基于Fluent四通道煤粉燃烧器流场数值模拟

彭家强
摘
要：针对某大型工业四通道煤粉燃烧器进行了研究 ， 通过使用 UG 和 Fluent 软件分别对该燃烧 器进行三维建模和结构化网格划分 。采用 Realizable κε 湍流模型和 Simple 算法， 研究了该燃烧器
内流场的变化并对其进行数值分析与仿真 ， 获得了与实际情况相符的流场分布图。 结果证明了仿 ε 模型的可行性。 真结果的可靠性和采用 Realizable κ词：四通道煤粉燃烧器； 数值模拟； Realizable κε 模型； 优化 8728 （ 2012 ） 01006304 中图分类号：TK223. 23 文献标识码：A 文章编号：1003关 键
考虑到仿真结果的准确性和燃烧器的结构特 ， 轴流风道和煤风道使用结构化网 点 在中心风道、 格， 旋风道使用非结构化网格划分模型。 图 3 为整 体流域和旋风道头部的网格划分 。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
在回转窑中， 煤粉与燃烧空气的混合主要取决 于煤粉和二次风的混合。一次风射流的出口动量和 旋流强度越强， 吸卷二次风的能力越强。 四通道煤 旋流风和轴向喷射 粉燃烧器具有节能高效的特点， 风由高压风机供风
－3
入口风速 / （ m· s － 1 ） 轴流风 煤风 旋流风 中心风 240 35 240 50
134 801. 733 145 782. 781
0. 6 894 2 006 879. 742 0. 1 436 90 877. 570
。
由表 1 数据可知， 系统的各个入口来流马赫数 均大于 0． 1 ， 因此该系统流动属于可压缩流范畴 ； 并 且各个风道的来流雷诺数均远大于临界雷诺数 Re c = 2 000 ～ 10 000［10］， 从而判定各管道的流动状态为 湍流。根据可压缩流的计算边界条件， 各风道的入 口和出口分别选取速度入口和速度出口边界条件类 型， 其余边界均为固壁。 燃烧器的网格划分采用了 局部加密和网格自适应技术。燃烧器 整体分割法、 的中心风道、 煤风道和轴风道采用了六面体结构化网 格， 旋风道和相连的窑系统采用了四面体非结构化网 格划分， 在喷嘴与窑相接触的地方采用局部网格加密 方法和网格自适应技术。共计生成 2 070 421 个网 网格质量良好， 扭曲率小于 0. 65。 格， 4 结果与讨论
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项； G b 是由于浮力引起的湍动能 k 的产生项； Y M 代 C2ε 和 C3ε 为 表可压缩湍流中脉动扩张的贡献； C1ε 、 经验常数； α k 和 α ε 分别为与湍动能 k 和耗散率 ε 对应的 Prandtl 数； S k 和 S ε 是用户定义的源项。 NavierStockes 雷诺 上述微分方程同连续方程、 平均方程组成的湍流运动方程组联合进行求解 ： 有 限体积法化微分方程为差分方程， 差分格式均采用 二阶迎风差分格式， 对离散方程组的压力速度耦合 求解代数方程采用三对角 采用经典的 Simple 算法， 矩阵 TDMA 逐线迭代及低松弛因子联合求解， 收敛 标准均取各因变量相邻两次迭代残差小于 10 3 网格划分及边界条件
2012 年 第 31 卷
1月 第1 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
January Vol． 31
2012 No． 1
基于 Fluent 四通道煤粉燃烧器流场数值模拟
彭家强， 宋丹路， 宗营营
（ 西南科技大学 制造过程测试技术教育部重点实验室， 绵阳 621010 ）
该四通道煤粉燃烧器的喷嘴结构由外向内依次 为轴流风、 煤风、 旋流风和中心风。本文在对该四通 道煤粉燃烧器进行数值模拟分析中选取煤和空气分 别通过的 4 个通道和回转窑为研究对象， 通过使用 UG6. 0 三维软件对该四通道煤粉燃烧器进行三维 图 1 为四通道煤粉燃烧器工作流域剖面图 ， 图 建模， 2 为四通道煤粉燃烧器喷嘴的剖面图 。
C1 = max 0. 43 ， η （ 5） η +5 k （ 6） η = s ε 式中： G k 是由于平均速度梯度引起的湍动能产生
[
]
第1 期
彭家强等： 基于 Fluent 四通道煤粉燃烧器流场数值模拟 表1 四通道煤粉燃烧器边界条件数值表 水力直径 /m 0. 0 089 0. 0 660 0. 1 325 0. 0 288 来流 马赫数 0. 6 894 0. 1 005 来流 雷诺数
i k j
图1
四通道煤粉燃烧器工作流域剖面图
2
湍流的数学模型 Lockwood 等人［5］认为， 虽然 kε 模型已被广泛
地认为不适合模拟有强旋流的流动， 但在计算的经 济性、 稳定性和燃烧应用结果的可靠性方面 ， 它相对 于其它高阶湍流模型是最合适的。 因此， 应用 kε 模型计算旋流流动后认为， 当旋流数较小时结果较 理想， 旋流数较大时结果稍差一些。 适合于计算强 旋流的还有差分雷诺应力 （ DSM ） 模型、 代数雷诺应 力（ ASM） 模型和差分雷诺通量模型等， 但其收敛性 均较差， 难以得到满意的结果
