Расчет аэродинамики потоков угольной пыли с учетом выхода летучих компонентов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



Г'"

( / { / - / V '"у ^ / I

и-/ г. / . , / -у »«/

^ / / /

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Красноярский государственный технический университет

На правах рукописи

ДУБИЧ Виктория Викторовна

РАСЧЕТ АЭРОДИНАМИКИ ПОТОКОВ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ С УЧЕТОМ ВЫХОДА ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ

Специальность 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. ф. - м. н., профессор В. И. Быков Научный консультант: д. ф. - м. н., профессор В. С. Славин

Красноярск — 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение _________ 4

1. Современное состояние проблемы _ 9

1.1. Одномерные и пространственные модели газовой динамики_ 9

1.2. Обзор моделей турбулентности_ 10

1.3. Двухфазные потоки газовзвеси_14

1.4. Турбулентные двухфазные потоки_17

1.5. Моделирование реагирующих течений угольной пыли_20

1.6. Модели пиролиза и выхода летучих_21

2. Математическая модель двухфазного реагирующего потока угольной пыли __30

2.1. Физическая модель двухфазного реагирующего потока

угольной пыли_30

2.2. Математическая модель газовой фазы_31

2.3. Модифицированная математическая модель выхода летучих_ 34

2.4. Математическая модель турбулентности_ 36

2.5. Математическая модель дисперсной фазы_ 38

2.6. Постановка граничных условий_ 40

2.7. Численный метод решения_43

3. Численное моделирование газодинамики однофазных потоков_44

3.1. Тестирование математической модели.

Турбулентное течение газа в трубе_ 44

3.2. Численное моделирование аэродинамики потока

перед фронтом горения полимерной пленки_48

4. Численное моделирование газодинамики двухфазных реагирующих потоков угольной пыли_ 60

4.1. Численное моделирование процесса самовоспламенения

потока угольной пыли_60

4.1.1. Высокотемпературное самовоспламенение потока

угольной пыли__ 60

4.1.2. Низкотемпературное самовоспламенение потока

угольной пыли_ 70

4.1.3. Численный анализ пожаровзрывобезопасности потоков угольной пыли_ 72

4.2. Численное моделирование реагирующего течения

в канале пылеугольного газогенератора_93

4.2.1. Постановка задачи исследования реагирующего течения

в канале пылеугольного газогенератора_93

4.2.2. Анализ результатов численного моделирования реагирующего течения в канале пылеугольного газогенератора_ 96

4.2.3. Численное моделирование процесса налипания частиц

на стенки пылеугольного газогенератора_ 120

Заключение_ 128

Список использованных источников_ 130

Приложения_144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Применительно к развитию энергетики России определяющим в аспекте экономики является повышение эффективности использования энергии, а в аспекте решения экологических проблем - обеспечение приемлемого качества локальных характеристик окружающей среды. Использование угля в качестве энергетического и химического сырья по экономическим прогнозам в ближайшие десятилетия будет возрастать как в России, так и за рубежом. Важной составной частью проблемы является расчет аэродинамики двухфазных реагирующих потоков топлива. Поэтому проблемы теплофизики, горения и газификации угля вызывают устойчивый интерес как с прикладной, так и с теоретической точек зрения. Большая прикладная значимость исследований связана с наличием действующих и вновь создающихся тепловых электростанций, газогенераторов и камер сгорания угля различного технологического назначения.

Таким образом, актуальной является задача исследования реагирующих потоков угольной пыли.

Цель работы состоит в расчете аэродинамики реагирующих потоков угольной пыли с учетом выхода летучих компонентов и разработке методического подхода для оценки

пожаровзрывобезопасности углепроводов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

анализ эмпирических данных, позволяющих разбить на отдельные фазы процессы, протекающие в частицах угольной пыли;

выбор одной из существенных фаз процесса в качестве объекта исследования, а именно - фазы выхода летучих компонентов из частиц угольной пыли;

анализ существующих математических моделей и выбор модели для проведения исследований аэродинамики реагирующих потоков угольной пыли;

модификация выбранной модели с учетом степени измельченности

угля;

использование математической модели в упрощенном виде для анализа однофазных потоков газа, а также проверка газодинамической части математической модели на более простых задачах однофазного течения;

проведение численных экспериментов по исследованию аэродинамики однофазных и двухфазных реагирующих потоков угольной пыли с целью оценки пожаровзрывобезопасности.

Научная новизна работы состоит в следующем.

Модифицирована математическая модель Кобаяши выхода летучих из частиц угольной пыли с учетом степени измельченности угля.

Проведено численное моделирование процесса самовоспламенения потока угольной пыли. Результаты численного моделирования позволяют сделать вывод о возможности самопроизвольного воспламенения низкотемпературных потоков угольной пыли.

Разработан новый подход для анализа пожаровзрывобезопасности потоков угольной пыли. В результате численного анализа получены зависимости, которые позволяют оценить опасность теплового взрыва углепровода {зависимость величины взрывоопасной концентрации угольной пыли от высоты препятствия в трубе, а также от скорости движущегося потока пылеуглевоздушной смеси).

