四喷嘴对置式气化炉的冷态数值模拟

（a）8 万网格
(b) 16 万网格
(c) 32 万网格 图 5 Z=0 平面的速度分布
(d) 48 万网格
2.50
90
2.45
平均湍流强度I（%）
平均湍动能K（m2/s2)
2.40
89
2.35
2.30
平均湍动能 平均湍流强度
88
2.25
2.20 0 10 20 30 40 50
87
网格数（万）
图 6 平均湍动能及平均湍流强度
2 2 2 2
1
前言
随着计算机技术的迅速发展，CFD（Computing Fluid Dynamics）数值模拟受到越来越 多人的重视[1-2]。一方面，数值模拟相对实验来说运行成本低；另一方面，数值模拟可以拓 展到难以用实验方法进行研究的领域，并且能够给出模拟对象的全面信息，便于对研究问 题建立直观的理解。 水煤浆气化炉的湍流流场和颗粒浓度分布比较复杂，为了深入了解气化炉内的流场分 布，为气化炉的优化设计提供依据，目前许多学者通过 CFD 技术对气化炉内流场进行了研 究。代正华，刘海峰，于广锁[3]等对四喷嘴对置式水煤浆气化炉进行了冷态实验和数值模 拟研究，得到气化炉内的速度分布，模拟结果与实验结果相吻合。吴玉新，张建胜，岳光 溪等[4]利用 fluent 软件采用 S-A 模型对水煤浆气化炉进行了冷态数值模拟，研究三通道喷 嘴和单通道喷嘴下水煤浆气化炉内的气相流场。于海龙[5]利用 RNG k-e 模型对新型水煤浆 气化炉进行了冷态数值模拟，得到气化炉内的流场分布、湍流强度和湍流动能分布、颗粒 浓度分布及颗粒平均停留时间。李超，代正华，许建良[6]等利用 fluent 软件对多喷嘴对置式 水煤浆气化炉进行了冷态数值模拟，获得气相流场和颗粒运动轨道。刘升，郝英立[7]利用 fluent 软件采用 Realizable k-e 模型模拟 Texaco 气化炉，得到气相速度分布、颗粒运动轨迹 及颗粒在炉内的停留时间分布，揭示了 Texaco 气化炉的气固两相流特性。 四喷嘴对置式气化炉是由华东理工大学在德士古水煤浆气化炉的基础上开发的一种新 型水煤浆气化炉，炉内湍流流场及颗粒浓度分布比较复杂，为了直观地描述和了解四喷嘴 对置式气化炉内流场分布情况及颗粒停留时间的分布情况， 为气化炉的优化设计提供依据， 本文利用 fluent 软件[8-9]对四喷嘴对置式气化炉进行了冷态数值模拟。
3
数学物理模型的建立
3.1 控制方程
本文主要对气化炉进行冷态数值模拟，模拟气化炉内流场分布情况及颗粒停留时间的 分布情况，模拟计算中的控制方程[10]包含连续相及颗粒相控制方程。 （1）连续相三维流动的控制方程 连续性方程：
u v w 0 x y z
式中，u、v、w 表示速度在 x、y、z 方向上的分量。 动量方程：
3.2 模型建立及网格划分
依据图 1 中的模型尺寸，在 gambit 中建立图 2 所示的气化炉模型（建模时以撞击点为 坐标原点，向上为 Z 轴，向右为 X 轴，垂直纸面为 Y 轴）。为了减少模型网格，提高计算 速度，根据模型的对称性，本文取四分之一模型，利用对称边界对该气化炉进行数值模拟。 利用 fluent 进行数值模拟时，网格的划分方式及数量对数值计算的结果影响较大。本 文经过多次试验，最终确定了网格的划分方式：在 gambit 中建立四分之一的气化炉模型， 采用 cooper 方法划分了六面体网格。因撞击区流场复杂，速度梯度大，本文对撞击区的网 格进行了加密，划分的网格如图 3 所示。网格数量初步划分了 16 万，本文在后面根据计算 结果对网格进行了独立性考核。
[ Abstract ] This paper uses Fluent software to simulate the tetra-burner gasifier, chooses Realizable k-e model, DPM model is used to simulate the particle phase, flow field and the distribution of particle residence time are obtained, simulation result is consistent with the experimental result. The results show that after impinging some fluid flows out quickly without passing the recirculation zone, which is not conducive to the material full reaction; Turbulent kinetic energy of the impinging zone and the jet zone is larger, mixing effect is better, maximum turbulent kinetic energy is 237m /s . Turbulent kinetic energy of other areas is smaller, less than 10 m /s , mixing effect is poorer. Distribution of particle residence time is wide, from 2.12s to 34.1s, 65% of the particle residence time is less than the average value of 8.12s, the distribution of particle residence time needs to be improved. [ Keyword ] gasifier; cold-model simulation; DPM model; residence time
