Математическое моделирование двухфазных пространственных течений в каналах и камерах сгорания тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

• «ч . .. . /лЛЛ

I

Старченко Александр Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ В КАНАЛАХ

И КАМЕРАХ СГОРАНИЯ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Томск -1997

Работа выполнена в Томском государственном университете и НИИ прикладной математики и механики при ТГУ

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

доцент А.М.Бубенчиков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.М.Гришин

доктор технических наук, профессор

А.Д.Рычков

доктор технических наук, профессор

Э.Д.Сергиевский

Ведущая организация: Уральский государственный технический

университет, г. Екатеринбург

Защита состоится 1998 года в /-Р час. мин.

на заседании диссертационного совета Д 002.65.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск-90, пр. Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан "Й." 199Тгода.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.ф.-м.н. 1игп и^у/' Шарафутдинов Р.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из наиболее актуальных проблем современности является защита атмосферного воздуха от загрязнений, имеющих техногенное происхождение. К основным постоянно действующим источникам загрязнений воздушного бассейна относятся теплоэлектростанции и промышленные топливосжигатощие установки, поставляющие в атмосферу в больших количествах твердые частицы золы и сажи, а также окислы азота и серы. Для уменьшения вредных выбросов ТЭС, наряду с использованием разнообразных пылеуловителей и фильтров, а также химических способов очистки, перспективным является организация экологически приемлемого процесса сжигания топлив, характеризующегося пониженным выходом ИОх и БОх.

В связи с этим, закономерным становится все возрастающий интерес к более полному изучению физических явлений, сопровождающих горение топлива, в частности, угольной пыли в камерах сгорания.

В настоящее время в России при проектировании теплоэнергетических установок, предназначенных для сжигания природных топлив, оптимум между экономическими и экологическими параметрами находится с использованием полуэмпирического метода теплового расчета котельных агрегатов, результатов испытаний действующих паровых котлов ТЭС, а также на основе данных экспериментальных исследований, проводимых на физических моделях топочных устройств.

Активно разрабатываемые в последнее время методы численного моделирования двухфазных течений лишены многих недостатков, присущих упомянутым выше способам получения информации о исследуемых процессах, и позволяют сравнительно быстро, с малыми затратами находить оптимальные конструкторские решения при проектировании элементов энергетического оборудования ТЭС. Поэтому актуальной задачей является разработка адекватных математических моделей двухфазных пространственных течений в каналах и камерах сгорания при осложненных условиях (аэродинамически сложный характер турбулентного движения рабочей смеси; динамическое и тепловое взаимодействие газа и взвешенных частиц как на уровне осредненных характеристик, так и для пульсационных величин; горение угольной пыли при изменяющихся температуре и концентрационном составе газа; радиационный теплообмен высокотемпературного двухфазного потока с ограничивающими течение поверхностями; взаимодействие

полидисперсных частиц твердой фазы между собой и со стенками канала), построение надежных расчетных методов, выявление границ применимости в конкретных случаях более простых моделей.

Цель работы - создание и развитие математических моделей для исследования основных закономерностей пространственных течений и тепломассопереноса смесей газ - твердые частицы в каналах и камерах сгорания теплоэнергетических установок; разработка экономичных методов расчета течений такого типа; теоретический анализ эффективности применения ряда перспективных способов снижения выбросов вредных окислов азота и золовых частиц в атмосферу при сжигании пылеугольного топлива.

Научная новизна. В работе значительное внимание уделено разработке новых схем замыкания основной системы уравнений теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов для внутренних течений газ - твердые частицы, где существенным становится влияние вращения частиц, их полидисперсности, соударения частиц между собой и с ограничивающими область движения поверхностями, массообмен между дисперсной фазой и газом, а также между отдельными фракциями частиц. Предложена новая математическая . модель для исследования турбулентных неизотермических движений газовзвеси в трубе, на основе которой получена оригинальная трактовка метода пристеночных функций для внутренних запыленных турбулентных течений. Развита вычислительная технология для проведения прямого численного моделирования турбулентного режима ожижения дисперсного материала. Разработан новый двухуровневый комплексный подход для теоретического исследования пространственных аэротермохимических процессов (в том числе и образования окислов азота), сопровождающих горение угольной пыли, как во всем топочном объеме крупногабаритных вихревых камер сгорания, так и в отдельном его элементе. Теоретически подтверждена перспективность использования ступенчатого (стадийного) сжигания пылеугольного топлива с пониженным выходом вредных окислов азота.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и результаты исследования турбулентных неизотермических течений газовзвеси в трубе.

2. Закон стенки и метод пристеночных функций для ограниченных турбулентных запыленных потоков.

3. Математическая постановка задачи о расчете пространственных рециркуляционных турбулентных течений газовзвеси в каналах сложной

геометрии, теоретический анализ сепарации полидисперсных частиц в пылеуловителях инерционного типа.

4. Результаты численного исследования основных закономерностей течения и тегхломассопереноса в установках с циркулирующим кипящим слоем.

5. Математические модели пространственных аэротермохимических процессов, сопровождающих факельное горение пылевидного топлива в вихревых топочных камерах.

6. Теоретический анализ некоторых схем стадийного (ступенчатого) сжигания угольной ныли в топках котлоагрегатов, применение которых позволяет снизить выбросы N0 в атмосферу.

7. Результаты исследования характерных особенностей развития неодномерного воспламенения насыпных зарядов гранулированных взрывчатых веществ.

Обоснованность и достоверность приведенных в работе математических моделей и полученных на их основе теоретических результатов следует из применения в исследовании современных достижений механики двухфазных сред, теории горения и теплообмена, строгости постановок математических задач, использования надежных вычислительных технологий и подтвер вдается результатами сопоставления расчетов с экспериментальными данными.

Практическая ценность. Результаты исследований и математические модели, приведенные в данной работе, могут быть использованы при экспертизе проектных решений по созданию пылеуловителей инерционного типа, камер сгорания с циркулирующим кипящим слоем, топочных устройств с факельным режимом сжигания пылеугольного топлива, характеризующихся пониженным выходом окислов азота, а также при оптимизации воспламенения гранулированных метательных зарядов в баллистических установках.

Материалы проведенных исследований включены в программу читаемого в Томском государственном университете на механико-математическом факультете специального курса лекций.

Результаты расчетов аэродинамики и тепломассообмена топок с циркулирующим кипящим слоем использовались при проведении проектных и конструкторских работ по созданию паровых котлов с ЦКС в ПО "Сибэнергомаш"(г.Барнаул). Программный комплекс, реализованный на основе предложенных в диссертации математических моделей горения пылеугольного топлива в крупногабаритных камерах сгорания, передан в эксплуатацию в конструкторские отделы АО КОТЭС и ПО

"Сибэнергомаш" для анализа пространственных аэротермохимических процессов в топках паровых котлов с факельным режимом сжигания.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1984), XI Всесоюзном семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Свердловск, 1988), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных агрегатов" (Барнаул, 1989), Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1990), Всесоюзной научной школе-семинаре "Турбулентный пограничный слой" (Москва, ЦАГИ, 1991), Международной конференции по горению (Москва - Ст.Петербург, 1993), EUROTHERM семинаре #37 (Саллуджа, Италия, 1994), XIV школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1994), 1-ом Международном симпозиуме "Two-Phase Flow Modelling and Experimentation" (Рим, Италия, 1995), Международном семинаре "Chemical Gasdynamics and Combustion of Energetic Materials" (Томск, 1995), III Международном Минском Форуме "Тепломассообмен-ММФ-96" (Минск, 1996), Международной, конференции "Circulating Fluidized Beds-5" (Пекин, Китай, 1996), Международной конференции "Сопряженные задачи механики реагирующих сред и экологии" (Томск,

1996), Международном Коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения (Москва, 1997), Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике" (Томск,

1997).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 36 научных работах.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 167 наименований. Весь материал изложен на 300 страницах машинописного текста, содержит 107 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении говорится об актуальности исследования пространственных течений и тепломассопереноса смесей газ - твердые частицы в каналах и камерах сгорания, новизне полученных результатов и их практическом применении. Кратко излагаются наиболее распространенные способы математического моделирования потоков с

взвешенными частицами, приводится содержание диссертации. Сформулированы основные цели работы.

