還原成N2的還原反應(yīng)同時(shí)發(fā)生并相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程。

(5)NOX生成模型

燃燒過(guò)程中NOX的生成過(guò)程及其復(fù)雜，目前主要有以下幾個(gè)NOX生成模型：基元反應(yīng)模型、PDF輸運(yùn)方程模型、De’Soete模型和擴(kuò)展的De’Soete模型等。

(6)基元反應(yīng)模型

基元反應(yīng)模型忽略了實(shí)際燃燒過(guò)程中的特征，強(qiáng)調(diào)NOX生成的平衡反應(yīng)，考慮體系內(nèi)所有可能的基元反應(yīng)和反應(yīng)物質(zhì)，按平衡方程求解?；磻?yīng)模型精度較高，但由于涉及的反應(yīng)很多，計(jì)算比較復(fù)雜。

(7)De’Soete模型

De’Soete模型把所有中間產(chǎn)物都設(shè)定為HCN，煤中N的釋放速率正比于煤粉熱解及煤焦燃燒時(shí)的質(zhì)量衰減率。

其中，f_N為煤中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M_HCN，分別為HCN，N₂的分子量。

(8)擴(kuò)展的De’Soete模型

De’Soete模型僅考慮了燃料NOX里面的揮發(fā)份HCN產(chǎn)生的NOX和熱力型NOX，未考慮揮發(fā)份中NH3等組分和焦炭生成的NO。

(9)PDF輸運(yùn)方程模型

NO_X在生成過(guò)程中，不僅與本身的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理有關(guān)，而且和湍流流場(chǎng)及其之間的相關(guān)作用有關(guān)。PDF輸運(yùn)方程模型把湍流輸運(yùn)和化學(xué)反應(yīng)速率相關(guān)的項(xiàng)都用封閉形式表達(dá)，無(wú)需模擬，任何復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理都可以精確計(jì)算，因此它在污染物生成過(guò)程的模擬過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。

煤粉燃燒過(guò)程中NO_X污染物的生成量極少，主要是NO，它不會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐钠渌骄鶊?chǎng)變量，如溫度、速度、主要組分濃度產(chǎn)生較大的影響。因此，NO生成的數(shù)值模擬計(jì)算可以從計(jì)算爐內(nèi)氣固兩相流動(dòng)、傳熱和煤粉燃燒的程序中解耦出來(lái)，即采用后置處理(post-processor)的方法進(jìn)行模擬很小，一般可以忽略。因此，本文對(duì)快速型NO的反應(yīng)未予考慮。

煤粉爐內(nèi)的NO_X生成過(guò)程發(fā)生于湍流兩相流動(dòng)中，其湍流時(shí)均反應(yīng)速率不同于化學(xué)機(jī)理模型給出的瞬時(shí)反應(yīng)速率，因此必須考慮湍流脈動(dòng)對(duì)其化學(xué)反應(yīng)速率的影響。焦炭對(duì)NO的還原反應(yīng)為異相反應(yīng)，速率較慢，可以忽略湍流脈動(dòng)對(duì)其化學(xué)反應(yīng)速率的影響，其時(shí)均反應(yīng)速率可以由平均變量直接計(jì)算得出。對(duì)于煤中HCN的釋放速率也可以忽略湍流脈動(dòng)的影響。然而，對(duì)于NO生成與還原過(guò)程中的各均相反應(yīng)，由于其反應(yīng)時(shí)間尺度與湍流混合時(shí)間尺度為同一數(shù)量級(jí)，因此必須考慮湍流脈動(dòng)對(duì)其化學(xué)反應(yīng)速率的影響。目前，應(yīng)用得比較普遍的方法是采用設(shè)定PDF(Probability Density Function)模型方法模擬湍流的影響，與PDF輸運(yùn)方程模型方法相比，該模型難以模擬詳細(xì)的有限化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和湍流間的相互作用，但對(duì)于NO_X生成的總體模擬是合適的，而且計(jì)算量較小，并具有較高的計(jì)算精度。本研究設(shè)瞬時(shí)反應(yīng)速率為兩個(gè)變量-溫度、氧濃度的函數(shù)，采用有限反應(yīng)速率的設(shè)定β函數(shù)形式的PDF模型，即p(T)、p(Y_O2)，將瞬時(shí)反應(yīng)速率乘以p(T)p(Y_O2)進(jìn)行積分，就可以得出平均反應(yīng)速率。將溫度T進(jìn)行無(wú)量綱化為θ，同時(shí)假定θ和Y_O2是兩個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的變量，具體模型為：

