автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Численное моделирование двухфазных турбулентных реагирующих течений при сжигании пылеугольного топлива в топочных камерах вихревого типа

Введение

Глава 1. Математические модели турбулентных двухфазных течений

1.1. Описание турбулентного движения и теплообмена газовой фазы.

1.1.1. Дифференциальные модели переноса рейнольдсовых напряжений.

1.1.2. Алгебраические модели переноса рейнольдсовых напряжений

1.2. Описание турбулентного движения и теплообмена дисперсной фазы.

1.2.1. Модели турбулентного переноса импульса и тепла

1.2.2. Односкоростное диффузионно-инерционное описание

1.3. Моделирование влияния дисперсной фазы на турбулентность

Глава 2. Моделирование процессов сжигания твердого топлива

2.1. Описание процессов горения частиц твердого топлива

2.1.1. Характеристики твердого топлива и стадий его горения

2.1.2. Описание выхода и горения летучих.

2.1.3. Описание гетерогенного горения коксовых частиц

2.2. Модели переноса излучения в оптически серой среде

2.3. Образование оксидов азота.

2.4. Модель трехмерного турбулентного течения с горением пы~ леугольного топлива.

2.4.1. Учет переменности физических свойств газовой среды при горении.

2.4.2. Схема процессов межфазного реагирования.

2.4.3. Основные уравнения модели.

Глава 3. Численная методология

3.1. Аппроксимация транспортных уравнений

3.2. Алгоритмы расщепления по физическим процессам для дозвуковых пространственных течений.

3.2.1. Алгоритм полного расщепления между скоростью и давлением.

3.2.2. Модифицированный алгоритм ЭШРЬЕС

3.2.3. Реализация алгоритма 81МРЬЕС с учетом переменной плотности и химического реагирования

3.3. Метод неполной факторизации Н.И. Булеева.

3.3.1. Описание явного метода Булеева.

3.3.2. Вариационная оптимизация метода Булеева

Глава 4. Результаты численного моделирования топочных процессов в вихревой топке ЦКТИ

4.1. Вихревая топка ЦКТИ как экологически перспективная технология для ТЭС.

4.2. Аэродинамическая структура течения в вихревой топке

4.3. Тестирование численных результатов.

4.4. Результаты моделирования двухфазного изотермического течения.

4.5. Результаты моделирования процессов сжигания распыленного угля в вихревой топке.

4.6. Структура комплекса программ.

В последние десятилетия бурный рост производительности компьютеров и постоянное совершенствование численных алгоритмов обусловили расширение круга прикладных задач, доступных для исследования методами численного моделирования. Отмечается неуклонное увеличение доли вычислительного эксперимента в задачах механики сплошной среды, по сравнению с физическим экспериментом. При этом повышаются требования к подробности математических моделей, описывающих определенный класс прикладных задач, и точности численных методик для их реализации.

Актуальным кругом таких прикладных проблем является исследование газодинамических процессов в промышленных энергетических установках, в частности, топочных устройствах ТЭС на твердом топливе. Уголь, как основной вид натурального твердого топлива, составляет около 73 % общемировых запасов ископаемых топлив, и его потребление в энергетике в настоящее время увеличивается, особенно с конца 80-х гг. - так, в США доля угольного топлива при выработке энергии возросла за несколько лет с 38% до 55% [125]. В России, в соответствии с недавними решениями РАО ЕЭС, в ближайшем и прогнозируемом будущем также предполагается увеличение доли угольной энергетики взамен газовой. Однако, цели экологически чистого и эффективного использования угольного топлива выдвигают важную проблематику для научных исследований в этой области. Решение проблемы снижения вредных выбросов ТЭС требует разработки новых конструкций и оптимизации рабочих режимов топок, а в целом - разработки научных основ создания экологически чистых ТЭС на твердом топливе. При этом проведение физического моделирования реальных топочных процессов либо натурных испытаний на котлах характеризуется чрезвычайно высокой стоимостью. Учет современных теплотехнических и экологических требований при решении задач разработки перспективных и модернизации существующих конструкций топочных устройств и оптимизации их рабочих режимов требует в настоящее время привлечения методов численного моделирования для всестороннего исследования топочных процессов.