Первая глава посвящена математическому моделированию в рамках теорий взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов и пограничного слоя основных особенностей течения и теплообмена при движении газовзвеси в каналах. Для ламинарного неизотермического двухфазного потока изучено влияние силы тяжести и термофореза на гидродинамику и тепловые характеристшш смеси газ - твердые частицы, а также на интенсивность осаждения частиц на стенках канала вертикальной и горизонтальной ориентации. При исследовании турбулентного режима движения газовзвеси сложность математического моделирования существенно возрастает из-за необходимости учета взаимодействия фаз на уровне турбулентных пульсаций, а для двухфазных течений, характеризующихся большой инерционностью дисперсной фазы, - влияния вращения и соударения частиц со стенками канала. Существенный вклад в изучение турбулентного переноса во внутренних движениях смесей газ -твердые частицы внесли за рубежом .¡.О.Нтге, Я.О.ВооАгоус!,

К.Ь.РезЫп, Б.Е.Е^ЬоЬагЬ:, Ы.\У.11гек5, в нашей страна - А.А.Шрайбер, З.Р.Горбис, ¿М.К.Лаатс, А.С.Мульги, Л,И.Зайчик, В.А.Наумов, Л.В.Кондратьев, И.В.Деревич и некоторые другие. Опираясь на исследования этих авторов, в данной работе в рамках теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов Х.А.Рахматулина - Р.И.Ннгматулина предложен подход для моделирования процессов турбулентного переноса при неизотгрмкчесхих осесимметричных течениях газовзвеси в трубе, в основе которого лежит разделение дисперсной фазы па фракции падающих и отраженных частиц с учетом массообменл между фракциями и использование физических, граничных условий для фракций на твердой поверхности.

После применения процедуры осреднения Рейнольдса система уравнений механики гетерогенных сред, записанная в приближении пограничного слоя, имеет вид:

р,и,) I д(гр,у,)

си. си, до I д

Р,и, -± + РЛ "X"= а +

ск сг ск г дг

ск г ¿¡-

ди1 —¡—,

¡=2

% = (3)

а-

дх.

РМ-Г + РР!

дг г дг

+

С; ск

^1 Ы2 Ы2

р!

_ (1-сс2 -а3)р

+

ди. ( —г-л да. 1 д ( —г~\ ^

+^(и3 - щ); 1 = 2,3 ( —г-д¿л>. 1 д\ / —г —— \1 Р,у»[2

/ ~п\ 1д/ -т—т\

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

дх.

га-у

с,

+7/Г, -Т,) + -^[{щ - и,)' + (У3 - у,)']; / = 2,3

(10)

Индексы "Г', "2", "3" относятся к газу, фракции падающих на стенку частиц и отраженных от нее. р', и', V', со', Т' - турбулентные пульсации плотности, компонент линейной и угловой скорости и температуры. Рп () - сила динамического взаимодействия, обусловленная силой аэродинамического сопротивления и силой Магнуса, и интенсивность теплообмена между несущей средой и /-ой фракцией

монодисперсных частиц. ^ = (-1)'ХРзРз^з ~ / = 2,3;

Х- 100. Замыкание осредненных уравнений (1) - (10) осуществлялось с использованием представления Буссинеска для корреляций и\\\,р\\\,

у,'£у',г//у/, дифференциальных уравнений переноса для турбулентных

моментов V,'" л'^/Л','* У'Т' и однопараметрнческой модели турбулентности О.Ф.Васильева и В.И.Квона. модифицированной на случай дисперсного потока. Граничные условия задавались следующим образом: на входе в трубу при х=0 - однородные профили для всех характеристик в соответствии с рассматриваемыми условиями турбулентного течения и теплообмена газовзвеси; на оси симметрии при т-0 - условия симметрии; на стенке при г-г0\

и, = V, = к = < =: ^Т; = 0; - Л, 5- = д9 - ¿(р,г, + рУ!)С2Г;

5 + 2аг 1 - ат , 5а+2 10(1-а) щ щ = —у^и2 +-—(О 3 = ——<о2 +-

Ъ = -«Л,^ = «Я7-' < = У?/* Т3 = Т2 +ат(Т„ - Т2); (11)

у^Г/ = 0; р3у3 + р\у; = ~(р2\2 + р'2у'2);

пг,ол.пт - коэффициенты восстановления скорости и температуры частиц при их ударе о стенку.

Задача решалась численно на неравномерных сетках, сгущающихся к стенкс трубы таким образом, чтобы в вязком подслое находилось не менее 5-10 узловых точек. Дискретные аналоги исходной дифференциальной задачи получались в результате применения метода контрольного объема, неявных разностных схем м рептсшись эффективным методом поогонк**. Градиент давления и продольная компонента скорости и1 определялись с использованием алгоритма Л.М.Симуни.

Сопоставление результатов, полученных на основе предлагаемой математической модели, с данными измерений показало возможность ее применения для исследования турбулентного течения и теплообмена газовзвесей в трубах в широком диапазоне изменения определяющих параметров.

Также, как и в экспериментах*, подтвержденных расчетами ряда авторов, при умеренных значениях числа Стокса

Б1к (Бек - х иь / /у, тр ~ Ру / lSf.it, и1 (х = 0) = иь) имеет место

локально неравновесное движение смеси, характеризующееся небольшими

* Мульги A.C. Основные закономерности процессов переноса в

мелкодисперсном трубном течении //Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента. Таллин. 1985. С.161-167.

скоростями скольжения фаз (Рис. 1 ,а) и слабым взаимодействием частиц с поверхностью трубы. В ядре потока скорость несущей среды превосходит скорость частиц, вблизи стенки наблюдается обратная картина {и1 < ир).

При больших значениях числа Стокса имеет место существенно неравновесное турбулентное движение газовзвеси. В этом случае (Рис.1 ,б и рис.2) распределение концентрации частиц по сечению трубы имеет колоколообразную форму с максимумом на оси, турбулентная структура дисперсной фазы практически не реагирует на турбулентные пульсации несущей среды, продольная скорость частиц, слабо изменяется по радиальной координате. С ростом параметра загрузки М (отношение расходов частиц и несущей фазы) профиль скорости газа в ядре течения становится более плоским вследствие увеличения влияния силы аэродинамического сопротивления, линейно зависящей от концентрации частиц рр = р2 + р} \ затем, начиная с некоторого значения М, максимум

скорости смещается от оси на периферию и распределение и, (г) приобретает седлообразную форму. При малых значениях М наблюдается снижение теплоотдачи по сравнению с незапыленным потоком. При М>5 имеет место монотонное увеличение интенсивности теплоотдачи с ростом концентрации частиц (Рис.3,а), причиной которого является возрастающее влияние контактного теплообмена дисперсной фазы со стенкой. Наличие в потоке частиц способствует увеличению длины начального участка и относительной интенсивности теплообмена на нем (Рис.3,б).

Систематическими расчетами установлено, что • для стабилизированного течения при несущественном влиянии силы тяжести и силы Магнуса распределение осевой компоненты скорости несущей среды в зависимости от расстояния от стенки в области развитой турбулентности (вне вязкого подслоя и буферной зоны), как и для однофазного потока представляется логарифмическим законом:

ЕУ+

и1+ = —1п к

и. ц.

\1,65 ,4 < && < 40; \118M'-47 ,4 < Як <40;

" ~ |0,а , 40 < Як < 120; [5,7 Ми? ,40 < Як < 120;

О < М< 10; 4 < 5(к < 120; 8000 < Яе0 < 100000; Е = 8,65; к = 0,4. Это позволило распространить широко используемый в настоящее время для исследования аэродинамически сложных ограниченных течений метод пристеночных функций на случай двухфазных потоков. Предложена

его оригинальная трактовка для турбулентных запыленных пристенных течений:

. ло

г,,, =-=-^-=,■ С = 0,09;

А/«

% );

у¡Р и

(13)

2/с ^-/(У^Ы ^ 0,41 кз у,

—----------- 1 цг, , /г у,; - —

Г, Г > У 5 > Л V, ,

Здесь - расстояние от стенки до ближайшего узла расчетной сетки Б, располагающегося в области логарифмического распределения скорости; к5, £5, (Ок},, кь, - значения кинетической энергии турбулентности,

ее диссипации <1 генерации, скорости п турсулептнс:: пяттсостп га^а при у ~

Уг

Вторая глава посвяшена моделированию стационарных изотермических турбулежных пространственных движений полидисперсного потока газ - твердые частицы з каналах сложной геометрии, в частности, в пылеуловителях инерционного типа. Пол:гд::спгре::ость чаешц учитывается посредством ^ыдедеччя оснозн*тх фракций по функции, определяющей гранулометрический состав дисперсной фазы, причем предполагается, что частицы каждой фракции имеют одинаковый размер. Объемная копцешрлцня частиц, поступающих в канал, мала, однако, в потоке, у обтекаемых преиятстш могут образовываться зоны накопления дисперсной фазы, поэтому моделью учитывается динамическое взаимодействие частиц между собой.

