循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型_第1頁(yè)
循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型_第2頁(yè)
循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型_第3頁(yè)
循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型_第4頁(yè)
循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型_第5頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、第!卷第#期!$!年%月煤炭轉(zhuǎn)化+012!*02#4512!$!&()&*+,-./*3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型7777肖顯斌6楊海瑞6呂俊復(fù)!岳光溪#摘要介紹了有關(guān)文獻(xiàn)中循環(huán)流化床燃燒的數(shù)學(xué)模型2按照各模型所使用的流體動(dòng)力學(xué)模型的差異8將它們分成了不同的類(lèi)別2同時(shí)也簡(jiǎn)要介紹了幾種目前應(yīng)用于循環(huán)流化床數(shù)學(xué)模型的氣固兩相流數(shù)值模擬方法2在評(píng)述各模型的優(yōu)缺點(diǎn)和分析目前所存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上8初步提出了進(jìn)一步發(fā)展的方向2關(guān)鍵詞循環(huán)流化床8數(shù)學(xué)模型8流體動(dòng)力學(xué)模型8氣固兩相流8

2、數(shù)值模擬!2%9:$近二十年來(lái)8不少研究者在循環(huán)流化床數(shù)學(xué)模中圖分類(lèi)號(hào)$引言使模型得到了一定的發(fā)展2從目型上做了許多工作8前已有的數(shù)學(xué)模型上看8各燃燒數(shù)學(xué)模型間的主要循環(huán)流化床是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的清潔煤燃燒技術(shù)8它由于具有燃料適應(yīng)性廣;燃燒反應(yīng)充分及低污染排放等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外得到了蓬勃的發(fā)展和廣8泛的應(yīng)用2因此8它所涉及的相關(guān)研究?jī)?nèi)容成為國(guó)內(nèi)同時(shí)8按照建模機(jī)理分類(lèi)8可分為基于經(jīng)驗(yàn)的半關(guān)聯(lián)性質(zhì)的模型和基于微觀守恒方程的機(jī)理模型按照簡(jiǎn)化程度分類(lèi)8可分為零維;一維;二維;三維等模型2本節(jié)將有針對(duì)性地介紹各個(gè)典型模型及其所采用的流體動(dòng)力學(xué)模型22零維集中參數(shù)模型另一方面8借助計(jì)算機(jī)模型來(lái)研究復(fù)雜現(xiàn)象背后的微

3、觀物理本質(zhì)也是一種高效;實(shí)用的方法2建立循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型8對(duì)正確地預(yù)測(cè)其運(yùn)行性能8優(yōu)化循環(huán)流化床反應(yīng)裝置的設(shè)計(jì)和操作有著重要的意義2特別是商用循環(huán)流化床裝置的大型化8使得發(fā)展循環(huán)流化床燃燒的總體數(shù)學(xué)模型也成為基礎(chǔ)研成為循環(huán)流化床進(jìn)一步發(fā)展的要求8究和工程應(yīng)用兩方面都極為迫切的需要2本文對(duì)有關(guān)文獻(xiàn)中循環(huán)流化床燃燒的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)8按照各模型所使用的流體動(dòng)力學(xué)模型的差異8將同時(shí)也簡(jiǎn)要介紹了幾種目它們分成了不同的類(lèi)別2前應(yīng)用于循環(huán)流化床數(shù)學(xué)模型的氣固兩相流數(shù)值模擬方法2在評(píng)述各模型的優(yōu)缺點(diǎn)和分析目前所存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上8初步提出了進(jìn)一步發(fā)展的方向26!CO鍋爐及位于P$CO鍋爐進(jìn)J0QG

4、HMG的!行了仿真;預(yù)測(cè)2模型中將鍋爐分成一系列模塊8并通過(guò)一個(gè)圖形化界面將不同的模塊按需要組合8組合后的整體用牛頓I拉普森算法聯(lián)立求解2模型中不考慮各變量的空間分布8而是用平均值代替8這會(huì)帶來(lái)一定偏差2但模型形式簡(jiǎn)單8計(jì)算量相對(duì)較小22R鼓泡床模型該類(lèi)模型基本上是鼓泡流化床和飛灰回送模型的組合8將因飛灰回送而增加的停留時(shí)間和粒度分布的變化考慮到鼓泡床的模型中去2模型分為濃相段和稀相段流化床由兩相組成8即氣泡相呈平推6循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型萬(wàn)方數(shù)據(jù)博士生導(dǎo)師8清華大學(xué)熱能工程系867博士生!7副教授#7教授;6$ST北京收稿日期U!$!I$I6V年流!乳化相呈全混固體顆粒在床內(nèi)的停留時(shí)間服從正