Вместе с тем создание комплексов (пакетов) компьютерных программ, достаточно точных и универсальных для проведения серийного вычислительного эксперимента по моделированию всей совокупности топочных процессов, по-прежнему остается актуальной задачей, в особенности для российской науки, где наблюдается заметное отставание от зарубежного уровня разработки и использования CFD-пакетов широкого назначения. В то же время за рубежом прилагаются значительные усилия в этом направлении - так, в обзоре [125] проведен сравнительный анализ исследований, проводимых в целом ряде зарубежных центров по изучению процессов сжигания угля, в которых суммарно на исследования выделяется 72 млн. долл. ежегодно, проводится более 600 проектов, охватывающих 1500 ученых, и издается порядка 1000 отчетов и печатных работ ежегодно. При этом основными направлениями исследований, как отмечено в [125], являются: изучение структуры топлива и механизмов реакций; моделирование процессов образования оксидов азота и других выбросов; моделирование процессов сжигания мусора и других отходов; разработка моделей турбулентности с учетом влияния турбулентных пульсаций на процессы теплопереноса и химического реагирования; разработка пакетов программ и проведение численного моделирования топочных процессов в полной постановке; обработка данных экспериментов и численного моделирования, создание баз данных.

Наиболее известными коммерческими пакетами, разрабатываемыми в результате таких исследований и применяемыми во многих энергетических компаниях, являются: FLUENT, CFX, STAR-CD, PHOENIX, и др. Однако их высокая стоимость делает зарубежные пакеты фактически недоступными для российских пользователей. В России к настоящему времени известны работы ряда групп (Красноярск, Томск, Москва

Тверь) по разработке программ численного моделирования процессов в топочных камерах энергетических котлов: см., например, [29, 14,19, 26]. Эти работы различаются своими подходами к математическому описанию процессов и реализации численных алгоритмов — например, в работах A.A. Дектерева, Л.П. Каменщикова и др. [29] (г. Красноярск) используется лагранжево описание дисперсной фазы (см. Главу 1), в работах A.M. Бубенчикова и A.B. Старченко [14] (г. Томск) в рамках эйлерова подхода для обеих фаз используется односкоростное описание без учета инерционных эффектов, и т.д. В целом необходимо дальнейшее совершенствование разрабатываемых отечественными группами методов и комплексов программ моделирования топочных процессов. В данной диссертационной работе сделана попытка некоторого развития методов численного моделирования пространственных течений при сжигании твердого топлива в топочных камерах ТЭС, на базе существующих и разработанных (главным образом в отечественной литературе и практике моделирования) подходов.

При изучении процессов сжигания твердого топлива в энергетических установках необходимо рассматривать сложную взаимосвязь процессов переноса за счет турбулентной аэродинамики, межфазного взаимодействия, химического реагирования и лучистого теплообмена. Таким образом, разработка подробных математических моделей трехмерных двухфазных турбулентных химически реагирующих течений является важной задачей. Следует отметить, что существующая литература не в полной мере отражает данную проблематику, а именно, практически отсутствуют работы, объединяющие рассмотрение вышеуказанных явлений в рамки единого подхода или единой модели. Например, в известных монографиях по динамике двухфазных течений [77, 64], горению двухфазных сред [89] практически не затрагиваются модели турбулентности, либо в них не рассматривается влияние дисперсной фазы на турбулентность [81]. С другой стороны, в работах, посвященных химически реагирующим турбулентным течениям [12, 32, 45, 55, 80], отмечается важность учета турбулентных пульсаций параметров потока на процессы переноса, в особенности на условия протекания и скорость химических реакций. Однако в этих работах не рассматривается присутствие второй (дисперсной) фазы. Последовательная разработка моделей турбулентных течений газовзвеси проведена в [87], но процессам горения внимание практически не уделяется.

Наиболее полное рассмотрение математических моделей топочных процессов представлено в относительно новой монографии [19], авторы которой особо подчеркивают, что "протекание физико-химических процессов, определяющих эффективность термической переработки то-плив, в существенной степени обусловлено турбулентной структурой формирующихся течений. В соответствии с этим ключевой проблемой как в теоретическом, так и в прикладном отношении является построение теории турбулентных дисперсных химически реагирующих потоков".

С точки зрения практики численного моделирования важно отметить, что при выборе уровня упрощающих допущений для замыкания модели турбулентности необходимо учитывать как вопросы адекватности модели реальным свойствам того или иного класса течений (например, анизотропному характеру циркуляционных течений в топочных устройствах), так и вопросы практической реализуемости модели в вычислительном эксперименте. Здесь же следует соотнести погрешность модельных допущений при описании, например, физико-химических превращений, с погрешностью упрощений в модели турбулентности. Поэтому в качестве оптимального для практических расчетов топочных процессов при сжигании пылеугольной газовзвеси можно на данном этапе считать уровень моделей, в которых в рамках "двухфазной" к — г модели турбулентности учитываются процессы протекания физико-химических брутто-реакций для газовых компонент и компонент тведого топлива, и лучистого теплообмена в приближении серой среды.