Проведено численное моделирование аэродинамики однофазного потока перед фронтом горения полимерной пленки. Показана

значительная роль аэродинамических факторов, приводящих к отрыву пограничного слоя от поверхности полимера и вихреобразованию.

Проведено численное моделирование реагирующего течения в канале пылеугольного газогенератора. Показано возникновение реагирующей приосевой струи и холодной застойной зоны, что приводит к увеличению степени уноса топлива.

Достоверность полученных результатов следует из применения в исследовании современных достижений теплофизики, механики двухфазных сред, теории горения и теплообмена, строгости постановок математических задач, использования надежных математических моделей и вычислительных технологий, а также подтверждается результатами сопоставления расчетов с экспериментальными данными. Теоретическая значимость работы обусловлена: проведенной модификацией математической модели выхода летучих Кобаяши с учетом степени измельченности угольной пыли;

новым подходом для анализа пожаровзрывобезопасности потоков угольной пыли.

Практическая ценность. Полученные в данной работе результаты исследований и модифицированная математическая модель используются:

при экспертизе проектных решений по созданию пылеугольных газогенераторов и камер сгорания угольной пыли;

при оценке пожаровзрывобезопасности углепроводов, а также могут быть использованы при анализе аэродинамики процесса распространения пламени по плоской поверхности.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Первая краевая научно- практическая конференция "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйству" (Красноярск, КГУ, 1985), Всесоюзная Школа молодых ученых и

специалистов "Вычислительные методы и математическое моделирование" (Красноярск, КГУ, 1986), XIX научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов (Киев, Институт технической теплофизики АН УССР, 1990), конференция "Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ" (Красноярск, КАТЭКНИИуголь 1990), Первая Российская национальная конферениция по теплообмену (Москва, МЭИ, 1994), Межрегиональная конференция "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, КГТУ, 1995), Международная конференция "Математические методы в химии и химической технологии" (Тверь, 1995), Международная конференция "Математические модели и методы их исследования (задачи механики сплошной среды, экологии, технологических процессов)" (Красноярск, КГУ, 1997), International Symposium "Chemistry of Flame Front " (Almaty, Kazakstan, Institute of Combustion Problems 1997), Четвертая Всероссийская конференция "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, КГТУ, 1998), Всероссийский конгресс "ИНПРИМ - 98" (Новосибирск, ИМ СО РАН, 1998), Первый всероссийский семинар "Моделирование неравновесных систем - 98" (Красноярск, КГТУ, 1998), Семинар Института теплофизики СО РАН "Физическая гидродинамика" (Новосибирск, 1997), Семинар Института теплофизики СО РАН "Физическая гидродинамика" (Новосибирск, 1998), семинар кафедры ВЭПОМ Красноярского государственного технического университета (Красноярск, 1999).

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 12 печатных работах.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:

1. Модификация математической модели Кобаяши выхода летучих из частиц угольной пыли с учетом степени измельченности угля.

2. Результаты анализа аэродинамики потока перед фронтом горения пленки эпоксидного полимера, показавшие наличие отрыва пограничного слоя от поверхности полимера и вихреобразования в предпламенной области.

3. Результаты численного моделирования процесса самовоспламенения потока угольной пыли, позволяющие сделать вывод о возможности самопроизвольного воспламенения низкотемпературных потоков угольной пыли.

4. Новый подход для анализа пожаровзрывобезопасности потоков угольной пыли, а также полученные в результате численного анализа зависимости, которые позволяют оценить опасность теплового взрыва углепровода.

5. Ряд особенностей течения в канале пылеугольного газогенератора: возникновение реагирующей приосевой струи и холодной застойной зоны, приводящее к увеличению степени уноса топлива.

Структура и объем диссертации. Представляемая диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложения. Объем работы 147 страниц печатного текста, включая 31 рисунок, 8 таблиц и список использованных источников из 129 наименований. Приложение содержит акты об использовании результатов диссертационной работы.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Одномерные и пространственные модели газовой динамики

Численные расчеты газодинамических течений проводятся как в одномерном, так и в двумерном приближении, а в последнее время возросшие возможности вычислительной техники позволяют проводить трехмерные расчеты газовых потоков в полном объеме.

Одномерное моделирование активно использовалось в период появления вычислительной техники, когда ограничения модели были связаны с ограниченностью машинной памяти. Тем не менее одномерные модели хорошо отражают общие характеристики течений /126/. В настоящее время одномерное моделирование используется для оценки средних и интегральных величин потока /92/.

Однако одномерная модель не позволяет исследовать поперечную структуру потока, рециркуляционные течения, турбулентные эффекты. Одномерное моделирование подразумевает наличие только осевого вдува, в то время как установки для сжигания или газификации угля имеют также боковые вдувы, что делает поперечные эффекты существенными. Поэтому в данной работе осуществляется двумерное моделирование потока.

