автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Разработка и применение методов расчета аэродинамики и сложного теплообмена в топочных камерах

«в

л Ц «в»

На правах рукописи

ДЕКТЕРЕВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА АЭРОДИНАМИКИ И СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА В ТОПОЧНЫХ КАМЕРАХ

05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 1997 г.

Работа выполнена в АО «Сибирский теплотехнический научно-исследовательский институт ВТИ» и Красноярской государственной академии цветных металлов и золота.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Ю.А. Журавлев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

А.Д. Рычков,

кандидат технических наук, с.н.с.

Н.А. Дворников

Ведущее предприятие - Институт высоких температур РАН, Москва

Защита диссертации состоится «19» ноября 1997 года в «900» часов на заседании диссертационного совета К 002.65.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теплофизики СО РАН (630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан « /У > 1

года.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В.Н. Ярыгин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возросшие экологические требования и высокие цены на топливо обуславливают необходимость совершенствования энергетического оборудования. Существующие нормативные методики расчета топочных камер, основанные на большом, часто противоречивом, эмпирическом материале, позволяют оценить только интегральные характеристики теплообмена. При этом достоверность результатов нормативных расчетов для нетрадиционных способов сжигания и вновь проектируемых топок со схемами подавления вредных выбросов существенно снижается. Методическая погрешность при проектировании может быть сокращена только с помощью математического моделирования с использованием современных результатов лабораторных, стендовых и промышленных исследований аэродинамики и теплообмена в топочных устройствах.

В настоящее время развитие моделей описания турбулентного движения многокомпонентной неизотермической газовой среды при наличии полидисперсной пыли, радиационного переноса, химического реагирования газов, процессов сушки, пиролиза угольной пыли и гетерогенного горения кокса достигло того уровня, когда стало возможным построение математических моделей процессов в топках, с достаточной для инженерной практики точностью воспроизводящих работу реального оборудования. Развитие вычислительной техники позволяет реализовать эти модели в виде программных комплексов для доступных ЭВМ. В связи с этим математическое моделирование топочных устройств становится одним из важнейших способов получения наиболее представительной информации об аэродинамике, локальном и суммарном теплообмене.

Работа проводилась в соответствии с государственной научно-технической программой «Экологически чистая энергетика».

Цель работы. Разработка методов расчета аэродинамики и сложного теплообмена в топочных камерах; создание комплекса программ, реализующих эти методы; анализ и оптимизация режимов работы топочных устройств.

Для достижения указанной цели были сформулированы следующие основные задачи исследования:

• разработать эффективные математические модели для расчета аэродинамики в топочных камерах с произвольной геометрией и организацией топочного процесса;

• разработать методику совместного расчета сложного теплообмена и аэродинамики в топочных камерах, основанную на комбинации дифференциального и зонального подходов;

• создать упрощенную модель процессов в топочных камерах;

• провести расчетные исследования аэродинамики для топочных камер с различной организацией топочного процесса;

• провести расчетные исследования теплообмена в пылеугольных топочных камерах;

• создать расчетные программы по моделированию аэродинамики и теплообмена в камерах сгорания.

Научная новизна.

• Разработана математическая модель пространственной аэродинамики внутренних несжимаемых течений, основанная на эффективных и устойчивых методах расче-

та с использованием схем повышенного порядка точности и реализованная в криволинейной неортогональной системе координат.

• Усовершенствована зональная модель радиационного теплообмена для объектов с геометрией сложной формы, основанная на методе Монте-Карло. Для больших многозонных задач предложен итерационный метод решения систем балансовых уравнений.

• Разработана комплексная математическая модель сложного теплообмена и аэродинамики в топочных камерах пылеугольных котлов.

• Разработана упрощенная математическая модель процессов в топочных камерах, основанная на сочетании простой модели турбулентной аэродинамики, эмпирической модели выгорания пылеугольного топлива, грубой зональной сетки при решении радиационного теплообмена и представлении геометрии топок прямоугольными ячейками.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

• Созданы программные комплексы «МАТОК» и «AeroChem» для расчета процессов аэродинамики и теплообмена в камерах сгорания.

• На основе разработанных методов проведены расчетные исследования топочных камер с различными аэродинамическими схемами.