Одним из перспективных направлений повышения эффективности и экологической безопасности котельных агрегатов тепловых электростанций на угольном топливе является использование топочных устройств с вихревым сжиганием. Именно оптимальная организация аэродинамической структуры течения, характеризующейся для вихревых топок наличием устойчивых энергонапряжённых высокотурбулентных циркуляционных зон, которые играют решающую роль в интенсификации процессов переноса и реагирования, закладывает основу для эффективного процесса сжигания, отвечающего заданным техническим и экологическим требованиям. В качестве объекта исследования из такого типа устройств с вихревым сжиганием выбрана схема вихревой топки Н.В. Голованова, разработанная еще в 60-х гг. в НПО ЦКТИ (см. рис. 4.1, Глава 4). В настоящее время, с целью более широкого использования этой перспективной конструкции в практике отечественной теплоэнергетики, необходима детальная информация о процессах сжигания в вихревой топке, однако до сих пор ее подробное численное исследование не проводилось, за исключением одной ранней работы [33] по моделированию аэродинамики вихревой топки в изотермической постановке, что явно недостаточно на современном этапе.

Целями диссертационной работы, в соответствии с указанной проблематикой, являлись:

1. Разработка методики численного моделирования пространственных двухфазных турбулентных реагирующих течений при сжигании твердого топлива в топочных камерах ТЭС с использованием современных физико-математических моделей таких процессов и эффективных численных алгоритмов их реализации.

2. Создание на этой основе нового комплекса программ численного моделирования таких течений.

3. Проведение численного исследования основных топочных процессов при факельном сжигании распыленного угля в вихревой топке ЦКТИ, являющейся экологически перспективным топочным устройством с вихревой схемой сжигания.

Научная новизна работы характеризуется тем, что:

1. Разработана методика численного моделирования пространственных двухфазных турбулентных реагирующих течений с учетом процессов горения пылеугольного топлива в топочных камерах вихревого типа, включающая в себя совокупность соответствующих математических моделей, замыкающих и эмпирических соотношений и численных алгоритмов.

2. Для описания влияния дисперсной фазы на турбулентность, в рамках модифицированной к — е модели, предложен и реализован новый вид зависимости для коэффициента вовлечения частиц в пуль-сационное движение несущего газа, основанный на комбинации двух известных моделей, что позволяет физически более корректно учесть степень взаимодействия как малоинерционных, так и инерционных частиц с турбулентными пульсациями.

3. Для алгоритмов численного решения задач о дозвуковых пространственных течениях, основанных на расщеплении между компонентами скорости и давлением (SIMPLE-подобных), разработана модификация с постоянным шагом по времени известного алгоритма SIMPLEC, с учетом эффектов переменной плотности и химического реагирования, которая обеспечивает надежную сходимость итераций метода и не требует, в отличие от алгоритмов SIMPLE и SIMPLEC, введения параметров нижней релаксации.

4. Для численного решения разностных уравнений эллиптического типа используется сочетание метода сопряженных минимальных невязок (по A.A. Самарскому) с предобусдавливающим явным методом неполной факторизации Н.И. Булеева, что обеспечило высокую эффективность решения уравнения Пуассона для поправок к давлению и уравнения переноса плотности радиационной энергии, по сравнению с применением других методов, и позволило заметно сократить время счета в целом.

5. С использованием разработанного комплекса программ проведено численное исследование основных топочных процессов при факельном сжигании распыленного угля в вихревой топке ЦКТИ. В расчетах впервые для вихревой топки ЦКТИ получена детальная информация о структуре пространственного течения в топке, выявлено влияние числа Стокса дисперсной фазы на аэродинамику, турбулентные характеристики и эффективность сжигания, получены распределения основных тепловых полей и полей концентраций, в т.ч. распределения температур и тепловых потоков, коэффициентов тепловой эффективности экранов, степени конверсии угля, концентрации оксидов азота.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Создан комплекс программ численного моделирования трехмерных турбулентных одно- и двухфазных дозвуковых течений с учетом процессов горения пылеугольного топлива и радиационного теплообмена. Он может быть использован для численного исследования топочных процессов при факельном сжигании угля в вихревой топке ЦКТИ или топологически ей эквивалентной, результаты которого позволят проводить разработку научно-технических рекомендаций по оптимизации режимов работы и конструктивных параметров топки с целями повышения теплотехнических и экологических характеристик топки, повышения эффективности управления котельным агрегатом ТЭС в целом, и с целями проведения малозатратной реконструкции исследуемого топочного устройства.