В этом случае система ураинений механики многоскоростного континуума в декартовой системе координат запишется следующим образом:

дх>

= 0; р, = р°(а(; 1 = 1,2,...Л (14)

_ ф ¿¿(М.) , д

ск1 а' скт 3 ¿хт ¿х<

, о \ I ди> ди™

2 д

зас"

/о \

+ РГ + р;-(1-6иЮ^-63яр&; (15)

дк>

¡ = 1,2,...,И; т = 1,2,3;

Р^Р'^ТГ. 06)

Т р:\Кер,)а1 п~2 ¡=2

По повторяющемуся индексу у производится суммирование от 1 до 3. Значение г-1 соответствует параметрам газа, 1 <1<М - фракциям частиц; Рр1 - сила межфракционного взаимодействия частиц 1-ой фракции с

частицами остальных фракций; р^.рц - молекулярная и турбулентная вязкость газа; >1) - турбулентная вязкость /-ой фракции частиц;

(I > 1) - вязкость 1-ой фракции частиц, описывающая их соударение между собой; - символы Кронекера. Члены уравнений (15), содержащие

модуль напряжений дисперсной фазы 0(а1), представляют процесс выравнивания концентрации частиц в областях их повышенного содержания <0,6) за счет возникающего внутрифазного давления. Для расчета турбулентной структуры потока применяется двухпараметрическая "к-е" модель, модифицированная Р.РоигаЬтасН и .Г.А.С.НитрЬгеу для учета влияния дисперсной фазы на осредненные характеристики турбулентности. Турбулентная вязкость каждой фракции частиц /ла определялась на основе формулы Пескина.

Граничные условия для системы (14) - (16) задавались следующим образом: на входе в канал - однородные распределения всех зависимых переменных; в выходном сечении, удаленном на достаточное расстояние от зон рециркуляции потока, - мягкие граничные условия; на твердых поверхностях - условия скольжения и непротекания для дисперсной фазы, для характеристик несущей среды - условия прилипания и метод пристеночных функций для двухфазных течений, сформулированный е первой главе диссертации.

При решении задач, описываемых математической моделью (14)-(16) использовался метод контрольного объема, шахматные сетки и алгорить

SIMPLE. Система алгебраических уравнений, полученная при аппроксимации исходной дифференциальной залами, решалась с помощью итерационного метода Гаусса-Зейделя (для компонент скорости) и метода неполной факторизации Н.И.Вулеева для скалярных характеристик с использованием нижней релаксашш.

На основе предлагаемой численной модели была рассчитана картина течения и эффективность улавливания частиц различных размеров в U-образном уловителе пыли, представляющем собой горизонтальный канал прямоугольного сечения с четырьмя рядами инерционных уловителей-швеллеров, расположенных в шахматном порядке и преграждающих путь основному потоку. Приведенные на рис.4 поля скорости газа и концентрации частиц для элемента канала, удаленного на достаточное расстояние от вертикальных боковых стенок, указывают на аэродинамически сложный характер движения смеси: многочисленные рециркуляционные зоны как в пазухах U-образных элементов (3-й и 4-й ряды пылеуловителя), так и за ними; интенсивное подъемное двухвихревое движение за первым рядом швеллеров; при застойном характере течения в

згус;:кос г пазум-л первых дг»ух

рядов, причиной которого является интенсивное ссыпание частиц крупных . фракции (¿/,>!00мкм) к низу канала. Наибольшее количество части?! осаждается в первом (s25':/j) н во зтором рядах (s35fa) пылеуловителя (Рис.5). Это, в основном, частицы размером d. > ЮОмкм. Через последующие ряды движется, главным образом, мелкодисперсная взвесь, kuio рая слабо улавливается швеялерковмми уловителями рассматриваемых геометрических размеров.

В третьей главе диссертации изложены результаты исслсдопачпя аэродинамики и тепломассопереиосл в vcrpoficruax с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС).

Нестационарный многорежимный характер движения смеси газа и взвешенных полпдисперсиых частиц чрезвычайно обостряет проблему физического моделирования процессов в циркулирующем кипящем слое и ограничивает область применения результатов лабораторных исследований вследствие так называемого "масштабного эффекта".

Обзор литературы по проблемам .математического моделирования процессов в ЦКС показал целесообразность применения многомерных нестационарных уравнений теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов к изучению рассматриваемого явления.

В данной работе для исследования течения и тепломассопереноса двухфазной полифракционной смеси в ЦКС использовались

нестационарные двумерные уравнения (14) - (16) с учетом межфракционного обмена массой, обусловленного механическим взаимодействием (истирание, дробление, соударение) частиц, а также уравнение энергии для смеси в целом (допускается равенство температур фаз):

о{рСТ) ¿{ри'СТ) д

а + & ~ ас'

¡=1

Рг.

м„сл„ аг

+

ЕИ«/-«/)]-

^ 1

ок} 21.

N N

'""^ЕЕ

Ы2 П----2

'¿к*

(17)

(м1

скт дк>

2 Я ~ 3 "'

М + (Л +М«)а,

+

ди\

Зс"

1=2

а

а<[

р,С,Т,и'- параметры смеси; Jn- интенсивность массообмена между я-ой и /-ой фракциями частиц вследствие их истирания и дробления; - вектор радиационного теплового потока, рассчитываемый на основе локально одномерного приближения Милна-Эддинггона для серой излучающей, поглощающей и рассеивающей двухфазной среды. При расчете теплового состояния смеси газ-твердые частицы учитывается контактный теплообмен дисперсной фазы с ограничивающими течение поверхностями.

С целью апробации предлагаемой математической модели рассматривалось ее применение для численного предсказания течения в изотермическом неоднородном кипящем слое и в лабораторной установке с ЦКС (Рис.6,7). Сравнительный анализ показал, что моделью правильно описывается расширение кипящего слоя, распределение пористости а1 по высоте канала и характер ее пульсаций при турбулентном режиме ожижения. В структуре пульсаций (Рис.6,б) можно выделить определяющую частоту, величина которой близка к значению, рассчитываемую на основе соотношения О.М.Тодеса:

Уя77 ,

V =-, / - ширина канала.

2к

(18)

При численном исследовании течения в лабораторной установке с ЦКС получено удовлетворительное согласование расчетов с измерениями ИТ СО РАН по распределению средних по сечению и осредненных во

времени значений давления по высоте канала, а также осредненных по времени профилей концентрации частиц (Рис.7), установлено существенно неравномерное распределение концентрации частиц по высоте подъемной колонны, резко выраженная неоднородность профиля скорости фаз и пористости по сечению аппарата, наличие в потоке локальных пристенных зон ссыпания дисперсного материала или внутренней циркуляции частиц, пульсирующий характер движения смеси, образование и разрушение кластеров.

Результаты сопоставления позволили обоснованно применить

развиваемую численную модель для исследования аэродинамики и тепломассопереноса в топках с ЦКС, сжигающих угольное топливо при

относительно низких температурах (Г £ 800° - 900° С) с малым выходом вредных окислов азота и серы.

В четвертой главе диссертации проводится теоретическое исследование горения пылеугольного топлива в топках паровых котлов. Для рассматриваемого процесса характерны следующие особенности: сложное пространственное движение двухфазной смеси; стадийное горение угольной пыли (пиролиз, горение летучих и догорание коксового остатка); лучистый перенос тепла в излучающей, поглощающей и рассеивающей среде; влияние дисперсной фазы на турбулентность газа.

Существенный вклад а решение проблем, связанных с математическим моделированием аэротермохимических процессов, сопровождающих горение угольных частиц внесли за рубежом -D.B.Spalding, F.C.Lockwood, N.G.Shah, L.D.Smoot, P.J.Smith, W.A.Fiveland и многие другие, в нашей стране - Т.В.Виленский, Д.М.Хзмалян. Ю.Л.Маршак, В.И.Бабий, Ю.Ф. Кунаев, В.В.Митор, С.Л.Шагалова, Б.Д.Кацнельсон, В.В.Померанцев, Д.Б.Ахметов и др.

В данной работе в рамках теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов строится эффективная численная модель для предсказания пространственной аэродинамики и тепло- и мзссосбмена в крупногабаритных камерах сгорания, приемлемая для широкого использования при проектировании вихревых топок с факельным режимом сжигания угольной пыли. Допуская равновесный характер движения смеси газ-монодисперсные частицы (d(p ~ 20-60мкм) и принимая следующую схему превращения топлива:

первая стадия:

уголь —> летучие компоненты + кокс (Тр > Т ), вторая стадия:

1кг горючих летучих + Дй/ кг О2 (1+Д0/ )кг продуктов горения; 1кг кокса + рсоке кг Ог -> (1 +&оке)КГ продуктов горения,

система уравнений, определяющих течение газопылевой смеси и ее горение, взятая в декартовой системе координат, запишется следующим образом:

Ф.Ц

_ а

да,

ах,.

М*

5с,„ ск.

I /

Ф^оЛ д ( М,„

<5с.

ск, V J

Рсока^соке'

Ф,С= д

дк, ¿2с(

ФГЧ

8сс? йс, у

+ а У —J,:

чар чар чо1 '

^ ¿Зс, .

«С, ^ЛРр^ ,

-У,

*

-у

соке'

¿(Р, + РРМ", _ др 2 +Рркр)

дк..