Предложена и запатентована новая четырехвихревая, аэродинамическая схема топочного процесса, внедренная на котле БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС. Изучено влияние способа ввода аэросмеси на аэродинамику экологически чистых котлов с тангенциальными топками. Выбрана аэродинамическая схема для вновь проектируемых водогрейных котлов КВТК-100, изучено движение газов в поворотном гаЗоходе и сделан вывод о необходимости учета влияния конвективных поверхностей нагрева на аэродинамику потока. Оптимизирована аэродинамическая схема ввода сорбента с целью снижения выбросов оксидов серы для топки котла ПК-38 с фронтальным расположением горелок. Выполнено исследование теплообмена в водогрейном котле с вихревыми горелками, выявлен характер движения топочных газов и уровень тепловых потоков, приводящих к низкой надежности топочных экранов. Исследованы характеристики теплообмена в топке котла БКЗ-420 при переводе его с экибастузского угля на кузнецкий.

Достоверность результатов исследований, выполненных с помощью пространственной математической модели аэродинамики и теплообмена в топочных камерах, подтверждается сходимостью результатов моделирования по значению скорости, температур и радиационных потоков, определенных путем экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на: II Всесоюзной конференции «Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1990г.); IV Всесоюзной конференции молодых исследователей (Новосибирск, 1991г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы использования канско-ачинских углей в энергетике» (Красноярск, 1991г.); II Всероссийском семинаре по динамике пространственных и неравновесных течений жидкости и газа (Миасс, 1993г.); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994г.); 14-ой Школе-семинаре по численным методам механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1994г.); Международной конференции АМСА-95, (Новосибирск, 1995г.); III Минском международном форуме «Тепломассообмен-ММФ-96» (Минск, 1996г.); Международной конференции «Математические модели и численные методы

механики сплошных сред» (Новосибирск, 1996 г.); VI. Proc. of the Int. Conf. held in Tallahassee, USA, 1996г.; научно-технической конференции «Использование методов математического моделирования в котельной технике» (Красноярск, 1996г.).

Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 32 работы, получен патент на изобретение.

Объем работы. Диссертация изложена на _ страницах машинописного

текста; состоит из введения, пяти глав и заключения; проиллюстрирована 65 рисунками, содержит 2 таблицы и список литературы из 124 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность проф., д.т.н. М.Я. Процайло за организацию и поддержку исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрено состояние проблемы и сформулированы задачи исследования.

Существующие нормативные методики расчета топочных камер не отвечают современным требованиям к проектированию топочного оборудования. Методики, разработанные ЦКТИ и ВТИ, используемые в России и являющиеся основой инженерного теплового расчета, позволяют определять только интегральные характеристики теплообмена. Позонные (одномерные) расчеты теплообмена не дают возможности четко определить зоны и уровень максимальных тепловых нагрузок, а так же выяснить аэродинамические причины смещения факела.

В последние годы для моделирования теплообмена в топках широкое распространение получили трехмерные зональные расчеты. Зональные модели, разработанные Э.С. Карасиной (ВТИ) и Ю.А. Журавлевым (Красноярский институт цветных металлов), позволяют с учетом рассеяния и селективности излучения моделировать радиационный перенос тепла в топках. Основным недостатком трехмерных зональных методов расчета теплообмена является зависимость результатов от корректности задания поля течения и выгорания топлива в топке.

Наиболее полную информацию о работе топочных устройств может дать математическая модель, комплексно описывающая процессы аэродинамики, теплообмена и горения в реальных устройствах. Математические модели, разработанные в ЭНИНе и Томском университете, позволяют проводить комплексное моделирование процессов лишь для геометрически простых топок, что обусловлено использованием прямоугольных расчетных сеток. Зарубежные математические модели в основном реализуются на суперкомпьютерах, что делает невозможным их применение на доступных в России ЭВМ.