數(shù)值求解方法

通過(guò)對(duì)燃燒過(guò)程中的質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒、組分平衡和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律的研究，建立了燃燒過(guò)程中的流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)和燃燒現(xiàn)象及各子過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。燃燒過(guò)程的控制方程是復(fù)雜的非線性偏微分方一程，除了個(gè)別簡(jiǎn)單情形外，很難用直接解法獲得這些偏微分方程的精確解，只能用迭代法求其近似解，因此，建立正確的物理模型后，關(guān)鍵在于是否能夠建立適當(dāng)?shù)那蠼夥椒ā?/p>

(1)區(qū)域的離散化

在對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬之前，首先要進(jìn)行計(jì)算區(qū)域的離散化，它的實(shí)質(zhì)就是用有限個(gè)離散的點(diǎn)來(lái)代替原來(lái)的連續(xù)空間，即網(wǎng)格化。區(qū)域的離散化是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的前提。網(wǎng)格化的方法很多，有固定網(wǎng)格和浮動(dòng)網(wǎng)格，正交網(wǎng)格和非正交網(wǎng)格，均勻分布網(wǎng)格和非均勻分布網(wǎng)格，交錯(cuò)網(wǎng)格等。

根據(jù)應(yīng)變量在節(jié)點(diǎn)的分布假定及推導(dǎo)離散方程的方法，主要有以下幾種離散方法：有限差分法、有限元法和有限體積法。本文采用的是有限體積法(Finite Volume Method簡(jiǎn)稱FVM)又稱控制體積法。有限體積法的基本思路：將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積，將待解微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，從而得出一組離散方程。從積分區(qū)域的選取方法看來(lái)，有限體積法屬于加權(quán)余量法中的子域法，從未知界的近似方法看來(lái)，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。

此外，視節(jié)點(diǎn)在控制容積中的位置，可分為內(nèi)節(jié)點(diǎn)法和外節(jié)點(diǎn)法。網(wǎng)格化的方式影響微分方程離散的難易。也關(guān)系到解的精度，收斂性和經(jīng)濟(jì)性

(2)幾種離散格式

在使用有限體積法建立離散方程時(shí)，很重要的一步就是將控制體積界面上的物理量及其導(dǎo)數(shù)通過(guò)節(jié)點(diǎn)物理量插值求出。目前主要有以下幾種離散格式：中心差分格式、一階迎風(fēng)格式、混合格式、指數(shù)格式、乘方格式、二階迎風(fēng)格式和QUICK格式。

中心差分格式(Central Differencing Scheme)，就是界面上的物理量采用線性插值公式來(lái)計(jì)算。中心差分格式只能應(yīng)用于速度很小或者網(wǎng)格間距很小。

一價(jià)迎風(fēng)格式(First Order Upwind Scheme)考慮到流動(dòng)方向的影響，在任何條件下都不會(huì)引起解的震蕩，永遠(yuǎn)都可以得到物理上看來(lái)是合適的解。因 此，一階迎風(fēng)格式得到了廣泛的應(yīng)用。

混合格式(Hybrid Scheme)綜合了中心差分和迎風(fēng)作用兩方一面的因素。因此，混合格式在CFD軟件中廣為采納。缺點(diǎn)是只有一階精度。

指數(shù)格式(Exponential Scheme)將擴(kuò)散與對(duì)流的作用和在一起來(lái)考慮。指數(shù)運(yùn)算可以得到精確解，但運(yùn)算費(fèi)用費(fèi)時(shí)，在二維和三維的問(wèn)題，以及源項(xiàng)不為零的情況，計(jì)算不準(zhǔn)確。

乘方格式(Power-law Scheme)與指數(shù)格式非常接近的一種離散格式。

二階迎風(fēng)格式與一階迎風(fēng)格式相同點(diǎn)在于都通過(guò)上游單元點(diǎn)的物理量來(lái)確定控制體積界面的物理量。但二階迎風(fēng)格式不僅用到上游最近的一個(gè)點(diǎn)的值，還要用到另外一個(gè)上游點(diǎn)的值。