ск/ 3

+-

Ск:

/ I

(Ме+Мъ+ЧгРр) Рр

¿к, ) ^ Зик ¿к, ск1 3 4 скк;

(19)

(20) (21) (22)

(23)

(24)

(25)

(26)

/ N

ск,. ¿к1 6ЫирА&р1

С

А,

гас/

■ +

+-

р°й2 Ир р

-(Т-тй) + оы^п1 +

'уРг Рг,

Уо1,рГ

ах, ск.

+ (^мар + -1 соке

)СТ; ' р р'

р

сх.

с

(

Рп

П*1

р1

дх

р° В

г V ,

(Т, ' I+ в^Лас - (-КаР + ^ )СТр

(28)

[

1-

Р* =

Р0р)

М, м0

м.

а-

\ю1

М,

(29)

Индексы: - газ. "р" - частицы, "уоГ - реагирующие летучие, "соке" -кокс, 'Ч" - турбулентный, Ч'ар"' - пиролиз, "рг" - газообразные продукты горения. По повторяющимся индексам ; и к производится суммирование

от ! до 3. ре = р"'р + ¿г" + р°р!юШ: / 6,

Интенсивность термического разложения топлива описывается арреннусовским законом, скорость горения летучих ]%,п1 определяется интенсивностью смешения турбулентных молей летучих и кислорода, а также скоростью химической реакции горения углеводородов. Скорость горения кокса 3зависит от кинетической скорости химической реакции горения углерода и от интенсивности диффузии окислителя к поверхности частицы.

Турбулентные характеристики газа и дисперсной фазы рассчитывались с использованием "к-е" модели турбулентности, перенос тепла излучением моделируется на основе Р| приближения метода сферических гармоник для серой излучающей, поглощающей и рассеивающей двухтемпературной среды и граничных условий Маршака.

Для предсказания уровня образовавшихся при сжигании угольной пыли вредных окислов азота разработана компактная модель для расчета концентраций >Юх в топках котлоагрегатов на базе кинетической схемы Митчелла-Тэрбелла (НСИ - центр подсистемы цианидов, №1з -представитель группы аминов):

N (летучие) -» HCN HCN + HzO + 0,5Cb -» NH3 + CO2 NH3 + O2 -» NO + H2O + 0,5H2 NH3 + NO N2 + H2O + 0,5H: H2 + 0,502 = H2O N2 + O2 <=> 2NO NO + летучие HCN + H2O

N(KOKC) + 0,502 NO C(kokc) + 2N0 CO2 + N2 Поскольку концентрации азотосодержащих газообразных компонентов HCN, NH3, NO в топочной камере настолько малы, что реакции с их участием не оказывают существенного влияния на тепловой режим и концентрационный состав О:, Ni, летучих и продуктов сгорания, допустимо рассчитывать их значения после интегрирования основной системы уравнений (19) - (29).

Поставленная задача решалась численно на неравномерных шахматных сетках с помощью метода контрольного объема. Диффузионные потоки аппроксимировались центрально-разностной схемой, конвективные - с использованием схемы квадратичной интерполяции против потока. Полученные в результате дискретизации системы алгебраических уравнений решались итерационным методом Гаусса-Зейделя (для компонент скорости) и методом неполной факторизации для скалярных характеристик с применением нижней релаксации. При расчете поля давления использовался алгоритм SIMPLE. Для получения быстрой сходимости при численном решении уравнений энергии для газа (27) и дисперсной фазы (28) применялся алгоритм частичного исключения PEA Д.Б.Сполдинга.

Тестирование предложенной математической модели выполнялось на данных экспериментальной визуализации движения жидкости в гидромодели топки, а также результатами испытаний действующих паровых котлов, работающих на пылеугольном топливе (Рис.8,9).

Применение комплексной численной модели для исследования аэротермохимических процессов в топке с трехступенчатой системой сжигания пылеугольного топлива подтвердило перспективность использования таких камер сгорания с пониженным выходом окислов азота (Рис.10). Теоретически показано, что организация подачи топливовоздушной смеси с недостатком окислителя в предпоследней по ходу движения продуктов сгорания ступени способствует взаимодействию недогоревшей части топлива с образовавшимися выше по потоку

окислами азота. В результате, за счет разложения N0 иа молекулярный азот N2 и кислород, необходимый для горения кокса, в этой ступени происходит резкое снижение средней концентрации [N0x1 от значений 600-700мг/м3 на выходе из первой ступени до ЗООмг/м3; причем в заключительной ступени, предназначенной для дожигания несгоревшего топлива, окислы азота практически не образуются.

Рассмотрены некоторые упрощения математической постановки, опирающейся на уравнения (19) - (29). Они прежде псего связаны с моделированием горения пылеуголыюго топлива и радиационного тгплоперсноса п крупногабаритных вихревых топках паровых котлов с факельным режимом сжигания. Численно, на основе сравнительного анализа установлена возможность применения допущения равенства температур фаз газопылевого потока, а также моделирования процесса горения угольной пыли на основе глобальной необратимой брутто-реакции. Для камер сгорания с оптической толщиной больше единицы оказалось допустимым в качестве упрощенной модели для описания лучистого теплообмена внутри топочного пространства использовать приближение Росселанда. 9 на стенках гонки рассматривать обобщенным закон Стефана-Бодьцмана.

Пятая глава диссертации посвяшена теоретическому анализу пространственной аэродинамики и горения на начальном участие двухфазной, реагирующей, турбулентной струп, поступающей в камеру сгорания. При математическом моделировании исследуемого течения в элементе топочного объема, примыкающем к отверстию подачи топливовоздушной струи, используется смешанный эйлерово-лагранжев подход, когда для описания динамики и теплового состояния газа и реякцмонноспособных частиц, попавших в данную область из других частей топочного объема, привлекается континуальная теория с допущением о равновесном характере движения и теплообмена частиц по отношению к несущей среде, а характеристики ансамбля частиц, поступающих из рассматриваемой горелки, и их обратное влияние на газ рассчитываются в лагранжевых переменных вдоль отдельных траекторий. Граничные условия для частиц первого типа, а также для несушей среды суть распределения характеристик течения и теплообмена, взятые из результатов расчета термоаэродинамического процесса на основе численной модели, приведенной в четвертой главе диссертации. В модели теплового состояния полидисперсных частиц второго типа рассматривается конвективный и лучистый обмен теплом с несущей фазой,

выход летучих и догорание коксового остатка. Влияние же турбулентных пульсаций на движение топливных частиц, поступающих из горелки в камеру сгорания, учитывается методом стохастического моделирования.

Результаты сопоставления расчетов по предложенной численной модели с данными измерений для однофазных (изотермическая турбулентная струя, поступающая через отверстие в пластине в поперечный сносящий поток; истечение нагретой турбулентной струи из окна прямоугольного сечения) и реагирующих двухфазных течений (горение турбулентной топливовоздушной струи, вдуваемой через горелку в пылеугольную топку, рис.11) позволили обоснованно применить развиваемый метод исследования для анализа эффективности организации стадийного сжигания угольной пыли в горелочном комплексе с пониженным выходом N0. Подробно исследована картина течения, характер расположения в пространстве зон активного выхода летучих и догорания коксового остатка, температурный режим и траектории частиц в пригорелочной области. Теоретически установлено, что для рассматриваемой схемы организации топочного процесса горение летучих на начальном участке струи происходит с дефицитом кислорода, при пониженных температурах и, следовательно, способствует уменьшению скорости образования окисла азота.

В шестой главе на основе модели Р.И.Нигматулина-П.Б.Вайнштейна-И.Ш.Ахатова, опирающейся на основные положения теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов и записанной для осесимметричного случая двухфазного газодинамического течения, исследовано развитие воспламенительного процесса для гранулированных взрывчатых веществ (ВВ) насыпной плотности, помещенных в замкнутую цилиндрическую оболочку постоянного объема, от локально инициирующего зажигание устройства. Действие воспламенительного узла на заряд ВВ моделируется как нестационарное истечение высокотемпературной струи, параметры которой в выходном сечении инициирующего зажигание устройства определялись из решения задачи внутренней баллистики о горении заряда капсюля-воспламенителя и истечении образовавшихся продуктов горения.

Численное интегрирование основных уравнений математической модели осуществлялось с использованием метода контрольного объема, явных разностных схем и алгоритма СЭЛ, предложенного В.Ф.Нохом.

Теоретически, на основе проведенных расчетов показано, что для удлиненных гранулированных зарядов ВВ область неодномерного воспламенения и горения располагается приблизительно на расстоянии

одного калибра от инициирующего зажигание устройства, где происходит плавное поглощение волны сжатия дисперсной фазы фронтом конвективного горения, реализующееся при низких значениях {Т. = 305 - 310К) среднеобъемной температуры зажигания пироксилиновых порохов.