В настоящее время становится возможным проведение трехмерных расчетов /42/. В статье /45/ даны принципы математического моделирования камер сгорания топок, применяемые на кафедре энергетики Высшего горного учебного заведения в Остраве, для комплексных исследований аэродинамики сжигания в топках котлов большой производительности. Моделирование является решением трехмерной математической модели камер сгорания топок. В работе даны основные уравнения модели и математическое описание процесса сжигания пыли. Дана характеристика расчетной программы для ЭВМ,

а также оговорен способ введения данных и задания краевых условий. Представленная в работе математическая модель служит для исследований влияния характеристик топлива, изменений выходных величин, геометрий горелки и камеры сгорания для различных краевых условий, а также для определения оптимальной формы камеры и системы горелок, для которых чувствительность котла к изменению топлива и эксплуатационных условий, с учетом стабильного сгорания, меньше.

Однако трехмерное моделирование требует значительных ресурсов компьютера, что не всегда оправдано, поскольку для осесимметричных каналов бывает достаточно двумерной постановки задачи.

1.2. Обзор моделей турбулентности

Одной из основных характеристик течения газа является число Рейнольдса, которое представляет собой критерий взаимодействия динамического напора и молекулярного трения и определяется следующим образом /50/: Ке ■= V й / V, где Яе - безразмерное число Рейнольдса, V - характерная скорость течения, й - характерный линейный размер {для трубы обычно ее диаметр), V - коэффициент кинематической вязкости газа.

Для исследуемых течений число Рейнольдса лежит в широком диапазоне и может достигать 106. При таких значениях числа Рейнольдса течение является существенно турбулентным, и моделирование турбулентности становится необходимым.

Исторически первыми научными наблюдениями турбулентного движения были известные опыты английского физика О. Рейнольдса, относящиеся к 1883 году, в которых он изучал движение воды в круглой цилиндрической трубе. Выведенные Рейнольдсом /121/ осредненные

уравнения турбулентного движения жидкости, которые можно считать классическими, составляют основу модели турбулентного движения. Мгновенная скорость газа при этом представляется в виде суммы осредненной и пульсационной составляющих. Однако уравнения Рейнольдса незамкнуты, для их замыкания требуются дополнитель-ные предположения /1/.

В настоящее время развивается строго статистический подход к исследованию турбулентности как стохастического процесса с использованием, например, спектральных методов /54/. При наличии серьезных теоретических достижений /55/ статистическая теория все же не смогла до настоящего времени самостоятельно создать практически приемлемый способ замыкания уравнений Рейнольдса. Поэтому дальнейшее развитие теории турбулентного обмена пошло по пути создания полуэмпирических теорий. Концепция Буссинеска /93/, выдвинутая в 1877 году, позволяет рассматривать турбулентное движение жидкости как подчиняющееся ньютоновскому закону вязкости и ввести так называемую эффективную вязкость цЭф., определяемую равенством:

Меф. = т / (Эи/ду), (1.1)

где т - эффективное касательное напряжение, и - скорость газа, у - поперечная координата.

Эффективная вязкость складывается из вязкости молекулярной и вязкости турбулентной: Цэф. — (Ылам. "Ь Дтурб. •

Концепция турбулентной вязкости предполагает, что перенос количества движения за счет турбулентности происходит аналогично переносу за счет молекулярного движения. Такое предположение часто подвергается критике как физически необоснованное. Однако, несмотря

на концептуальные возражения, понятие турбулентной вязкости часто находит практическое применение, поскольку оно дает хорошее приближение для коэффициента эффективной вязкости. Коэффициент турбулентной вязкости пропорционален масштабу скорости V и

масштабу турбулентности Ь: Цгурб.

Модель для описания распределения эффективной вязкости впервые была предложена Прандтлем в 1925 году /1197. Эта модель известна как "гипотеза длины пути смешения". Понятие длины пути смешения молей аналогично понятию длины свободного пробега молекул в кинетической теории газов. Гипотеза Прандтля приводит к следующему выражению для коэффициента эффективной вязкости: ]лэф. = р I21 ди/ду |, где р - плотность газа, 1 - длина пути смешения, определяемая эмпирически.

Для случаев сложных течений эта модель малопригодна, поскольку возникают большие трудности при задании распределения длины смешения. Чтобы преодолеть ограниченность гипотезы пути смешения, были разработаны модели турбулентности, позволяющие учитывать перенос турбулентности путем решения дифференциальных уравнений для этого переноса /15/. Существуют однопараметрические и двухпараметрические модели турбулентности /38, 39/.

Однопараметрические модели /54/ используют уравнение переноса кинетической энергии турбулентности: к = (и'1 2) / 2, где и'; -пульсационная составляющая мгновенной скорости. Область применимости однопараметрической модели ограничивается, главным образом, относительно простыми сдвиговыми слоями, поскольку для более сложных течений трудно получить эмпирические распределения характерных линейных масштабов. Поэтому наиболее распространенными являются двухпараметрические модели с двумя уравнениями переноса. В таких моделях масштабы турбулентности

определяются также из уравнения переноса. Чаще всего в качестве дополнит