Abstract： A burner is important for producing cement． Its performance has great impact on the cost and quality of the cement it produces． This paper uses the softwares of UG and Fluent to establish the 3dimensional model of the 4channel coal burner and generate its structural mesh． It also uses the realizable κε turbulence model and the simple algorithm to study and simulate the changes in the inner flow field of the 4channel coal burner，thus obtaining the contours of the flow field which agree with the actual conditions． The realizable κε model is feasible and the simulation results are reliable． This study sheds some light on improving the structure of a 4channel coal burner and optimizing its parameters． Key words： fourchannel coal burner； numerical simulation； realizable κε mode； optimization 回转窑煤粉燃烧器是烧制水泥的重要部件之一， 它为整个水泥回转窑系统提供热源。只有性能优良 的燃烧器才能保证喂入窑系统的燃料在燃烧空间内 迅速均匀分布、 及时起火、 完全燃烧并按照要求提供 充足的热量， 形成一个合理的温度场和热工制度， 从 而使回转窑系统充分发挥功能， 做到优质、 高效、 低耗 长期安全运转同时满足环境保护的需要。由于燃烧 器系统内发生着多相流、 燃烧、 燃料分解等复杂的物 理化学过程， 因而对燃烧器性能的深入研究有助于降 低水泥烧制成本、 提高水泥厂的生产能力。 在 20 世纪 70 年代石油危机后， 国内外的回转
收稿日期：2010 － 09 － 19 作者简介：彭家强（ 1986 － ） ， 硕士研究生， 研究方向为流体机械和计 pjq188@ yahoo． cn； 宋丹路 （ 联系人 ） ， 算机仿真应用， 副教 danlus@ vip． sina． com 授， 硕士生导师，
窑所用燃料基本上都改为煤。近年来由于烧廉价燃 料可以大幅度降低水泥生产成本， 扩大资源利用势 在必行， 对环保提出了更严格的要求， 降低 NO x 的 排放已刻不容缓。欧洲国际火焰研究基金会欧洲国 际火焰研究基金会（ international flame research foundation， IFRF） 直接资助对水泥回转窑内煤粉和石油 焦的燃烧及其火焰开展了研究工作， 使回转窑煤粉 燃烧器很快由单风道发展到双风道 、 三风道、 四风道 甚至烧两种以上燃料的五风道。巴西的 Greco 技术 TM 装配公司已研究出的 Flexiflame 多通道 （ 八通道 ） 燃烧器， 不但能够燃烧多种燃料， 如固体废弃物， 液 体废弃物等， 而且实现了涡流空气在粉状燃料通道 的内部和外部同时应用， 这大大降低了 NO x 的排放
［1 ］ 和提高了燃料的燃烧率 。 理论研究和生产实践 均证明， 风道越多性能越好， 可是结构就越复杂， 重
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机械科学与技术
第 31 卷
［2 ］ 量越 重， 价 格 也 越 高， 在使用时还越容易弯曲 。 ［3 ］ 我国的企业大多数是购买国外的燃烧器 。 国内
的研究主要是根据企业的实际情况， 改进四通道以 满足企业的实际需要。燃烧理论的研究和四风道煤 粉燃烧器的出现， 使得低质煤在各种回转窑上得到 了广泛的应用。四通道煤粉燃烧器具有一次风总量 低、 燃烧效率高、 火焰形状调节方便、 煤种适应性强 ［4 ］ 等优点， 在水泥工业中被广泛应用 。 本文中根据流体力学及热力学的基本数学方程 组， 通过使用 UG 和 Fluent 软件， 分别对四通道煤粉 燃烧器进行了三维建模和网格划分。 采用 Realizable kε 湍流模型和 Simple 算法， 对该四通道煤粉燃 烧器进行了理论模拟， 预测出了该四通道煤粉燃烧 器压力分布场和湍流速度场。 1 建立几何模型
图2 四通道煤粉燃烧器喷嘴剖面图
RNG k流动时， ε 模型可以满足工程上的精度需求， 没必要运用计算量很大的雷诺应力模型， 但强旋流
［7 ］ 动中， 雷诺应力模型能得到较满意的结果 。 由于 雷诺应力模型对硬件要求比较高， 一般采用 Realiza［8 ］ ble kε 模型也能较好地模拟旋流 。 9］ 根据文献［ 得
［11 ］
。通过螺旋导向部分， 喷出燃
［6 ］
G k + G b － ρε － Y M + S k （ 3） （ ρku i ） （ ρ k ） μ i k + = + + t x i x j μ α k x j
[(
) ]
ρC1 S ε － ρC2
ε
2
k + 槡 υε
C1ε
ε C G + Sε k 3ε b
（ 4）
。 在计算弱旋气相
Simulating Flow Field of Fourchannel Coal Burner Using Fluent
Peng Jiaqiang ，Song Danlu，Zong Yingying
（ School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010 ）
阻塞系数 ψ ψ = 旋流数 s R ( R ) 1 1 · · ·tanα 2 1 －ψ R 1 － ( ) R
4
nb 2 πR n ·cosα n
（ 1）
1 －
n
s =
w
2
n
（ 2）
n
w
式中： R n 为螺旋叶片内半径； R w 为 螺 旋 叶 片 外 半 径； α n 为旋流角； ψ 为阻塞系数； n 为螺旋叶片数目； b 为螺旋叶片厚度。 s≈1. 84 。 旋流角为 35 ° ， 经计算得 ψ≈0. 7 ， 旋流数 s ＞ 0. 6 ， 为强旋流。 因此， 选用 Realizable kε 模型描述窑内湍流流动。 Realizable kε 模型的输运方程为 （ ρku i ） （ ρ k ） + = t x i x j μ k [(μ + α ) x ] +