Для укороченных зарядов ВВ на основе параметрического анализа подтверждена перспективность использования кольцевого способа воспламенения гранулированного порохового заряда через перфорированную диафрагму для повышения эффективности его зажигания.

Применение развиваемой численной модели для предсказания процесса выстрела показало удовлетворительное согласование расчетов и измерений, выполненных в НИИПММ, по величине давления в камере сгорания и скорости вылета метаемого элемента из ствола баллистического устройства.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы:

1. В рамках теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов предтожена новая математическая модель для исследования турбулентных прямоточных течений и теплообмена газа со взвешенными твердыми частицами в трубах, в которой взаимодействие частиц с ограничивающими поток поверхностями представляется разделением дисперсной фазы иа фракции падающих и отраженных от стенки частиц с соответствующим массообменом и использованием для отдельных фракции граничных условий на твердой поверхности, моделирующих реальный характер соударения частиц со стенкой. Для замыкания осредненных уравнений движения и тепломассоперепоса в рамках моментного подхода разработана оригинальная версия модели турбулентного обмена, использующая для описания турбулентной структуры динамических и тепловых полей несущей срелы и дисперсной фазы транспортные уравнения для соответствующих характеристик турбулентности. Модель учитывает влияние вращения частиц, их соударения со стенкой, скоростное и температурное скольжение фаз на характер турбулентного переноса в потоке аэровзвеси.

2. На основе обработки расчетных данных, характеризующих турбулентное течение двухфазной среды в трубе при несущественном влиянии силы тяжести и силы Магнуса, установлено, что профиль осевой компоненты скорости в области развитой турбулентности описывается универсальным логарифмическим законом. Предложена оригинальная

формулировка метода пристеночных функций, учитывающая фактор загрузки потока твердой фазой и релаксационные свойства частиц.

3. Для численного исследования турбулентных рециркуляционных течений смесей газ-твердые частицы в каналах сложной геометрии в рамках континуального подхода разработана математическая модель, описывающая полидисперсность твердой фазы, динамическое взаимодействие частиц между собой, образование зон повышенного содержания дисперсной фазы и седиментацию частиц под действием силы тяжести. На основе численной реализации этой модели получена детальная картина процесса сепарации частиц в пылеуловителях инерционного типа.

4. Сформулирована математическая модель для предсказания течения и тепломассообмена в установках с циркулирующим кипящим слоем. Показана возможность ее применения для прямого численного моделирования неоднородного псевдоожиженного слоя и исследования аэродинамики и тепломассопереноса в пылеуголъных топках с циркулирующим кипящим слоем, весьма перспективных в экологическом отношении.

5. В рамках континуального подхода, используемого для описания движения гетерогенных сред, разработана новая комплексная численная модель для исследования горения мелкодисперсного пылеугольного топлива в вихревых топочных камерах промышленных котлоагрегатов с факельным режимом сжигания, учитывающая основные особенности изучаемого явления: пространственный характер течения, выход и горение летучих компонентов угля, догорание коксового остатка, радиационный теплообмен, турбулентность потока. На базе сравнительного анализа показаны некоторые возможности ее упрощения, касающиеся представления горения угольной пыли и моделирования переноса тепла излучением. Для учета образования вредных окислов азота при сжигании азотосодержащего мелкодисперсного топлива предложена эффективная численная реализация кинетической схемы Митчелла-Тэрбелла. Применение комплексной численной модели к исследованию аэротермохимических процессов в топках со стадийным сжиганием пылеугольного топлива подтвердило перспективность использования таких камер сгорания, позволяющих снизить концентрацию вредных окислов азота в уходящих дымовых газах.

6. Для детального изучения процессов, сопровождающих вход турбулентной топливовоздушной струи в камеру сгорания, сформулирована численная модель, базирующаяся на смешанном

эйлерово-лагранжевом описании реагирующего полидисперсного потока газовзвеси. На ее основе подробно исследована аэродинамика и тепломассообмен в отдельно взятом горелочно.м комплексе вихревой топки, сжигающей пылеугольное топливо и работающей с пониженных; выходом окислов азота. Результаты сопоставления расчетов с данными измерений подтвердили целесообразность применения предложенного двухуровневого подхода для оценки экологического воздействия реально работающих топочных устройств.

7. Численно на основе нестационарных пространственных газодинамических уравнений теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов, записанных для осесимметричного случая, исследовано воспламенение насыпных зарядов гранулированных взрывчатых веществ, помещенных в замкнутую цилиндрическую оболочку постоянного объема, от локально инициирующего зажигание воспламенительного устройства. Выявлены основные особенности распространения волны горения и образования зон уплотнения в удлиненных и укороченных зарядах, для последних установлена ВОЗМОЖНОСТЬ повышения ?ффе*"тив МОСТ н ч.пжиппш? при нсно.'сьэодоотга кольцевого способа воспламенения.

8. Материалы диссертационной работы включены в программу читаемого в Томском университете на механико-математическом факультете специального курса лекций. Результаты исследований, приведенных в диссертации, а также численная реализация математических молелен в виде пакетов прикладных программ для расчета аэродинамики и тепломассообмена в пылеугольных топках паровых котлов внедрены и используются в проектно-конструкторской деятельности на Барнаульском котетьном заводе (ГЮ "СЧконергсманГ) и в АО КОТЭС.

Работа выполнена на кафедре теоретической и небесной механики Томского государственного университета и в отделе физики и механики быстропротекаюших процессов НИИ прикладной математики и механики при Т1~У. На разных этапах ее выполнения автор сотрудничал с В.В.Стропусом, Ф.А.Серантом, Е.МПузыревым, В.В.Саломаговым, И.И.Федепким, А.П.Баскаковым, А.Н.Ищенко, Ю.П.Хоменко, В.М.Ушаковым, И.В.Андреевой, Г.Д.Кадиевой; важное влияние на формирование его научных интересов оказали контакты и совместные исследования с А.М.Бубенчиковым. Автор искренне благодарен коллегам за помощь и внимание.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Бубенчиков A.M., Старченко A.B. Моделирование тепловых процессов в термических начальных участках каналов при турбулентном течении жидкости и газа //Труды Международной конференции "Тепломассообмен-VII". - 1984,Т.1,4.1. - С.30-35.

2. Андреева И.В., Бубенчиков A.M., Старченко A.B. Ламинарное течение газопылевой смеси во входном участке канала //Моделирование в механике. - 1988. - Т.2(19),№6. - С.10-15.

3. Старченко A.B. Численное исследование гидродинамики и теплообмена при движении газовзвеси в плоском горизонтальном канале //Моделирование в механике. - 1990. - Т.4(21),ЛГ°1. - С.146-149.

4. Старченко A.B. Численное ислледование осаждения твердых частиц при ламинарном движении газовзвеси в плоском горизонтальном канале //Газовая динамика. - Томск, 1991. - С.85-90 (Сб.трудов /НИИ прикладной математики и механики при ТГУ).

5. Андреева И.В., Бубенчиков A.M., Старченко A.B. Применение двухпа-раметрической модели к-е для расчета турбулентного движения двухфазной среды во входном участке канала //Сибирский физико-технический журнал. - 1991. - вып.2. - С. 65-69.

6. Бубенчиков A.M., Старченко A.B. Течение мелкодисперсной гетерогенной среды в поворотном канале газохода //Инженерно-физический журнал. - 1992. - Т.63,№1. - С.51-57.

7. Андреева И.В., Бубенчиков A.M., Старченко A.B. К численному моделированию турбулентного переноса при движении газовзвесей в трубах //Моделирование в механике. - 1992. - Т.6(23),№1. - С.10-16.

8. Старченко A.B. Численное решение задачи о неизотермическом движении газовзвеси в плоском вертикальном канале //Аэрогазодинамика. -Томск, 1992. - С. 122-126 (Сб.трудов /НИИ прикладной математики и механики при ТГУ).

9. Андреева И.В., Бубенчиков A.M., Старченко A.B. Математическое моделирование турбулентных течений газовзвеси в каналах(обзор) //Аэрогазодинамика. - Томск. - 1992. - С.26-37(Сб.тр. /НИИПММ при ТГУ).

10. Бубенчиков A.M., Старченко A.B. Численное исследование аэродинамики в установке с циркулирующим кипящим слоем//Известия вузов.Физика. - 1993. - Т.36,№4. - С.63-68.

11. Bubenchikov A.M., Starchenko A.V. Numerical prediction of turbulent gas-particle flow in the turning channel of a dust separator //Russian Journal of Engineering Thermophysics. - 1992. - Vol.2,N.4. - P.311-320.

12. Бубенчиков A.M., Старченко А.В. Численное исследование характеристик неоднородного псевдоожиженного слоя //Инженерно-физический журнал. - 1993. - Т.65.;Ф2. - С.178-184.

13. Бубенчиков A.M., Старченко А.В., Стронус В.В. Численное моделирование аэродинамики и тепломассообмена в топке парового котла с ЦКС //Теплоэнергетика. - 1993. - >¿9. - С.21-24.