Вторая глава диссертации посвящена разработке математической модели и эффективного метода расчета пространственной аэродинамики в топочных камерах. Течение газов в топках является пространственным и турбулентным. Характер его обусловлен способами подвода топлива, воздуха и газов рециркуляции, внутренней конструкцией, особенностями размещения теплообменных поверхностей. В общем виде для математического описания аэродинамики топочных камер можно использо-

вать систему дифференциальных уравнений сплошной среды. Для турбулентного режима применяется система уравнений Рейнольдса. В рассматриваемой задаче течение газа считается установившимся, поэтому все уравнения записываются в стационарной постановке. Искомыми зависимыми переменными являются три компоненты скорости и,у и являющиеся проекциями вектора скорости на оси координат х, у, т. соответственно, давление р, энтальпия смеси Ь, массовые доли газовых компонент Ут. При использовании к-е модели турбулентности добавляются переменные к -кинетическая энергия турбулентных пульсаций и скорость её диссипации е.

Уравнения переноса записываются в виде уравнения для обобщенной переменной Ф:

Задавая надлежащим образом Ф, Гф и источник 5ф (табл.1), можно получить дифференциальное уравнение для любой из упомянутых выше переменных. Запись уравнений в обобщенном виде удобна в том отношении, что какой-либо разработанный метод решения для уравнения может быть применен для многих уравнений подобной структуры, но различного физического наполнения.

Таблица 1

ф г* §4

1 0 0

и Це£Г ар в ( да V а ( ал а ( ал 2 эк дх ЗхЧ дх) дуч '"'дх/ Эгч еа дх) З^Зх

v йесг ар+эГ д ( + 5 Г ^ 2 дк ду дх \ е(Г ду) 5у V е<Г ду) дz V ' ду) 3 ду

иегг ар а Г д*л а ( дыЛ д( а«л 2 ак " &+ & К )+* &)+& ) ~ 1р & ■"1«

И 0

V, ЦеЯ/Оу 0

к Мей/Ск в-ре

е С. — в — С,р--(- С, — 1 к 2 к 3 рк

8П1 дЦ; ЭХ: ЙХ

.1/

&1:

—- - член генерации к за счет турбулентности.

8Х;

Турбулентная вязкость выражается через локальные характеристики турбулентности кие:

йе(г = М + С,р—•

(2)

В работе использовалась как стандартная к-е модель турбулентности, так и модифицированная модель, позволяющая точнее рассчитывать отрывные и закрученные течения. Параметры модели турбулентности являются константами.

Для стандартной к-Е модели: Сц=0,09; сгк=1,0; сте=1,3; С|=1,43; С2=1,92; С3=0,. Для модифицированной к-е модели Чена-Кима: Сц=0,09; ак=0,8; стЕ=1,15; С 1=1,15; С2=1,9; С3=0,25.

Граничные условия:

Входная граница. Задаются значения компоненты скорости и, v, Энтальпия вычисляется по заданным температуре входа и составу газов или жидкости. Кинетическая энергия турбулентности к и скорость диссипации турбулентности е на входе оцениваются по соотношениям вида:

Выходная граница. На выходной границе при решении уравнений для и, V, \у, к, е, Ь ставятся условия отсутствия градиентов («мягкие условия»):

5и_Эу_<Э\у_ЭЬЗк_ЗБ_д ^

дп да дп дп дп дп

где п - вектор внешней нормали к расчетной области.

Условия на стенках. В к-е модели турбулентности для определения использовался известный метод пристеночных функций.

Современные топки обладают сложной конструкцией. В связи с этим в работе используется запись уравнений переноса в обобщенных криволинейных координатах, согласованных с границами расчетной области (ВРС). Для уравнения (1) переход к криволинейным координатам (Iг|, дает:

¿(иф) + ¿(уф) + \уф) -

ЗЕ, 5г| дС, 55,

ап

зф

5Ф

дФ

дФ

дФ дц

дФ

д_ ' К

дФ

8Ф_

ап'

аФ ;5С

(5)

}

где I - якобиан преобразования, Ф - обобщенная переменная, и, V, \У - контра-вариантные составляющие скорости, я у - функции метрических коэффициентов.

Исходные дифференциальные уравнения переноса последовательно интегрируются по объему контрольных ячеек. При этом аппроксимация конвективных членов выполняется по устойчивой противопоточной схеме третьего порядка точности. Диффузионные и источниковые члены аппроксимируются на основе центрально-разностной схемы. Система разностных уравнений переноса решается с помощью итерационных методов, таких как полинейный метод с нижней релаксацией или метод неполной факторизации Булеева. Так как основные уравнения связаны друг с другом и нелинейны, то для получения решения системы уравнений требуется использование глобальных итераций.

