楊晉芳 于清航

（煤炭科學(xué)研究技術(shù)研究院有限公司節(jié)能工程技術(shù)研究分院，北京 100013）

1 化學(xué)反應(yīng)模型的介紹

Fluent中的反應(yīng)模型主要分為三種，一種為快速反應(yīng)模型，包括渦耗散模型、預(yù)混燃燒模型、非預(yù)混燃燒平衡模型、部分預(yù)混模型；另外一種為有限速率模型，包括層流有限速度模型、渦耗散概念模型、概率密度輸運(yùn)燃燒模型和層流小火焰模型（穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)）。最后為其它一些模型，包括離散相模型、污染物形成模型和表面反應(yīng)。如果流動(dòng)為層流，則可直接選擇層流有限速率模型，如果流動(dòng)為湍流，則需進(jìn)一步考察[1]。

氣化爐內(nèi)流動(dòng)屬于湍流，對(duì)于燃料和氧化劑通過多股射流，以非預(yù)混的形式送入爐內(nèi)，可以考慮選擇有限速率/渦耗散模型、非預(yù)混模型、渦耗散概念模型和PDF組分輸運(yùn)模型。文中將有限速率/渦耗散模型與渦耗散概念模型進(jìn)行對(duì)比。

2 模擬對(duì)象

本文數(shù)值模擬的對(duì)象為氣化爐三維空間，模型及計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 模型及計(jì)算網(wǎng)格

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 速度場的對(duì)比

爐內(nèi)存在流體力學(xué)各異的三個(gè)區(qū)，即射流區(qū)、回流區(qū)和管流區(qū)。在噴嘴附近為射流區(qū)。在射流噴出的周圍空間內(nèi)形成回流區(qū)。射流衰減到一定程度，則形成管流區(qū)，一直延伸到爐膛出口。圖2中左圖為使用渦耗散概念模型模擬的速度場，可以看出左圖流場均勻，射流區(qū)內(nèi)速度從上到下逐漸減小，射流的寬度也逐漸增大；回流區(qū)中速度在爐體中間最大；管流區(qū)中，由于受縮口的影響，速度有所增加。右圖為有限速率/渦耗散模型模擬的速度場，速度場向右偏移，流場不對(duì)稱，而且也看不出爐內(nèi)的三區(qū)分布。

圖2 軸向速度分布

圖3 氣化爐內(nèi)氣體溫度分布

3.2 溫度場的對(duì)比

氣化爐的溫度分布如圖3所示。左圖為使用渦耗散概念模型模擬的溫度場，從圖中可以看出，氣化爐內(nèi)存在明顯的火焰結(jié)構(gòu)。噴嘴出口附近存在一個(gè)高溫區(qū)，射流區(qū)溫度比回流區(qū)內(nèi)溫度高，高溫區(qū)延伸至回流區(qū)底部。從上到下，爐體整體溫度先升高后降低。右圖為有限速率/渦耗散模型模擬的溫度場，可以看出，整體溫度場看不出明顯的火焰結(jié)構(gòu)，下部高溫區(qū)向左偏移，出現(xiàn)不規(guī)則高溫區(qū)。

3.3 出口氣體對(duì)比

表1 中所示為兩種模型模擬的氣化爐內(nèi)主要?dú)怏w的體積分?jǐn)?shù)與文獻(xiàn)值[2]的對(duì)比。

表1 模擬值與文獻(xiàn)值的比較

從表中可以看出，渦耗散概念模型模擬的結(jié)果與文獻(xiàn)值相近，而有限速率/渦耗散模型模擬結(jié)果與文獻(xiàn)值相差較大，模擬效果不理想。

4 結(jié)語

從速度場、溫度場以及出口氣體成分的對(duì)比來看，渦耗散概念模型在氣流床氣化爐的模擬上較有限速率/渦耗散模型更為可靠。

[1]李鵬飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].人民郵電出版社，2011，138-140.

[2]張宗飛，湯連英，呂慶元，等.基于Aspen Plus的粉煤氣化模擬[J].化肥設(shè)計(jì)，2008，46(3)：14-18.