14. Старченко А.В., Федецкип И.II Численное моделирование трехмерных течений в гопках паровых котлов //Сибирский физико-технический журнал. - 1993. - №5. - С. 118-124.

15. Bubenchikov A.M., Saloinatov Y.V., Starchenko A.V., Stropus V.V. Numerical investigation of the aerodynamics in the circulating fluidized bed installations //Russian Journal of Engineering Thermophysics. - 1993. -Vol.3,N.3. - P.257-264.

16. Bubenchikov A.M., Starchenko A.V. The numerical modelling of aerodynamics and heat - mass transfer in furnaces of CFB boiler //Proceedings of EUROTHERM Seminar#37 "Heat Transfer in Radiating and Combusting Systems 2". 5th-7th October 1994. - ENEA Research ( ':»itr.. S-'bKTiTui lr.)iv. - 1994. - P I81-J91,

17. Bubenchikov A.M., Starchenko A.V. Л numerical prediction of the coal combustion in boiler furnaces //Proceedings of EUROTHERM Seminar#37 "Heat Transfer m Radiating and Combusting Systems 2". 5th-7th October 1994. - ENEA Research Centre, Saluggia, Italy, - 1994. - P.297-308.

18. Кадиеса Г,Д., Старченко Л.В. Численное моделирование турбулентных рециркуляционных течений и теплообмена в трубе //Вычислительные технологии. - 1995. - Т.4,Кз12. - С. 153-162.

¡9. Baskakov А.Р., Zacharova Е.М., Bubenchikov A.M., Starchenko A.V., Gogoiev A.P., M.'.rco"ich D.M. Visual observation and mathematical modelling of U-beam separators //Proceedings of the First Int. Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. Rome. Italy. - 1995. -V.2. - P.1067-1071.

20. Бубенчиков A.M., Старченко A.B., Ушаков B.M. Численное моделирование горения пылеугольного топлива в топках паровых коглов //Физика горения и взрыва. - 1995. - Т.31 .№2. - С.23-31.

21. Бубенчиков A.M., Старченко А.В., Стропус В.В. Математическое моделирование аэродинамики и тепломассопереноса в устройствах с циркулирующим кипящим слоем //Теплоэнергетика. - 1995. - №7. -С.37-41.

22. Ischenko A.N., Starchenko A.V., Khomenko Yu.P. The peculiarities of combustion of granulated and combined powder charges in a sporting gun

//Book of Abstracts of International Workshop "Chemical Gasdynamics and Combustion of Energetic Materials". Tomsk. - 1995. - P.85-86.

23. Старченко A.B. Численное исследование неизотермического турбулентного течения газовзвеси во входном участке трубы //Труды III Международного Минского Форума "Тепломассообмен-ММФ-96". -1996,Т.5. - С.64-68.

24. Старченко А.В., Бубенчиков A.M. Математическое моделирование радиационного теплопереноса в пылеугольных топках //Труды III Международного Минского Форума "Тепломассообмен-ММФ-96". -I996.T.2. - С.36-39.

25. Старченко А.В. Численное моделирование образования NO в пылеугольных топках паровых котлов //Материалы Международной конференции "Сопряженные задачи механики реагирующих сред и экологии". - Томск:Изд-во ТГУ. - 1996. - С.168-169.

26. Старченко А.В. Численное моделирование образования вредных окислов азота в пылеугольных топках паровых к отлов //Тезисы докладов Всероссийской конференции "Использование методов математического моделирования в котельной технике". 23-25.09.1996. -Красноярск:Сибирский теплотехнический институт. - 1996. - С.61-62.

27. Starchenko A.V., Ushakov У.М. The numerical non-one-dimensional model for initiation and combustion of granular explosives //Proceedings of Int. Conference on Combustion. Moscow-St.Petersburg, Russia,21-26June 1993. - Izhevsk. -1996. - P.235-241.

28. Бубенчиков A.M., Старченко А.В, Численный анализ аэродинамики и горения турбулентной пылеугольной горелочной струи //Физика горения и взрыва. - 1997. - Т.33,№1. - С.51-59.

29. Старченко А.В. Численное моделирование турбулентных рециркуляционных течений газовзвеси в каналах //Материалы Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике". -Томск. 17-21 июня 1997г. - Томск:Изд-во ТГУ. - 1997. - С.167.

30. Бурлуцкий Е.С., Старченко А.В. Численное исследование теплообмена при турбулентном течении газовзвеси в трубе //Материалы Международной конференции "Всесибирские чтения по математике и механике". Томск. 17-21 июня 1997г. - Томск:Изд-во ТГУ. - 1997. С. 129.

31. Baskakov А.P., Zakharova Е.М., Bubenchikov A.M., Starchenko A.V., Gogolev A.F., Markovich D.M. Investigation of U-beam separators used in CFB //Preprints of the Fifth Int. Conference on Circulating Fluidized Beds. Beijing,Chine. 28 May - 1 June 1996. Beijing, Chine.1996. - P.Eq8.1-Eq8.6.

Рассчитанные и измеренные значения осевой компоненты скорости газа и дисперсной фазы, а также концентрации частиц при стабилизированном турбулентном течении газовзвеси в трубе

0.0 0.2 0.4 .0.6 0.8 1.0 г/г0

0.0 0.2 0.4 ,0.6 0.8 1.0 г/г0

Рис. !.

I , О.1.__'

к — .

измерения М.К.Лаатса и А.С.Мульги:

___ '1 ^ О.!. , ___ л ОН.....А ЛАЛ

хче^у- ¡иииии, IV! — — .э-м; ах — и,об, ап— к/,•}•/£,

б) Яе^ 18000; М = 3,6; = 470.0; ат = 0,99; ап= 1.0;

ксперименты Мопка\\'а, БЬлотк

1.0 о-

❖л ,

—

О О м = 1,92 \ ❖ М = 6,10 И А м = 14,4

0.8 -

0.6

0.4

0.0 0.2 0.4,0.6 0.8 1.0 г/г0

0.0 0.2 0.4 , 0.6 0.8 1.0 г/1о

(а) (б)

Рис. 2.

11е0= 36250; Б1к = 446,5; сплошные кривые - газ, пунктир - частицы, 1 - М = 1,92; 2-М = б,1;3-М = 14,4; а) - скорость, б) - концентрация; ат= 0,85; ап= 0,92; 1_Гср - средняя скорость газа; измерения А.С.Мульги.

Влияние концентрации частиц в потоке на теплоотдачу

М (а)

2.0

0 10 20 30 40 50 х/(2го) (б)

Рис. 3.

(а) - Ие0= 30000; 0/С5= 0,75; 1 - 81к = 386,2; 2 - Б1к = 1565,1; 3 - Б1к = 3001,7; о • +" эксперименты А.С.Сукомела и др;

(б) - Яе = 27400; С^Ср 0,8; = 18,5; 1 - М = 0; 2 - М = 1,14;

3 - М = 3,5; да- измерения Оереи/ и РагЬаг.

Векторное поле горизонтальной, изолинии вертикальной компонент скорости газа и концентрация частиц на высоте 0,56м (х3= 0,56м) от низа канала с и-образными уловителями пыли

0.4т

.......,,.,-^тт

.......«л-тт

>тм1,мтт1тМ1ШМ»М

Рис. 4.

Высота канала - 1м, а = Ь = с = е = 0,1м; скорость на входе - 6м/с; N = 6; 30; 60; 100; 200; ЗООмкм; <3^= 2,8кг/с.

Шаг изолиний скорости - 1 м/с.

Изменение относительного массового расхода вр частиц всех фракций вдоль рядов и-образного пылеуловителя 1.0

а.

¡а

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

йИ Г-Н

К?

1 & -Г-Н^ м № ■ г Г- Г ■ г^ 1 1 1

0.0 0.2

0.4

0.6 0.8

1.0

X1, м Рис. 5.

Изменение пористости в кипящем слое: а) - средней по высоте канала; б) - мгновенной в двух фиксированных точках слоя

1.0 у

0.9-а, 0.80.7- " 0.605 О

++ ^

+

и^О,76м/с

10

<1=326мкм

75"

20

х3,мм

25

а,

1.0

0.9 -0.8 -,0.7 0.6 Н

0.3

0.6

т 0.8

б г 4 ' / ' щ п\

I 1 1 1 ] / V \ '(,' V !! 1

1 1 1( ! « 1

и, = 0,76м/с

т 1.2

1.4

1.0 Рис. 6.

+ - измерения В.И.Иванютенко, Н.ВАнтонишина и В.С.Никитина; иг скорость ожижения; ширина канала I = 0,01м; 1 - в точке с координатами (0,005м;0,012м); 2 - (0,005м;0,005м).