5、態(tài)隨機(jī)分布規(guī)律#金保%&等$的模型認(rèn)為顆粒在床內(nèi)作隨機(jī)運(yùn)被鼓泡流化床停留時(shí)間分布計(jì)算出顆粒在濃相動(dòng)!區(qū)的平均停留時(shí)間!認(rèn)為顆粒在稀相區(qū)作變速運(yùn)動(dòng)!運(yùn)動(dòng)方程為)/55+,374*.(2.4(4)-90式中:(;顆粒流動(dòng)速度(;顆粒相對(duì)氣流的)5滑移速度*;床高.);顆粒密度./;氣體密度1;重力加速度3;曳力系數(shù)4;床直徑#按雙表面收縮模型求得燃燒的關(guān)系#這類(lèi)模型在處理循環(huán)流化床時(shí)過(guò)于簡(jiǎn)單!只能得到一些總體的特性!且模型的結(jié)果與循環(huán)流化床的差別比較大!但求解比較容易!適用于循環(huán)倍率較低的循環(huán)流化床的初步設(shè)計(jì)計(jì)算#萬(wàn)方數(shù)據(jù)期肖顯斌等循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型更為細(xì)致!目前發(fā)展得比較成熟!應(yīng)用較多但它忽

6、存在一定程度的失真另外!略了爐內(nèi)的徑向分布!小室如何劃分并沒(méi)有一個(gè)明確的依據(jù)!經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)考慮到實(shí)際氣相和固相的返混程度大不相同!兩相采用不同的劃分方法可以更好地兼顧兩相的流動(dòng)核結(jié)構(gòu)模型#$環(huán)%環(huán)%核流動(dòng)模型假設(shè)爐膛任一高度處有一明顯的環(huán)&核分界面!即中間是稀疏的核相區(qū)!靠壁面處核模型描述這也是一種在一維小室模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的準(zhǔn)二維模型是濃密的環(huán)相區(qū)!核相區(qū)內(nèi)顆粒向上流動(dòng)!而環(huán)相區(qū)內(nèi)顆粒向下流動(dòng)!氣體向上流動(dòng)不僅從整體上考慮顆粒的軸向分布顆粒粒徑的變化!而且考慮徑向顆粒濃度分布!環(huán)內(nèi)顆粒的向下運(yùn)動(dòng)及環(huán)與核上下區(qū)段固體與氣體的物質(zhì)和能量交換張永哲()*在李政的工作基礎(chǔ)上!在徑向引入了環(huán)核兩種小室

7、!利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算環(huán)核空隙率及氣固交換!更加細(xì)致地給出了鍋爐中流動(dòng)傳熱和反應(yīng)的分布情況王勤輝等(+*將鍋爐爐膛軸向分為密相區(qū)和稀相區(qū)!兩個(gè)區(qū)域以二次風(fēng)高為界,密相區(qū)被假設(shè)成一個(gè)鼓泡床!兩相混和均勻!沒(méi)有濃度梯度-稀相區(qū)沿徑向分成核心區(qū)和環(huán)區(qū)兩個(gè)通道!各區(qū)內(nèi)不存在濃度梯度!固相速度及通量由經(jīng)驗(yàn)式直接給定兩個(gè)通道分別進(jìn)行流動(dòng)傳熱和反應(yīng)計(jì)算這類(lèi)模型由于考慮了徑向的分布!使其發(fā)展成為了準(zhǔn)二維的模型!比一維模型更加細(xì)致區(qū)域內(nèi)仍然均一化!沒(méi)有進(jìn)一步考慮內(nèi)部的徑向分布-各研究者所采用的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)?zāi)P鸵哺鞑幌嗤硗?雖然環(huán)%核流動(dòng)模型在一定范圍內(nèi)已被接受!但相關(guān)文獻(xiàn)也指出!實(shí)際中并無(wú)明顯的環(huán)&核分界面(.