В данной работе используется нетрадиционная частично совмещенная сетка. Компоненты скорости, и, v, а также к, ё и Ь рассчитываются и хранятся в узлах сетки, а давление р располагается в углах контрольного объема для и, V, \у. Такие расчетные сетки, обладая вычислительной эффективностью совмещенных сеток, по-

зволяют получать устойчивые алгоритмы взаимосвязи полей скорости и давления. Уравнение для поправки давления выводится из дискретных аналогов уравнений количества движения и неразрывности. В процессе счета поля скорости и давления корректируются согласно БШРЬЕ-С алгоритма. Расчет уравнения Пуассона для поправки давления основан на предложенной модификации метода сопряженных градиентов, предобусловленного по Булееву, и ускоряющей процедуре блочной коррекции, что позволяет по сравнению с традиционно используемыми методами сократить время счета в 3-12 раз.

Для объектов со сложной пространственной геометрией разработан квазиблочный метод расщепления расчетной области. Его использование позволяет, в отличие от чистого ВРС подхода, проводить расчеты в областях со сложной топологической структурой.

Эффективность и точность разработанной численной модели продемонстрированы на решении следующих тестовых задач: 1) двухмерное ламинарное течение в квадратной каверне (рис.1); 2) двухмерное ламинарное течение за уступом; 3) трехмерное ламинарное течение в канале квадратного сечения, изогнутого на 90 градусов (рис.2); 4) двухмерное турбулентное течение за уступом (рис.3); 5) трехмерное турбулентное течение в вихревой камере.

Рис. 1. Течение в каверне: * - эксперимент;--расчет.

Для проведения оперативных оценочных расчетов предложена упрощенная модель, основанная на приближенном моделировании геометрии с использованием прямоугольных сеток, метода блокировки областей и простой модели турбулентности с постоянным значением эффективной вязкости. Опыты расчетов показали, что для топочных камер следует принимать величину эффективной вязкости такой, при которой характерное число Рейнольдса составляет 600-800. Для этой модели турбулентности на стенках задается условие скольжения. Из-за сокращения числа рассчитываемых уравнений и упрощения их вида достигается существенное ускорение расчета (в 5-10 раз). Обоснованность применения данной модели для описания крупномасштабной структуры течения в топочных камерах продемонстрировано на решении задач: моделирование течения в фонтанно-вихревой топке с пережимами и без них (рис.4); течение в модели тангенциальной топки с угловым расположением горелочных устройств.

Рис.2. Течение в канале квадратного сечения, изогнутого на 90 градусов: * - эксперимент;--расчет.

к/и1

Рис.3. Турбулентное течение за уступом: * - эксперимент; расчет--модиф. к-с;---стандартная к-Е.

Рис.4. Профили аксиальной скорости в модели фонтанно-вихревой топки: а) без пережима; б) с пережимом; — расчет; — эксперимент.

Третья глава посвящена проведению расчетных исследований изотермической аэродинамики в топочных камерах различной конструкции. Моделирование показало, что при организации системы трехступенчатого сжигания в тангенциальной топке с угловым расположением горелок улучшается заполнение топочного объема, течение становится более устойчивым при работе котла на трех пылесистемах. При моделировании топочной камеры и поворотного газохода для котла КВТК-100 изучено изменение профиля скорости на входе в конвективные пакеты. Сравнение результатов моделирования и данных натурного эксперимента (рис.5,6) показало, что неучет в модели сопротивления пакета труб, расположенного в конвективном газоходе, приводит к существенному изменению профиля скорости (рис.7).

Изучены варианты водогрейного котла с традиционной компоновкой, с аэродинамическими выступами (пережимами), с сомкнутой компоновкой. Даны рекомендации по компоновочной схеме вновь проектируемых водогрейных котлов. В табл. 2 представлены коэффициенты неравномерности в сечении перед конвективными пакетами для разных конструкций топок водогрейного котла.

Рис.5. Картины течения в топке водогрейного Рис.6. Профили скорости в поворотно котла: а) сечение по центру топки; б) сечение камере: а) эксперимент; б) расчет, на уровне горелок; в) сечение над горелками.