Распределение давления и концентрации частиц в лабораторной установке с ЦКС ИТ СО РАН

200

0.2 -j 0.0

150 -

Рр,

кг/м3

и/=4,0м/с 0р=0,03кг/с

-х3=0,2м

-I-Р—I-1-1-Г—I-!-1-1-1-1-1-!-1 U —J*-Г-1--1-[—-Т-

50 100 150 0.00 0.02 0.04 0.06 Р-Ро, Н/м2 х2,м

Рис. 7.

^ q ~ .>-измерения В.В.Саломатова.

Сравнение результатов расчета с данными испытания топки котла БКЗ-210-140Ф

800 1000 1200 т , , о щ п 40 60 80 100 л 4 о в 10 1_г

1емпература Кон ация Степень

факела, С о_ 0уо выгорания

° топлива, %

Рис. 8.

Измерения выполнены Ю.Л.Маршаком, В.Н.Верзаковым.

Распределение концентрации окислов азота по высоте камер сгорания паровых котлов ПК-39-2(а) и БКЗ-210-140Ф(б)

14001200-

1—- - а !е

V (Л-п -

V Г £

>

)— ттгг 1111 им II 1 1 | < 1 1 1 ■тпгггпг

600-

Ь 400-

о 200£

О-

-ргт

0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10

Высота,м Высота,м.

Рис. 9.

• - данные измерений Сиб.отд.ОРГРЭС; Ф - расчет по нормативной методике; --расчет на основе комплексной модели.

1111 15 20

Аэродинамика и тепломассоперенос в топке с трехступенчатой системой сжигания пылеугольного топлива

3-2

2-я

1-я

ступы;

сту

сту

V

"I I I 11 I I | I |I;) | I 11 I I I I I I I I I 1 | 1 |

4

-25

-20

-15 Ч «в н

— о

:1Р.|

-0

1000 1300 Температура факела, С

0 2 4 6' От, %

200 600 1000 [ИОх], мг/м3

.94 96 98 100 Выгорание топлива,%

Рис. 10.

Слева - векторное поле скорости смеси в вертикальном сечении, проходящем через середину топки, стрелка вне контура -масштаб 10м/с; справа распределение средних в горизонтальных сечениях величин.

Г

Рассчитанные и измеренные значения концентрации частиц(а) и

окислов азота(б) на различных расстояниях х,от горелки в горизонтальном сечении (хх = const) пылеугольной топки котла

Хз=0,22м

0.5

0.0-

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5

Vм

f

"1 ' I ' ' | ТТ

1000 -Г-

NO. j х3=0,84м

мг/м5 4 500

Оэ/^ of°°

0

-2.0 -1.5 -1.0 -0 5 0.0 0 5 X .м

Рис. 11.

Начало координат расположено в середине выходного окна горелки. Пунктирная линия указывает направление вдуза топливовоздушной струи. Экспериментальные данные любезно предоставлены Ф.А.Серантом, АО КОТЭС.

' / /.•/.- V /

) ' ч а . к

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И МЕХАНИКИ ПРИ ТОМСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

На правах рукописи

Старченко Александр Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ В КАНАЛАХ И КАМЕРАХ СГОРАНИЯ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант:

доктор физико-математических наук,

доцент Бубенчиков А.М.

Томск - 1997

РЕФЕРАТ

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 167 наименований. Весь материал изложен на 300 страницах машинописного текста, содержит 107 рисунков, представленных на 95 страницах, и 7 таблиц.

Ключевые слова: АЭРОДИНАМИКА, ГАЗОДИСПЕРСНАЯ СМЕСЬ, ЧАСТИЦЫ, ТЕПЛООБМЕН, ТУРБУЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА, ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ТУРБУЛЕНТНОСТИ, КАНАЛ, КАМЕРА СГОРАНИЯ, ПОЛИДИСПЕРСНОСТЬ, КИПЯЩИЙ СЛОЙ, ГОРЕНИЕ, ЛУЧИСТЫЙ ПЕРЕНОС, ОКИСЛЫ АЗОТА, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ПЫЛЕУГОЛЬНЫЕ ТОПКИ.

В диссертации представлены математические модели для изучения аэродинамических и тепломассообменных процессов, протекающих в каналах и камерах сгорания энергетического оборудования, где в качестве рабочих сред используются смеси газ-твердые частицы. Описаны методы численной реализации построенных моделей.

С целью выяснения общих закономерностей переноса массы, импульса и тепла в аэродисперсных потоках предварительно рассмотрены ламинарные движения газовзвесей. С использованием моделей механики гетерогенных сред и моментного подхода предложено математическое описание турбулентных движений газовзвесей, в котором для учета взаимодействия частиц с ограничивающими течение поверхностями вводится разделение дисперсной фазы на фракции падающих и отраженных частиц с соответствующим межфракционным массообменом. Проблема замыкания осредненных по Рейнольдсу законов сохранения массы, импульса и энергии, записанных в дифференциальной форме, решается путем привлечения уравнений переноса для пульсационных моментов несущей среды и твердой фазы. Численная реализация этого

подхода позволила проанализировать влияние концентрации частиц, числа Стокса, условий взаимодействия частиц со стенками трубы на тепловые и динамические характеристики смеси газ - твердые частицы. На основе обработки результатов численного анализа предложена оригинальная трактовка метода пристеночных функций для турбулентных запыленных течений.

Проведенные исследования позволили обоснованно выбрать замыкающие соотношения для системы определяющих уравнений теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов при численном моделировании течения и тегогомассопереноса в пылеуловителях инерционного типа и устройствах с циркулирующим кипящим слоем. Предложены математические модели, опирающиеся на уравнения Навье-Стокса или Рейнольдса и учитывающие полидисперсный состав твердой фазы, соударение частиц между собой и межфракционный обмен массой, импульсом и энергией вследствие их дробления и истирания. На основе проведенных расчетов предсказана детальная картина течения в пылеуловителях инерционного типа, аэродинамика и тепломассоперенос в топках с циркулирующим кипящим слоем. Выполнены работы по прямому численному моделированию турбулентного режима ожижения дисперсной фазы в кипящем и циркулирующем кипящем слое на базе нестационарных уравнений переноса.

Для целей исследования процессов тепломассообмена при горении монодисперсных взвешенных частиц топлива в каналах энергетических установок предложена математическая формулировка задачи о факельном сжигании угольной пыли в крупногабаритных камерах сгорания, базирующаяся на основных положениях теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов и включающая уравнения Рейнольдса для смеси и уравнения тепломассообмена для каждой фазы, записанные в пространственной постановке для стационарных условий. Химические

превращения топлива (пиролиз, горение выделившихся при термической деструкции летучих и догорание коксового остатка) моделируются глобальными необратимыми реакциями. Турбулентная структура газа и дисперсной фазы представляется на основе двухпараметрической к-е модели, учитывающей влияние движущихся частиц на турбулентные характеристики несущей среды. Радиационный теплоперенос в объеме камеры сгорания описывается с использованием Р1 приближения метода сферических гармоник. Особое внимание уделяется выбору адекватной и эффективной кинетической модели образования окислов азота при сжигании азотосодержащих топлив (угольной пыли), которые являются одним из основных загрязнителей атмосферного воздуха. Наряду с численной моделью, предсказывающей горение пылеугольного топлива во всем объеме топочного устройства, для детального изучения процессов, сопровождающих вход пылеугольной струи в камеру сгорания, используется смешанный эйлерово-лагранжев подход, позволяющий подробно отслеживать динамические и тепловые характеристики отдельных частиц при их движении в элементе топочного объема, располагающегося вблизи рассматриваемого окна подачи топливовоздушной смеси. Применение разработанной комплексной численной модели для исследования аэродинамики, горения и тепломассопереноса в пылеугольных топках паровых котлов промышленных масштабов позволяет получить результаты, хорошо согласующиеся с данными натурных измерений скорости, температуры смеси, выгорания топлива и концентрации газовых компонентов, в том числе и окислов азота. Теоретически, посредством анализа данных вычислений, подтверждена перспективность использования стадийного сжигания угольной пыли, как одного из способов снижения образования вредных окислов азота.

При численной реализации предложенных моделей используются следующие элементы современных вычислительных технологий: метод контрольного объема, шахматные сетки и SIMPLE алгоритм.

Заключительная часть диссертационной работы посвящена численному моделированию процесса воспламенения зарядов гранулированных взрывчатых веществ насыпной плотности в замкнутой цилиндрической камере сгорания от инициирующего зажигание устройства. При этом используются нестационарные, неодномерные уравнения механики гетерогенных сред, действие воспламенительного устройства моделируется нестационарным истечением

высокотемпературной струи. На основе численного решения задачи, полученного с помощью метода контрольного объема и алгоритма СЭЛ, рассмотрено влияние положения воспламенительного узла на торцевой стенке и величины объема камеры сгорания на процесс распространения волны горения по пространству, занятому дисперсной фазой.