8、/*!這需要更進(jìn)一步的研究#0氣固濃%淡模型沈來(lái)宏(./*在吸收環(huán)%核流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上!將循環(huán)流化床爐膛上部稀相床內(nèi)下降的顆粒團(tuán)物料流定義為濃相!顆粒團(tuán)周?chē)蛏线\(yùn)動(dòng)的稀疏物料定義為淡相!床內(nèi)任一位置處濃相和淡相共存!下降的濃相存在于上升的淡相周?chē)?見(jiàn)圖23淡相內(nèi)氣體和固體均向上運(yùn)動(dòng)!濃相內(nèi)顆粒向下運(yùn)動(dòng)!氣體流動(dòng)方向取決于濃相區(qū)內(nèi)顆粒向下運(yùn)動(dòng)的速度大小!忽略?xún)上鄡?nèi)氣體顆粒的軸向擴(kuò)散過(guò)程!不考慮濃相區(qū)和淡相區(qū)內(nèi)顆粒濃度沿徑向的變化沿垂直方向分成若干個(gè)小室!每個(gè)小室又分為濃相區(qū)和淡相區(qū)相鄰小室之間存在著氣體萬(wàn)方數(shù)據(jù)固體質(zhì)量交換和能量交換!小室內(nèi)濃相區(qū)和淡相區(qū)存在著氣體交換燃燒采用縮%煤炭轉(zhuǎn)化;EE;

9、年熱以及各種熱效應(yīng)計(jì)算顆粒群造成的質(zhì)量!動(dòng)量及能量源并使之作用于氣相速度場(chǎng)!溫度場(chǎng)及組分濃度場(chǎng)氣相場(chǎng)則反過(guò)來(lái)又影響顆粒的軌道及沿軌道變化的經(jīng)歷#%&岑可法等$采用脈動(dòng)頻譜隨機(jī)軌道模型計(jì)算%A但能夠?qū)⑷紵龣C(jī)制引入該模型的研究還動(dòng)模擬$目前還不能完全實(shí)現(xiàn)基于微觀守恒原理并不多見(jiàn)#%B的流動(dòng)!反應(yīng)!傳熱等過(guò)程的全面耦合計(jì)算王維$實(shí)現(xiàn)了在鍋爐特定條件下的流動(dòng)計(jì)算并引入燃燒行為建立了一維連續(xù)分布的燃燒模型此類(lèi)模型形式統(tǒng)一便于應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的成功解法#此類(lèi)模型物理意了循環(huán)流化床內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律#義簡(jiǎn)明方程形式簡(jiǎn)單但計(jì)算很復(fù)雜#在循環(huán)流化床內(nèi)由于固體顆粒濃度較高采用此模型來(lái)計(jì)算固體顆粒濃度分布等會(huì)遇到比較

10、大的困難但在計(jì)算;氣固兩相流動(dòng)模型顆粒速度及氣固化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)可以追蹤比較復(fù)雜的顆粒經(jīng)歷#(#)雙流體模型雙流體模型是把顆粒和氣體都看成是連續(xù)介質(zhì)即看成雙流體系統(tǒng)認(rèn)為空間各點(diǎn)都有這兩種流體各自不同的速度!密度分布它們共同占據(jù)同一空間而互相滲透但存在不同的體積份額*或出現(xiàn)的概率+相互間存在著滑移#采用雙流體模型建立兩相流方程的觀點(diǎn)和基本方法是先建立每一相的!瞬時(shí)的!局部的守恒方程然后采用某種平均的方法得到兩相流方程和各種相間作用的表達(dá)式#最一般形式的兩相流方程很復(fù)雜直接用它去解決具體流動(dòng)問(wèn)題目前還有很多困難尤其是各種相互間作用的表達(dá)式為了便于使用需進(jìn)行簡(jiǎn)化#忽略流體相密度的脈動(dòng)!顆粒

11、質(zhì)量變化率的脈動(dòng)以及非定常關(guān)聯(lián)項(xiàng)雙流體模型中流體相控制方程組和顆粒相控制方程組可以用一個(gè)統(tǒng)一的形式表示為,./0/1/2,3./0/56/41/47,385/0/291:4,34*;+式中從單純的流動(dòng)模型研究來(lái)看萬(wàn)方數(shù)據(jù)國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)逐步從一維$%?!二維$%;?;發(fā)展到了三維的流從上節(jié)對(duì)總體模型的介紹中可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)合適的流體動(dòng)力學(xué)模型是循環(huán)流化床模型成功的關(guān)鍵#目前對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐中的流動(dòng)!傳熱及反應(yīng)等方面的了解還不透徹因此這方面的模型多是基于表象的宏觀解釋#隨著對(duì)認(rèn)識(shí)的不斷深入循環(huán)流化床的模擬也必然從宏觀的!經(jīng)驗(yàn)性的模型逐漸走向基于微觀守恒方程的模型#其中的機(jī)理性工作主要是指多相流體力