Таблица 2

Вариант

Существующая топка 1,52

Топка с пережимом 0,25 1,39

Топка с пережимом 0,5 1,47

Сомкнутая компоновка 1,34

175 ^

и/и

1.50 :

1.25 ^

1.00 :

0.75

0.50

0.25

0.00

IЛлпах

0.1 0.2 0.3 0.4 0.3 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Рис.7. Профили скорости перед конвективным газоходом: — с учетом сопротивления труб; — без учета; * - эксперимент.

Для тангенциальных топок с настенным расположением горелок исследовано влияние диаметра условной окружности и схемы отключения горелочных блоков на структуру течения. Даны рекомендации по выбору диаметра условной окружности для вновь проектируемых топок и показаны схемы отключения горелок, нежелательные в эксплуатации (рис.8).

Оптимизирована схема ввода сорбента, содержащего СаО, для снижения окислов серы для топки котла ПК-38 с фронтальным расположением горелок.

[] работающая горелка

| отключенная госелка

Рис.8. Картины течения в тангенциальной топке с настенным расположением горелок.

В четвертой главе описывается комбинированная модель для расчета аэродинамики и сложного теплообмена в топочных камерах. В отличие от существующих моделей она основана на совместном использовании дифференциального и зонального методов, реализованных на криволинейной неортогональной сетке. Такой подход позволяет комплексно моделировать процессы для любых топок, используя при этом достоинства зонального метода для расчета сложного теплообмена. Применяемый зональный метод основан на решении системы уравнений теплового баланса для объемных и поверхностных зон относительно неизвестных среднезональных температур. Система уравнений теплового баланса имеет вид:

пн-п т+п

X авТ?+Е8уТ,+<1,=0. (6)

¡=1 1=1

где т - число объемных зон, п-число поверхностных зон; щ - коэффициент радиационного обмена между зонами;

. коэффициент конвективного обмена между зонами; с1[- свободный член уравнения, учитывающий источник тепла в зоне: для объемных зон - за счет горения, за счет прихода газов и топлива извне, а для поверхностных зон - за счет теплопередачи.

Расчет коэффициентов радиационного обмена основан на методе Монте-Карло, реализованном на криволинейной зональной сетке, которая строится укрупнением гидродинамической сетки, и её узлы являются подмножеством гидродинамических узлов. Коэффициенты конвективного обмена находятся на этапе расчета аэродинамики.

Для решения полученной системы алгебраических зональных уравнений используется итерационный метод Гаусса-Зейделя с релаксацией, который позволяет проводить расчеты для моделей с числом зон свыше 2000. Вычислительные преимущества по сравнению с прямыми методами наблюдаются уже при числе зон более 200.

Описание дисперсной фазы (потока угольной пыли) основано на Лагранжевом представлении, в основе которого лежит описание движения и реагирования отдельных частиц. При моделировании движения частиц считается, что основными силами, действующими на частицу, являются сила сопротивления и сила тяжести.

«№,„ р

-^=с«лр|иг<и1-иф)-ррй, (?

24 .. •ДёГ.. л/к^

= и, = (¿(11,-и ,р)У2;

И ¡»I

с1р - диаметр частицы; рр - плотность частицы; ц - молекулярная вязкость.

Турбулентные пульсации газа оказывают существенное влияние на движение частиц и, как следствие, на интенсивность их горения. В предложенной модели принят стохастический подход для описания смещения частиц в турбулентном потоке. Изменение положения частицы в потоке определяется смещением за счет влияния конвективной и пульсационной скоростей:

Хр = Х°+Д1-(П +|и;|-со5а);

У = + Д1-(V +|и'I - эта - этР); (8)

р р

где |и;|=(2/Зк)1/2С,; С, = 0,25; сс = 360-у,; Р=360-у2;

уь у2 - случайные числа в интервале [0,1); Д1 - время существования турбулентного моля. Для описания выгорания угольных частиц используется двухстадийная модель. Сначала выходят летучие, скорость выхода которых определяется по модели Бабия-Куваева, а потом происходит гетерогенное горение коксового остатка. Горение кокса лимитируется как процессами диффузии, так и конечной скоростью химического реагирования. | дУс^ _ _ ' ^ . д . р (9)

Ь) Крк+Кс„ "с Диффузионная и кинетическая скорости горения определяются из выражений:

где Ас - реакционная поверхность частицы;

Рог - парциальное давление кислорода;

О0=3,49-Ю"4 м2/с, То=1600 К.