QUICK(Quadratic Upwind Interpolation of Connective Kinematics)格式是一種改進(jìn)離散方程截差的方法。

本報(bào)告采用一價(jià)迎風(fēng)格式。

(3)流場(chǎng)數(shù)值算法

流場(chǎng)計(jì)算的基本過(guò)程是在空間上用有限體積法將計(jì)算域離散成許多小的體積單元，在每個(gè)體積單元上對(duì)離散后的控制方程組進(jìn)行求解?？梢苑譃榕汉鲜浇夥ê头蛛x式解法，木文采用分離式求解法。分離式求解法是順序地、逐一地求解各方程(關(guān)于u、v、w、p和T的方程)。也就是先在全部網(wǎng)格上解出一個(gè)方程(如u動(dòng)量方程)后，再解另外一個(gè)方程(如v動(dòng)量方程)。由于控制方程是非線性的，且相互之間是耦合的，因此，在得到收斂解之前，要經(jīng)過(guò)多輪迭代。每一輪迭代由如下步驟組成：1、根據(jù)當(dāng)前解的結(jié)果，更新所有流動(dòng)動(dòng)量，如果計(jì)算剛剛開(kāi)始，則用初始值來(lái)更新；2、按順序分別求解u、v和w動(dòng)量方程，得到速度場(chǎng)，注意在計(jì)算時(shí)，壓力和單元界面的質(zhì)量流量使用當(dāng)前的已知值；3、因第2步得到的速度很可能不滿足連續(xù)方程，因此，用連續(xù)方程和線性化的動(dòng)量方程構(gòu)造一個(gè)Poisson型的壓力修正方程，然后求解該壓力修正方程，得到壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)的修正值；4、利用新得到的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)，求解其他標(biāo)量(如溫度，湍動(dòng)能和組分等)的控制方程；5、對(duì)于包含離散相的模擬，當(dāng)內(nèi)部存在相間耦合時(shí)，根據(jù)離散相的軌跡計(jì)算結(jié)果更新連續(xù)相的源項(xiàng)；6、檢查方程組是否收斂。若不收斂，回到第1步，重復(fù)進(jìn)行。

SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)是目前工程中廣泛應(yīng)用的一種流場(chǎng)計(jì)算方法，它屬于壓力修正法的一種。主要包括SIMPLE和由它派生出來(lái)的SIMPLER、SIMPLEST和PISO。

本實(shí)施例采用SIMPLE算法。

燃燒器氣固兩相流動(dòng)模擬

(1)網(wǎng)格與計(jì)算方法

為了掌握TH-NR3低NOx燃燒器氣固兩相流動(dòng)特性，為燃燒器與爐膛流動(dòng)以及燃燒特性模擬提供入口參數(shù)條件，對(duì)燃燒器開(kāi)展了氣固兩相流動(dòng)模擬。按照上文描述的實(shí)際燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸建立燃燒器模型，見(jiàn)圖3(a)。由于燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用分區(qū)劃分網(wǎng)格方法，一次風(fēng)通道彎頭部分采用四面體網(wǎng)格，其它部分采用六面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為35萬(wàn)，燃燒器網(wǎng)格見(jiàn)圖3(b)。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置模擬入口邊界條件，采用質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量數(shù)值根據(jù)燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到，中心風(fēng)、一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)質(zhì)量流量依次為0.742kg/s、3.833kg/s、1.575kg/s和7.3kg/s；出口邊界條件根據(jù)爐膛實(shí)際壓力條件，設(shè)定為壓力出口，壓力設(shè)置為-80Pa；壁面邊界條件取無(wú)滑移條件；湍流流動(dòng)模型采用Realize k-ε雙方程模型。

(2)結(jié)果與分析

一次風(fēng)模擬結(jié)果

圖5為一次風(fēng)風(fēng)道內(nèi)速度云圖。一次風(fēng)通過(guò)彎頭時(shí)，內(nèi)側(cè)速度高于外側(cè)速度。這是由于一次風(fēng)經(jīng)過(guò)彎頭時(shí)，受到中心風(fēng)通道的阻礙和擠壓，內(nèi)側(cè)一次風(fēng)流量大于外側(cè)，同時(shí)通流面積減小，內(nèi)側(cè)速度升高。由于內(nèi)側(cè)流量大于外側(cè)流量，在一次風(fēng)通道直段、煤粉濃縮器和一次風(fēng)出口處，內(nèi)側(cè)速度均稍高于外側(cè)速度。這使燃燒器出口一次風(fēng)流量發(fā)生偏斜，造成上側(cè)風(fēng)量稍小而下側(cè)風(fēng)量稍大，也起到了煤粉濃縮的效果。