12、學(xué)中氣固兩相流領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究#時(shí)至今日雖然兩相流的模型已經(jīng)有了較大的進(jìn)展但仍處于發(fā)展完善階段#從刻劃的尺度及屬性上區(qū)分目前的兩相流模型主要有三類(lèi)#C#(連續(xù)介質(zhì)模型此類(lèi)模型把顆粒相看成擬流體這是在兩相流動(dòng)研究領(lǐng)域中使用最廣泛的一種方法#如果顆粒只被處理成一相的話(huà)就被稱(chēng)為雙流體模型#$%DC#C離散顆粒模型此類(lèi)模型只將顆粒看作離散相而氣體仍視為連續(xù)相對(duì)每個(gè)顆粒與氣體以及顆粒與顆粒間的作用都詳細(xì)考慮#由于此模型可以跟蹤所有顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡也常被稱(chēng)為顆粒軌道模型#$;EC#F流體擬顆粒模型此類(lèi)模型從刻劃單顆粒尺度上的運(yùn)動(dòng)行為入手不僅將宏觀離散的顆粒當(dāng)成離散相處理還將宏觀連續(xù)的流體也采用擬顆粒性質(zhì)的流體

13、微團(tuán)來(lái)處理從而可以模擬遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)#$;%&氣固兩相流的數(shù)值模擬方法流動(dòng)模型中參數(shù)的獲取可以有兩種途徑第一是經(jīng)驗(yàn)?zāi)P完P(guān)聯(lián)即由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P陀?jì)算得到結(jié)果=第二就是直接數(shù)值模擬即利用計(jì)算流體力學(xué)的方法建立基本守恒方程結(jié)合初始和邊期肖顯斌等循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型界條件!加上數(shù)值計(jì)算理論與方法!得出流場(chǎng)溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)等的分布#目前對(duì)氣固兩相流的數(shù)值模擬不外乎兩類(lèi)方即歐拉方法和拉格朗日方法#第一類(lèi)方法把顆粒法!作為擬流體!認(rèn)為顆粒與流體是共同存在且相互滲透的連續(xù)介質(zhì)!兩相都在歐拉坐標(biāo)系下處理!即連續(xù)介質(zhì)模型#這類(lèi)模型經(jīng)歷了無(wú)滑移模型小滑移雙流體模型有滑移$擴(kuò)散的雙流體模型以及近年來(lái)發(fā)展起來(lái)

14、的以顆粒碰撞理論為基礎(chǔ)的顆粒動(dòng)力學(xué)雙流體模型#對(duì)密相氣固兩相流!這類(lèi)模型能通過(guò)固體粘度和固體壓力來(lái)表示顆粒間相互作用#第二類(lèi)方法把氣體當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)!而將顆粒視為離散體系!在歐拉坐標(biāo)系下考察流體相的運(yùn)動(dòng)!在拉格朗日坐標(biāo)系下研究顆粒群的運(yùn)動(dòng)!即顆粒軌道模型#這類(lèi)模型用完全彈性碰撞模型或顆粒離散單元法處理密相氣固兩%&相流顆粒間相互作用#用#初始時(shí)各個(gè)顆粒/01將顆粒視為非連續(xù)介質(zhì)!處于力平衡狀態(tài)#當(dāng)所考慮在空間有其固定的位置!范圍內(nèi)的作用力系或邊界條件發(fā)生變化時(shí)!某些顆粒在重力及外力的作用下產(chǎn)生一定的加速度和相對(duì)使得顆粒的空間狀態(tài)發(fā)生變化!位移后的顆的位移!粒與所接觸的顆粒產(chǎn)生疊加!根據(jù)力$位移關(guān)

15、系!產(chǎn)生新的作用力系狀態(tài)!使得更多的顆粒由于作用力而產(chǎn)生新的運(yùn)動(dòng)和位移#離散單元法的計(jì)算是交替采用牛頓第二定律和接觸的力$位移方程來(lái)完成!牛頓第二定律給出由于所有施加在顆粒上的力而引起的顆粒運(yùn)動(dòng)!力$位移方程則用來(lái)計(jì)算接觸力與位移的關(guān)系!其計(jì)算過(guò)程可簡(jiǎn)單表示成圖2的形式#&2!&8等%運(yùn)用此方法對(duì)流化床和循環(huán)流化34567床進(jìn)行了模擬!得到了床內(nèi)氣固兩相的速度濃度分布顆粒團(tuán)聚分散!氣泡長(zhǎng)大和破碎的信息#這些研究結(jié)果說(shuō)明/01方法在模擬氣固兩相流方面已顯示出其潛在的強(qiáng)大預(yù)測(cè)性能!可望對(duì)氣固密相流中顆粒的流動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)描述#但由于受計(jì)算機(jī)容量和速度的限制!目前模擬主要針對(duì)大顆粒!小規(guī)模裝置和短時(shí)