（1）
(ui u j ) x j
2 ui 1 p fi xi xi x j
（2）
式中，xi（i=1,2,3）为坐标系坐标，xj (j=1,2,3)为坐标系坐标，ui (i=1,2,3)为沿 i 方向的 速度分量，fi 为沿 i 方向的质量力，P 是静压，ρ 为空气密度。 （2）颗粒相控制方程 颗粒相的求解采用拉格朗日颗粒随机轨道模型，该模型计算简单，当颗粒有较复杂的 变化经历时，能较好的追踪颗粒的运动，考虑了流体湍流脉动对颗粒的影响。颗粒在气流 中的受力方程为：
d uP dt
F（ g （ / p Fx D u u P） z p ）
（3）
式中，式中右边第一项为颗粒单位质量曳力；第二项为重力与浮力的合力；第三项为 各附加力的合力，包括：Basset 力、Saffman 力、压力梯度力、附加质量力等。此处仅考虑、 Saffman 力。 u P 是颗粒速度； p 是颗粒密度； DP 是颗粒直径
2
研究对象
（a）气化炉结构
（b）燃烧室的模型尺寸 图 1 气化炉结构及模型尺寸
四喷嘴对置式气化炉结构如图 1（a）所示，气化炉分燃烧室和激冷室两部分，水煤浆 与氧气通过喷嘴高速喷入燃烧室内进行燃烧反应，反应后的气体及灰渣进入气化炉下部激
冷室，激冷室内保持一定深度的灰水，渣水从底部流出，合成气从激冷室侧面出口流出进 入下一工序。 本文选取的研究对象为气化炉燃烧室，燃烧室上部沿周向均布 4 个气化炉喷嘴，顶部 为截平的半球形封头。为保证模型与文献中实验模型[3]相同，此处气化炉喷嘴为单通道圆 形喷嘴，喷嘴直径取 42mm，燃烧室的尺寸如图 1（b）所示。
Z(m)
（a）Z=0 平面的速度分布
(b) 中心轴线速度分布
图 7 Z=0 平面的速度分布及中心轴线速度分布
（a）合速度分布
（b）Z 方向速度分布 图 8 Y=0 平面的速度分布及流线分布
（c）流线分布
图 7 为 Z=0 平面的速度分布及中心轴线速度分布， 图 8 为 Y=0 平面的速度分布情况及 流线分布情况。模拟得到的中心轴线速度分布与实验结果相一致。 由图 7、图 8 可以看出，流体通过喷嘴高速射入炉内，在中心处发生撞击，射流撞击 后流体分为两股，一部分向上流动，一部分向下流动。向上的流体速度由 0 经很短的距离 很快增加到最大值 10.2m/s，随后减速运动到炉顶，然后沿炉顶边壁折返，形成较大的回流 区。向下的流体速度也由 0 经很短距离很快增加到 9.96m/s，随后减速向下运动，当运动至 底部变径处速度开始增大，最终以 9m/s 流出气化炉，向下流动的流体在喷嘴下方也形成了 较大的回流区。 在喷嘴射流周围形成了回流区，回流区对周围高温气流具有一定的卷吸作用，有利于 稳定燃烧。但此气化炉流场也存在一定问题，流体撞击后，向下流动的流体有部分未经回 流区很快流出气化炉，不利于物料的充分反应。 （2）湍动能分布 图 9 为 Y=0 平面及 Z=0 平面的湍动能分布情况。在气化炉近似等压的情况下，物料的 混合依赖于自身的湍动能，湍动能的大小影响着气化炉内的混合效果，气化炉内湍动能大 的区域越多混合效果越好，混合效果越好气化炉内颗粒分布越均匀，燃烧反应越剧烈。 由图 9 可以看出，四喷嘴对置式气化炉内撞击区及射流区的湍动能较大，此处混合效 果较好，湍动能最大值为 237m2/s2，发生在撞击区。其他区域湍动能较小，低于 10m2/s2， 此区域的混合效果较差。
图 2 气化炉置
（1）边界条件设定
图 4 边界条件
气化炉进口设置为速度进口 Velocity，气化炉出口设置为压力出口 Pressure_out，两侧 面设置为对称边界 Symmetry，外表面设置为 Wall，局部加密区域与周边的交界面设置为 Interface，整个气化炉计算区域设置为流体区域 Fluid，边界条件的设定如图 4 所示。 （2）求解参数的设置 1）本文对气化炉进行冷态的数值模拟，不考虑能量方程，模拟介质为空气，密度和粘 度恒定，密度 ρ=1.225kg/m3，粘度为 μ=1.789×10-5kg/m.s。 2）求解器选择 Pressure Based Solver，选择稳态计算。 3）进口速度设为 50m/s，湍流指定方法选择水利直径和湍流强度，水利直径为入口喷 嘴直径 42mm，湍流强度为湍流脉动速度与平均速度的比值，等于 0.16 倍的雷诺数的负八 分之一次方，计算得湍流强度为 6.5%。 4）求解方法：速度压力耦合基于 Simple 算法，离散格式中压力选择 Standard 格式离 散，其他选择 QUICK 格式离散。 5）求解控制中松弛因子默认。 6）湍流模型选择 Realizable k-ε 湍流模型，壁面区域采用标准壁面函数。 7）求解监测残差设为 10-4，同时为了判断计算结果收敛，监测 Y=0 平面的平均速度。