煤粉濃縮器模擬結(jié)果

圖6(a)和(b)是燃燒器一次風(fēng)風(fēng)道及出口處煤粉濃度分布。如圖所示，在一次風(fēng)風(fēng)道彎頭處，由于煤粉顆粒的慣性作用，一次風(fēng)風(fēng)道上側(cè)的煤粉濃度明顯高于下側(cè)，這實(shí)現(xiàn)了煤粉的第一次濃縮：一次風(fēng)風(fēng)道上、下側(cè)濃縮。之后，由于煤粉濃縮器的慣性分離效果，煤粉顆粒富集于一次風(fēng)出口的外環(huán) 側(cè)，實(shí)現(xiàn)了煤粉的第二次濃縮：一次風(fēng)出口內(nèi)、外環(huán)側(cè)濃縮。煤粉經(jīng)過(guò)兩次濃縮后，并經(jīng)過(guò)穩(wěn)燃齒進(jìn)一步作用，煤粉富集于一次風(fēng)外側(cè)，在燃燒器一次風(fēng)出口形成了煤粉濃度上側(cè)高，下側(cè)、左側(cè)以及右側(cè)低；外環(huán)側(cè)高，內(nèi)環(huán)側(cè)低的分布。受回流高溫?zé)煔獾膶?duì)流和爐膛高溫?zé)煔獾妮椛浼訜岷?，高濃度煤粉迅速著火，并穩(wěn)定燃燒。這樣煤粉濃度分布提高了快速點(diǎn)燃和火焰的穩(wěn)定能力，極大的降低了NOx排放及提高了不投油低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。

外二次風(fēng)旋流器模擬結(jié)果

外二次風(fēng)旋流器采用切向葉片，通過(guò)調(diào)整葉片的角度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量和旋流強(qiáng)度，來(lái)達(dá)到最佳的燃燒效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，此處旋流葉片與切向角度為37.5度，也即外二次風(fēng)擋板開(kāi)度為50％。圖7(a)和(b)是燃燒器外二次風(fēng)旋流器以及出口處速度矢量圖?？梢钥闯?，旋流葉片的入口處，通流面積大，速度值較??；而靠近中心處，由于通流面積減小，氣流速度增大。在經(jīng)過(guò)旋流葉片導(dǎo)向作用后，外二次風(fēng)在風(fēng)道內(nèi)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，并具有一定旋流強(qiáng)度。模擬結(jié)果可為燃燒器以及爐膛流動(dòng)與燃燒特性模擬提供外二次風(fēng)入口參數(shù)條件。

燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬

(1)網(wǎng)格與計(jì)算方法

前后墻對(duì)沖旋流燃燒鍋爐中，每只旋流燃燒器是自著火穩(wěn)燃，不需相鄰燃燒的加熱支持。因此，本報(bào)告建立包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三維軸對(duì)稱燃燒室，燃燒室的直徑是6m，為采用該燃燒器的1000MW超超臨界鍋爐燃燒器之間的實(shí)際距離，長(zhǎng)度是7.8m，為爐膛深度的一半。由于燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在現(xiàn)有的計(jì)算能力下，對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)煤?jiǎn)化，同時(shí)對(duì)燃燒器以及出口流動(dòng)梯度變化大的區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，網(wǎng)格單元數(shù)量均為67萬(wàn)，如圖3所示。

為了檢驗(yàn)?zāi)M中所建立的網(wǎng)格模型以及采用的湍流模型能否合理地模擬燃燒器流場(chǎng)特性，首先，本報(bào)告對(duì)燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)與數(shù)值模擬。煙花示蹤條件為：內(nèi)二次風(fēng)開(kāi)度100％，旋轉(zhuǎn)外二次風(fēng)開(kāi)度100％，一次熱風(fēng)母管壓力8KPa，一次風(fēng)速度26m/s，二次風(fēng)箱壓力1.5KPa。數(shù)值模擬采用冷態(tài)試驗(yàn)的參數(shù)條件，分別是一次風(fēng)速度26m/s，內(nèi)二次風(fēng)速 度16m/s，外二次風(fēng)風(fēng)速21.5m/s，中心風(fēng)速為9.6m/s。采用旋流修正的Realizable k-ε雙方程湍流模型模擬氣相湍流流動(dòng)。