16、間計(jì)算#(#)離散單元法*+,-.近年來(lái)在/01是研究顆粒軌道模型的方法!流體$固體密相流*特別是循環(huán)流化床.得到不少應(yīng)萬(wàn)方數(shù)據(jù)S煤炭轉(zhuǎn)化)VV)年能!模型必然由簡(jiǎn)單向復(fù)雜發(fā)展!多維模型將成為研同時(shí)!一個(gè)合適的流體動(dòng)力學(xué)模型是循環(huán)究的重點(diǎn)流化床模型成功的關(guān)鍵流動(dòng)模型中!對(duì)宏觀經(jīng)驗(yàn)?zāi)P图拔⒂^機(jī)理模型的研究使得循環(huán)流化床的建模也其一是從微觀流動(dòng)$傳熱$傳質(zhì)沿著兩個(gè)方向發(fā)展#機(jī)理出發(fā)!建立微觀機(jī)理的偏微分方程!得到詳盡的局部信息!這一工作依賴(lài)于兩相流模型及其封閉關(guān)系的改進(jìn)!以及計(jì)算方法與能力的提高%另一方向是參考依賴(lài)現(xiàn)有知識(shí)!以現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛠?lái)關(guān)聯(lián)據(jù)前面對(duì)各種模型特點(diǎn)的分析!可以得出#第一個(gè)

17、方向中!可對(duì)顆粒動(dòng)力學(xué)雙流體模型進(jìn)行進(jìn)一步深入對(duì)固相粘度$壓力的模擬!適當(dāng)簡(jiǎn)化!合理研究!引入燃燒機(jī)制%第二個(gè)方向中!可以小室模型為基礎(chǔ)!充分利用現(xiàn)有各經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷某晒?建立簡(jiǎn)化的多維模型!由于計(jì)算能力的限制!其關(guān)鍵在于探尋合理的假設(shè)以簡(jiǎn)化計(jì)算而不失真文獻(xiàn)沈幼庭鍋爐原理及計(jì)算第)版北京#科學(xué)出版社!&(馮俊凱!*+&)(,!#!-./00-123456-7.!8/9/:;?AB-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F31-C;5H4I;5-/C.1F;C-:0J:KL/4M.!8-7;F6#!*STSSUT+VB-54C/D-:03;F2;=:1C10NO3;-P-:0Q-;:;R5;66&W

18、(金保范新寬!阮!征等燃煤飛灰循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型工程熱物理學(xué)報(bào)!*V!X)Y#)*&T(Z!*+V!)SXTY#ST)USbb/P/:ZZ;:BB1I5;=;:6-_;.1F;C915EC4-F-G;F3;FB1/CB1I46D-1:JB=a7e&b(;!#!-cd!Q=1C;57E;DDEH./D=;I/D-/C.1F;C-:019B1/CB1I46D-1:-:/B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;FZ;/D15J:3/64R!#!*+)+*U)*+8/50;7E;F6B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;F2;=:1C10Nfgh915FR;50/I1:&S(李政循環(huán)流化床鍋

19、爐通用整體數(shù)學(xué)模型$仿真與性能預(yù)測(cè)#博士學(xué)位論文(北京#清華大學(xué)!&*T&i(.4!U-57Z35;5;D1:Bj5/?A,N:/I-.1F;C-:0915Q-I4C/D-1:/:FB1:D51C19/B-54C/D-:0EC4-F-G;F3;FB1I4!*i!TWXbY#TUb)6D15JB=a7焦載熱氣化燃煤聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型與控制研究#博士學(xué)位論文(北京#清華大學(xué)!&+(張永哲&)VVV駱仲泱!李絢天等循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)和燃燒特性的理論模擬動(dòng)力工程!&*(王勤輝!*!*XTY#)S*U)iT循環(huán)流化床燃燒數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)研究煤炭轉(zhuǎn)化!*!)XTY#biUS)&V(沈來(lái)宏e&(kN!

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