Основные результаты исследований внедрены в практику проектных и конструкторских работ по созданию элементов энергетического оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................... 9

1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ И

ТЕПЛООБМЕНА ГАЗОВЗВЕСЕЙ В КАНАЛАХ................. 20

1.1. Ламинарное течение газопылевой смеси во входном участке канала.............................................21

1.1.1. Математическое описание неизотермических движений

в каналах постоянного сечения.....................21

1.1.2. Схема численного интегрирования определяющих уравнений......................................26

1.1.3. Некоторые результаты расчетов течений смеси при воздействии на частицы сил тяжести и термофореза ... .29

1.2. Турбулентное течение газовзвеси в трубе.................35

1.2.1. Применение модели Л.В.Кондратьева для численного исследования неизотермического турбулентного течения газовзвеси в круглой трубе........................38

1.2.2. Математическая модель турбулентного течения и теплообмена газовзвеси в трубе с фракциями падающих

и отраженных от твердой поверхности частиц........45

1.2.3. Метод пристеночных функций для турбулентных дисперсных потоков............................. 63

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗ-ТВЕРДЫЕ ЧАСТИЦЫ В ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЯХ ИНЕРЦИОННОГО ТИПА...................................71

2.1. Математическая модель движения аэровзвесей в каналах сложной геометрии .................................. . 72

2.2. Характерные особенности численной реализации применяемой модели .............................................79

2.3. Теоретическое исследование движения полидисперсного потока газовзвеси в U-образном пылеуловителе инерционного типа ..................................85

2.4. Численный анализ движения мелкодисперсной гетерогенной среды в поворотном канале газохода..................114

3. АЭРОДИНАМИКА И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В УСТРОЙСТВАХ С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ................121

3.1. Математическая модель и метод решения...............124

3.2. Численное исследование характеристик неоднородного псевдоожиженного слоя..............................132

3.3. Численный анализ картины течения в лабораторной установке с циркулирующим кипящим слоем............139

3.4. Некоторые результаты расчета аэродинамики и тепломассо-переноса в топках паровых котлов с циркулирующим кипящим слоем.....................................145

4. ГОРЕНИЕ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ТОПКАХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ..................................................158

4.1. Математическое описание аэродинамики, тепломассообмена и горения в топочной камере с факельным режимом сжигания..........................................160

4.2. Метод численного интегрирования пространственных уравнений неизотермического течения химически активной аэровзвеси.........................................171

4.3. Апробация математической модели и метода расчета.....173

4.4. Численная модель образования окислов азота при сжигании пылеугольного топлива.............................187

4.5. Исследование топочных процессов в камере сгорания пылеугольного топлива со ступенчатой системой сжигания ..................................................196

4.6. Некоторые упрощения исходной математической модели горения пылеугольного топлива в крупногабаритных топках

паровых котлов....................................216

5. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ АЭРОДИНАМИКИ И ГОРЕНИЯ НА НАЧАЛЬНОМ УЧАСТКЕ ТУРБУЛЕНТНОЙ ПЫЛЕУГОЛЬНОЙ ГОРЕЛОЧНОЙ СТРУИ .....................................226

5.1. Эйлерово-лагранжев подход для теоретического изучения аэротермохимических процессов в пригорелочной зоне ... 227

5.2. Метод решения и апробация численной модели..........237

5.3. Численное исследование аэродинамики и горения турбулентной пылеугольной струи в горелочном комплексе со стадийным сжиганием топлива.....................248

6. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАННЫХ МЕТАТЕЛЬНЫХ ЗАРЯДОВ.................................................256

6.1. Математическая модель и метод решения...............257

6.2. Воспламенение удлиненного гранулированного

заряда ВВ.........................................265

6.3. Численное исследование процесса зажигания метательного заряда для спортивно-охотничьего оружия..............267

6.4. Расчет процесса выстрела из спортивно-охотничьего оружия...........................................274

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................279

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................283

ВВЕДЕНИЕ

Во второй половине двадцатого столетия в связи с бурным развитием промышленности и энергетики чрезвычайную остроту приобрели вопросы, связанные с охраной окружающей среды. Одной из наиболее актуальных проблем современности является защита атмосферного воздуха от загрязнений, имеющих техногенное происхождение. К основным источникам загрязнения воздушного бассейна относятся теплоэлектростанции и промышленные топливосжигающие установки, поставляющие в атмосферу в больших количествах твердые частицы золы и сажи, а также окислы азота и серы. Для уменьшения вредных выбросов ТЭС, наряду с использованием разнообразных пылеуловителей и фильтров, а также химических способов очистки, перспективным в настоящее время является организация экологически приемлемого процесса сжигания топлив, характеризующегося пониженным выходом окислов азота ИОх и серы БОх. Достижение этой цели осуществляется путем введения новых технологических и конструктивных решений:

- применением топок со стационарным или циркулирующим кипящим слоем;

- организацией процессов сжигания с переменным по высоте топочной камеры коэффициентом избытка воздуха (стадийное или ступенчатое сжигание);

- снижением температур в камерах сгорания за счет более полного использования ее объема;

- впрыском воды в зону повышенных температур топки;

- организацией рециркуляции дымовых газов в зону активного горения;

- использованием горелок с пониженным выходом окислов азота.

Указанные способы уменьшения выбросов ЫОх и БОх ориентированы, главным образом, на снижение температуры в области активного горения внутри топочных камер ТЭС, следствием чего является падение энергонапряженности тепловоспринимающих поверхностей и ухудшение экономических показателей камеры сгорания и показателей котлоагрегата в целом.

В настоящее время в России при проектировании энергетических установок, предназначенных для сжигания природных топлив, оптимум между экономическими и экологическими параметрами находится с использованием полуэмпирического метода теплового расчета котельных агрегатов, результатов испытаний камер сгорания действующих паровых котлов ТЭС, а также на основе данных экспериментальных исследований, проводимых на физических моделях топочных устройств.

Активно разрабатываемые в последнее время методы численного моделирования лишены многих недостатков, присущих упомянутым выше способам получения информации о исследуемых процессах, и позволяют сравнительно быстро,, с малыми затратами находить оптимальные конструкторские решения при проектировании элементов энергетического оборудования ТЭС.

В предлагаемой диссертационной работе для оценки эффективности использования некоторых из рассмотренных выше способов снижения образования вредных окислов при сжигании мелкоразмолотого угольного топлива значительное внимание уделено разработке математических моделей аэротермохимических процессов, протекающих в камерах сгорания промышленных котлоагрегатов. Для исследуемых процессов характерны особенности:

- аэродинамически сложное пространственное движение рабочей смеси с большим количеством зон рециркуляционного течения;

- динамическое и тепловое взаимодействие газа и взвешенных частиц как на уровне осредненных характеристик компонент двухфазной смеси, так и для пульсационных величин (характеристик турбулентности);

- горение угольной пыли (выход и горение летучих компонентов топлива, догорание коксового остатка) при изменяющейся температуре и концентрационном составе газа;

- радиационный теплообмен высокотемпературного двухфазного потока с ограничивающими течение поверхностями.

В настоящее время при математическом моделировании процессов переноса импульса, тепла и массы в гетерогенных потоках используются как теория взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов Х.А.Рахматулина-Р.И.Нигматулина, в которой совокупность дискретных частиц представляется сплошной средой с эффективными тепловыми и динамическими свойствами, так и подход, опирающийся на смешанное эйлерово-лагранжево описание двухфазного течения, когда параметры несущей среды определяются из эйлеровых уравнений механики сплошных сред, а характеристики ансамбля частиц и их влияние на газ рассчитываются в лагранжевых переменных с явным выделением траекторий отдельных частиц. Анализ движения и теплообмена одиночных частиц позволяет подробно описывать их взаимодействие с твердой поверхностью, пиролиз и горение пылеугольного топлива, сравнительно легко моделировать полидисперсность твердых частиц. Однако, применение численных моделей, базирующихся на смешанном эйлерово-лагранжевом описании гетерогенных потоков, ограничивается случаями низких значений концентрации твердой фазы, при которых эффекты, связанные с взаимодействием частиц между собой, не оказывают существенного влияния на течение и тепломассообмен. Несмотря на широкое использование теории взаимодействующих и взаимопроникающих континуумов при численном моделировании

движения смесей газ-твердые частицы, до сих пор недостаточно разработанными остаются способы математического описания полидисперсности твердой фазы, явлений соударения частиц между собой, а также их взаимодействия с ограничивающими течение поверхностями. В настоящей диссертационной работе этим вопросам уделено значительное внимание.

Еще менее разработанной частью общей модели течения гетерогенных сред в каналах является описание турбулентной структуры как несущей, так и дисперсной фаз. Несмотря на актуальность этой проблемы, сегодняшний уровень знании о свойствах внутренних турбулентных течений со взвешенными частицами значительно отстает от соответствующего для однофазных потоко