在燃燒模擬計(jì)算中，采用旋流修正的Realizable k-ε雙方程湍流模型模擬氣相湍流；采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)模型對(duì)燃燒采用；采用顆粒隨機(jī)軌道模型模擬煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)；煤的熱解采用雙方程平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型；焦炭燃燒則采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型；輻射傳熱計(jì)算采用P1法，離散方法均采用QUICK格式。

煤質(zhì)特性見(jiàn)表，該煤是一種高揮發(fā)分煙煤，煤粉顆粒直徑按照Rosin-Rammler方法分布。Rosin-Rammler分布假定在顆粒直徑d與大于此直徑的顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y_d之間存在指數(shù)關(guān)系為為平均直徑，n為分布指數(shù)，最小粒徑5μm，最大粒徑250μm，平均粒徑54μm，分布指數(shù)0.9。

燃燒模擬先對(duì)燃燒器設(shè)計(jì)工況流動(dòng)與燃燒特性進(jìn)行了模擬，然后分別改變外二次風(fēng)速度、外二次風(fēng)擋板開(kāi)度(即變旋流強(qiáng)度)、一次風(fēng)速度與中心風(fēng)速度模擬考察了燃燒器流動(dòng)與燃燒特性。參數(shù)分別改變?nèi)缦拢?1)外二次風(fēng)速度為32m/s和38m/s；(2)外二次風(fēng)擋板開(kāi)為75％與50％(假定擋板開(kāi)度變化時(shí)外二次風(fēng)速度不變)；(3)一次風(fēng)速度17m/s與19m/s；(4)中心風(fēng)速度為10m/s與20m/s。

(2)結(jié)果與分析

冷態(tài)流場(chǎng)模擬結(jié)果與煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖8是冷態(tài)流場(chǎng)模擬結(jié)果與煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。對(duì)比煙花示蹤與模擬結(jié)果表明，燃燒器各噴口氣流進(jìn)入燃燒室后，一次風(fēng)氣流與二次風(fēng)氣流相互卷吸；受二次風(fēng)氣流的卷吸，一次風(fēng)外圍部分氣流在離開(kāi)噴口后不久開(kāi)始擴(kuò)散，在一次風(fēng)中心區(qū)域形成了中心回流區(qū)。由于穩(wěn)燃環(huán)以及擴(kuò)口推遲一、二混合的作用，在二次風(fēng)與一次風(fēng)之間區(qū)域形成了強(qiáng)烈的回流區(qū)。盡管受到二次風(fēng)的卷吸，但是一次風(fēng)射流剛性仍然較強(qiáng)，射程較遠(yuǎn)。二次風(fēng)氣流衰減較快，受到一次風(fēng)的卷吸，二次風(fēng)氣流射流在與一次風(fēng)氣流呈45度角左右流動(dòng)一定距離后，又逐步回到燃燒器的射流軸線上，形成了在燃燒器軸線上分段配風(fēng)燃燒的效果。這表明，采用本報(bào)告所建立的燃燒器、燃燒室網(wǎng)格 以及湍流流動(dòng)模型，能夠合理模擬該燃燒器的流動(dòng)特性。