2. Проведены параметрические расчеты ряда вариантов геометрии вихревой топки ЦКТИ с варьированием величины относительной ширины Нх горловины диффузора, выявлены преимущества варианта с Нх= 40%, с точки зрения аэродинамики и процессов дожигания кокса в камере охлаждения, и выданы соответствующие практические рекомендации заказчику.

3. Разработанный комплекс программ может также служить основой для его дальнейшего развития с целями доведения до уровня программного продукта в составе САПР для конечного пользо- V вателя в организациях, проектирующих и/или эксплуатирующих котельное оборудование ТЭС.

Достоверность полученных результатов обосновывается тем, что при разработке методики численного моделирования, включающей в себя совокупность математических моделей, замыкающих соотношений и численных алгоритмов, автором используются (как базовые) известные из литературы и хорошо зарекомендовавшие себя в практике численного решения такого класса задач физико-математические модели и численные методы, а также сопоставлением результатов расчетов с экспериментальными данными для аэродинамической модели исследуемой вихревой топки и с данными измерений на опытно-промышленном котле с вихревой топкой.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийских и Международных конференциях:

- II Всеросс. Конф. "Математические проблемы экологии" (Новосибирск, 21-23.06.1994)

- XIV Междунар. Школа-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 26-28.09.1994)

- Междунар. Конф. "Advanced Mathematics: Computations and Applications - AMCA-95" (Новосибирск, 20-24.06.1995)

- Междунар. Семинаре "Новые технологии и техника в теплоэнергетике" (Новосибирск-Гусиноозерск, 07.1995)

- Всеросс. научно-техн. Конф. "Использование методов математического моделирования в котельной технике" (Красноярск, 09.1996)

- 4-th Europ. Conf. on Industrial Furnaces and Boilers - INFUB-97 (Espinho-Porto, Portugal, 1-4.04.1997)

- V Междунар. Конф. молодых ученых "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 2730.04.1998)

- XVI Междунар. Школа-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 13-18.09.1998)

- Int. Conf. "Closure Strategies for Modelling Turbulent and Transitional Flows" (Isaac Newton Institute, Cambridge, UK, 6-17.04.1999)

- Междунар. Симпозиуме "Actual Problems of Physical Hydroaero-dynamics" (Новосибирск, 19-22.04.1999), а также на семинарах в Новосибирском Государственном Техническом Университете, в Институте Проточных Машин ПАН (г.Гданьск, Польша), в Институте Теплофизики СО РАН, в Институте Теоретической и Прикладной Механики СО РАН и в Институте Математики СО РАН.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах [46-53, 102-106, 122]. При этом в совместных работах диссертанту принадлежит полностью создание всего комплекса программ на различных этапах его разработки, проведение расчетов, получение и обработка результатов численного исследования вихревой топки ЦКТИ, а также участие в анализе и разработке используемых физико-математических моделей и основное участие в разработке применяемых модификаций численных алгоритмов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований, приложения. Содержание работы изложено на 145 страницах печатного текста, включая 47 рисунков и одну таблицу.

Заключение

Одной из важных прикладных задач, в настоящее время доступных для исследования методами численного моделирования и имеющих четко выраженную экологическую направленность, является исследование газодинамических процессов при сжигании твердого топлива в энергетических установках, в частности, топочных устройствах ТЭС. Данная диссертационная работа направлена на разработку современного программного обеспечения для моделирования процессов сжигания распыленного угля в топочных устройствах ТЭС и связана с проблемой создания экологически чистых тепловых электростанций на твёрдом топливе. Основные результаты ее выполнения следующие:

1. Разработана методика численного моделирования совокупности газодинамических и тепловых процессов при факельном сжигании распыленного угля в топочных камерах ТЭС, включающая в себя:

1.1. математическую модель пространственных турбулентных реагирующих течений газовзвеси с учетом процессов горения пыле-угольного топлива, основанную на эйлеровом двухскоростном и двухтемпературном описании для осредненных уравнений сохранения массы, количества движения, энтальпии и концентраций компонентов для обеих фаз, для замыкания которой используются: уравнение переноса энергии излучения в рамках диффузионного метода; уравнения к — £ модели турбулентности с использованием модифицированного вида зависимости для членов влияния дисперсной фазы на турбулентность, что позволяет физически более корректно учесть степень взаимодействия как малоинерционных, так и инерционных частиц с турбулентными пульсациями; выражения для описания скоростей гетерогенных и газофазных реакций, а также для коэффициентов межфазного взаимодействия, турбулентного и диффузионного переноса и других параметров, а также модель образования оксидов азота на основе схемы Митчелла-Тэрбелла, реализуемую на этапе пост-процессора;

1.2. методологию численного решения на основе: новой модификации с постоянным шагом по времени известного алгоритма SIMPLEC, с учетом эффектов переменной плотности и химического реагирования, которая обеспечивает надежную сходимость итераций метода и не требует, в отличие от алгоритмов SIMPLE и SIMPLEC, введения параметров нижней релаксации; высокоэффективного сочетания метода сопряженных минимальных невязок с предобуславливающим явным методом неполной факторизации Булеева, что обеспечило высокую скорость сходимости итераций при решении разностных уравнений эллиптического типа, и позволило заметно сократить время счета в целом.

2. На этой основе создан новый комплекс программ численного моделирования пространственных двухфазных турбулентных реагирующих течений при факельном сжигании распыленного угля в топочных камерах ТЭС. С его использованием проведено всестороннее численное исследование топочных процессов в вихревой топке ЦКТИ, при этом сравнение с данными опытно-промышленных испытаний на натурной топке подтвердило достоверность результатов моделирования.

3. В расчетах впервые для вихревой топки ЦКТИ получена детальная информация о структуре пространственного течения в топке, выявлено влияние числа Стокса дисперсной фазы на аэродинамику, турбулентные характеристики и эффективность сжигания, получены распределения тепловых полей и полей концентраций, включая основные теплотехнические и экологические характеристики: распределения температур и тепловых потоков, коэффициентов тепловой эффективности экранов, степени конверсии угля, концентрации оксидов азота.

4. Проведены параметрические расчеты ряда вариантов геометрии вихревой топки ЦКТИ с варьированием величины относительной ширины Нх горловины диффузора, выявлены преимущества варианта с Нх=40 %, с точки зрения аэродинамики и процессов дожигания кокса в камере охлаждения, и выданы соответствующие практические рекомендации заказчику.

5. Созданный комплекс программ может быть использован для разработки научно-технических рекомендаций по оптимизации режимов работы и конструктивных параметров топочных устройств, в том числе при проведении малозатратной реконструкции, с целями повышения их теплотехнических и экологических характеристик и повышения эффективности управления котельным агрегатом ТЭС в целом. Также созданный комплекс программ и результаты расчетов с его использованием могут найти применение в практике работы организаций, проектирующих (эксплуатирующих) котельное оборудование ТЭС.

1. Агроскин A.A. Теплофизика твердого топлива - M.: 1980. - 256 с.

2. Алексеенко C.B., Борисов В.И., Горячев В.Д., Козелев М.В. Трёхмерное численное и экспериментальное моделирование аэродинамики топочных камер современных котлоагрегатов в изотермических условиях // Теплофизика и аэромеханика 1994, т. 1, №4, с. 347-354.

3. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник в 5-ти тт. т. 1: Методы расчета — М.: 1971.

4. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен: В 2-х тт. М.:Мир, 1990.

5. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела М., 1986. - 209 с.

6. Безгрешнов А.Н., Липов Ю.М., Шлейфер Б.М. Расчет паровых котлов М.: Энергоатомиздат, 1991. - 240 с.

7. Белов И.А. Модели турбулентности JL, 1986.

8. Белов И.А., Кудрявцев H.A. Теплоотдача и сопротивление пакетов труб Л., 1987. - 233с.

9. Бенодекар Р.В., Годдард А.Дж.Г., Госман А.Д. Численный расчёт турбулентного обтекания выступов на плоскости // Аэрокосмическая техника 1986, №2, с. 125-134.

10. Билджер Р.В. Турбулентные течения предварительно непереме-шанных реагентов //В кн. "Турбулентные течения реагирующих газов", под ред. П.А.Либби, Ф.А. Вильямса М.:Мир, 1983. - 328 с.

11. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжиков Л.Н. Теплообмен излучением. Справочник. М., 1991. - 432 с.12