(2)設(shè)計(jì)工況燃燒模擬結(jié)果

圖9是燃燒器截面速度矢量。如上述冷態(tài)流場(chǎng)研究結(jié)果所述，由于一次風(fēng)與二次風(fēng)相互卷吸，一次風(fēng)離開(kāi)噴口后不久開(kāi)始逐漸擴(kuò)散，二次風(fēng)則在與一次風(fēng)一定角度流動(dòng)一段距離后沿燃燒器軸線方向逐步與一次風(fēng)混合。流場(chǎng)中，有兩個(gè)回流區(qū)：一個(gè)是一次風(fēng)與二次風(fēng)之間的回流區(qū)，該回流區(qū)較長(zhǎng)較寬，從穩(wěn)燃環(huán)后開(kāi)始，一致延伸到一二次風(fēng)混合處，長(zhǎng)約1.5m左右。這個(gè)回流區(qū)大量高溫?zé)煔饪苫亓鞯椒€(wěn)燃環(huán)后的一次風(fēng)煤粉氣流根部，為一次風(fēng)外側(cè)煤粉氣流快速著火提供主要熱量支持。另一是位于一次風(fēng)與中心風(fēng)射流1.5m左右的中心內(nèi)回流區(qū)。中心回流區(qū)較小，可回流高溫?zé)煔恻c(diǎn)燃一次風(fēng)中心煤粉氣流。

圖10是計(jì)算的燃燒器截面溫度分布與文獻(xiàn)中試驗(yàn)得到的某工況下的爐內(nèi)火焰的圖像。分析計(jì)算的燃燒器截面溫度分布可知，燃燒器噴口穩(wěn)燃環(huán)后的溫度為1300K左右。這表明模擬的煤粉氣流著火迅速。進(jìn)一步分析可知，著火首先發(fā)生在一、二次風(fēng)之間回流區(qū)的一次風(fēng)外側(cè)。這里有濃縮形成的高煤粉濃度，有大量回流的高溫?zé)煔饧訜幔^強(qiáng)的湍流混合于適當(dāng)?shù)难鯕鉂舛?，符合“三高”區(qū)著火的原理。著火后，在0.4m的距離內(nèi)，煙氣溫度迅速上升到1800K。由于模擬的煤為高揮發(fā)份煙煤，析出的大量揮發(fā)份劇烈燃燒產(chǎn)生高溫區(qū)。由于二次風(fēng)的卷吸，一次風(fēng)煤粉氣流逐漸擴(kuò)散以及二次風(fēng)的逐漸混合，提供燃燒所需的氧量，高溫區(qū)逐漸擴(kuò)大；高溫區(qū)主要位于一、二次風(fēng)回流區(qū)。之后，由于煤焦的劇烈燃燒與大量二次風(fēng)的混入，煙氣高溫去進(jìn)一步擴(kuò)大。由于燃燒器流場(chǎng)的作用，高溫區(qū)會(huì)收縮后又?jǐn)U散，形成一縮腰型火焰。在中心風(fēng)與一次風(fēng)煤粉氣流中心，由于中心回流區(qū)的存在，氣流中心的煤粉也能著火燃燒，但是由于氣流中心氧濃度偏低，燃燒溫度不高。沿軸向離燃燒器出口不同距離截面溫度分布(圖12)也可很好地說(shuō)明燃燒器迅速著火以及火焰逐漸發(fā)展的特性。

由試驗(yàn)的火焰圖像可以看出，煤粉氣流著火距離很短，幾乎就是在穩(wěn)燃環(huán)后就開(kāi)始著火燃燒；由于受到二次風(fēng)的卷吸，火焰逐漸擴(kuò)散變寬；一定距離后，在一、二次風(fēng)氣流的共同作用下，火焰開(kāi)始收縮。對(duì)比表明，模擬的火 焰形狀和試驗(yàn)拍攝的火焰形狀非常相近。這表明采用本報(bào)告建立的網(wǎng)格與數(shù)學(xué)模型能夠較為合理地模擬該燃燒器利用高溫?zé)煔饣亓鞣€(wěn)定火焰，煤粉在回流區(qū)內(nèi)迅速著火，然后形成穩(wěn)定火焰的主要特性。

圖10是燃燒器截面氧濃度分布。與溫度分布特性相反，在離燃燒器噴口不遠(yuǎn)的一次風(fēng)煤粉氣流后與一、二次風(fēng)之間回流區(qū)，氧濃度很低。這是由于煤粉氣流著火后迅速燃燒消耗大量的氧氣，形成了高溫低氧區(qū)。低氧區(qū)域?qū)刂迫紵鱊Ox的生成與還原非常有利。在火焰外側(cè)，由于二次風(fēng)混入，氧濃度逐漸增加。

圖13是燃燒器截面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。由于一次風(fēng)煤粉氣流中心區(qū)域氧濃度很低，此處產(chǎn)生了大量可燃?xì)怏wCO；隨著二次風(fēng)的逐步混合加入，CO逐漸燃燒，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。

圖14是燃燒器截面NO濃度分布。可以看出，在燃燒器穩(wěn)燃環(huán)后的回流區(qū)，由于煤粉迅速著火燃燒，產(chǎn)生了大量的NO，NO濃度最大達(dá)到400ppm左右。隨后，生成的NO在火焰區(qū)域內(nèi)大面積低氧還原區(qū)域內(nèi)被大量還原，在火焰中心區(qū)域形成低NO濃度區(qū)域，很好地體現(xiàn)了該燃燒器火焰內(nèi)NO還原的技術(shù)特性?；鹧嫱鈧?cè)，由于二次風(fēng)的逐步混合加入，氧濃度的增加，NO生成量又會(huì)所增加。

請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種HT-NR3低NOx燃燒器流動(dòng)與燃燒特性模擬裝置的一個(gè)實(shí)施例包括：

建立與劃分單元201，用于建立包含單只HT-NR3低NOx燃燒器的三位軸對(duì)稱燃燒室，對(duì)三位軸對(duì)稱燃燒室進(jìn)行簡(jiǎn)化和分區(qū)網(wǎng)格劃分；

模型再處理單元202，用于獲取HT-NR3低NOx燃燒器設(shè)置后的設(shè)計(jì)參數(shù)和工況條件。

模擬單元203，用于通過(guò)基本守恒方程、旋流修正的湍流流動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型、氣相湍流燃燒模型、煤粉顆粒燃燒模型、輻射換熱模型和NOX生成模型對(duì)網(wǎng)格劃分后的HT-NR3低NOx燃燒器中的鍋爐煤粉的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬；

檢測(cè)單元204，用于通過(guò)對(duì)HT-NR3低NOx燃燒器的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行煙花示蹤及飄帶試驗(yàn)與數(shù)值模擬檢驗(yàn)HT-NR3低NOx燃燒器、旋流修正的湍流流 動(dòng)模型、湍流氣固兩相流動(dòng)模型和氣相湍流燃燒模型的合理性；

確定單元205，用于根據(jù)模擬后的結(jié)果確定鍋爐燃燒器內(nèi)的氣流場(chǎng)、鍋爐燃燒器內(nèi)的溫度場(chǎng)、鍋爐燃燒器內(nèi)的煙氣成分分布、煤粉顆粒在鍋爐燃燒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡、鍋爐燃燒器壁面輻射熱流、鍋爐燃燒效率和NO_X排放量。

所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡(jiǎn)潔，上述描述的系統(tǒng)，裝置和單元的具體工作過(guò)程，可以參考前述方法實(shí)施例中的對(duì)應(yīng)過(guò)程，在此不再贅述。

在本申請(qǐng)所提供的幾個(gè)實(shí)施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的系統(tǒng)，裝置和方法，可以通過(guò)其它的方式實(shí)現(xiàn)。例如，以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，例如，所述單元的劃分，僅僅為一種邏輯功能劃分，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)可以有另外的劃分方式，例如多個(gè)單元或組件可以結(jié)合或者可以集成到另一個(gè)系統(tǒng)，或一些特征可以忽略，或不執(zhí)行。另一點(diǎn)，所顯示或討論的相互之間的耦合或直接耦合或通信連接可以是通過(guò)一些接口，裝置或單元的間接耦合或通信連接，可以是電性，機(jī)械或其它的形式。

所述作為分離部件說(shuō)明的單元可以是或者也可以不是物理上分開(kāi)的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上。可以根據(jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部單元來(lái)實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。

另外，在本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例中的各功能單元可以集成在一個(gè)處理單元中，也可以是各個(gè)單元單獨(dú)物理存在，也可以兩個(gè)或兩個(gè)以上單元集成在一個(gè)單元中。上述集成的單元既可以采用硬件的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)。

所述集成的單元如果以軟件功能單元的形式實(shí)現(xiàn)并作為獨(dú)立的產(chǎn)品銷售或使用時(shí)，可以存儲(chǔ)在一個(gè)計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說(shuō)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分或者該技術(shù)方案的全部或部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來(lái)，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括：U盤、移動(dòng)硬盤、只讀存儲(chǔ)器(ROM，Read-Only Memory)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。

以上所述，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。