В модели принято допущение о тепловом равновесии между газом и частицами. В процессе расчета частиц по траекториям происходит формирование источни-ковых членов, описывающих обмен между дисперсной и газовой фазами: 8ШР - источник массы, 8щР - источники в уравнения импульса, Б/ - источник энергии за счет горения кокса, 5у|Р - источники в уравнения концентрации.

Горение летучих описывается глобальной реакцией.

Предложенный алгоритм совместного расчета процессов аэродинамики и теплообмена в топках заключается в следующем:

1. Расчет структуры течения газов в топочной камере.

2. Расчет переноса газовых компонент.

3. Расчет уравнения энергии.

4. Расчет движения и выгорания пылеугольного топлива.

5. Повторение этапов 1 - 4 до достижения заданного уровня точности по всем переменным.

6. Перенос информации о потоках, источниках тепла на зональную сетку.

7. Расчет радиационных коэффициентов методом Монте-Карло.

8. Расчет зональных температур объема и поверхностей.

9. Расчет радиационных потоков.

10. Перенос информации о радиационных источниках во внутренние узлы гидродинамической сетки и значений температур на граничные узлы. 11.Этапы 1-10 повторяются до достижения заданной локальной погрешности зональной температуры между глобальными итерациями.

Расчет процессов в топках по полной модели требует значительных вычисли--ельных ресурсов, поэтому для массовых расчетов предложена упрощенная модель.

Она основана на использовании простой модели аэродинамики, рассмотренной во второй главе, эмпирической модели горения, построенной по экспериментальным данным о выгорании конкретных углей в факеле вихревых и прямоточных горелок и использовании зональной модели «КВАНТ», разработанной ранее Ю.А. Журавлевым. Упрощенная модель предназначена для расчета геометрически простых топок, обладает более грубым пространственным разрешением и не позволяет рассчитывать поля концентраций газовых компонент.

На основе предложенных моделей были созданы программные комплексы «МАТОК» и «АегоСЬет», реализованные соответственно для работы с декартовыми (упрощенная модель) и криволинейными сетками.

Пятая глава посвящена расчетному исследованию процессов теплообмена в топках, сжигающих пылеугольное топливо. Для водогрейного котла КВ-ТК-100-5 ТЭС СаАЗа с вихревыми горелками в начальный период эксплуатации проявилась крайне низкая надежность заднего и фронтального топочных экранов. Для уточнения распределения тепловых потоков по экранам топки была разработана математическая модель этого котла. Расчетом получено, что горелочные струи, взаимодействуя между собой, разворачиваются в сторону фронтового и заднего экранов (рис.9), что приводит к повышенной тепловой нагрузке (набросу факела) в центральной части фронтового и заднего экранов над верхним ярусом горелок (рис.10). Максимальные температуры в ядре горения достигают 1660°С и несколько смещены к левому боковому экрану. Вблизи фронтового и заднего экранов расположены высокотемпературные зоны. Максимальные падающие радиационные потоки составляют 404 кВт/м. Для рассматриваемого режима работы топки средняя температура газового потока перед фестоном составила 1078°С.

Следует отметить, что по уровню максимальных падающих радиационных потоков и коэффициенту неравномерности тепловосприятия по ширине экранов данные измерений удовлетворительно согласуются с результатами математического моделирования.

фронт

11Г /»жттк^^' ,

I ^«^л«///////}' > .....................

¡/„„„......нт!

а)

1 08

1 БЗ

2 27

г 86

3 45

4 04

Рис.9. Картины течения: а) вертикальное сечение по центру топки;

б) сечение по нижней горелке;

в) сечение по верхним горелкам;

г) сечение выше горелок.

Рис.10. Распределение удельных падающих радиационных потоков (кВт/м2); • данные эксперимента.

Для перевода котла БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС с жидкого на твердое шла-коудаление была предложена новая, четырехвихревая, аэродинамическая схема организации топочного процесса (в настоящее время котел запущен в опытную эксплуатацию). Для этой схемы характерно, что струи, выходящие из горелок, расположенных на боковых стенах, на расстоянии трех калибров горелки сливаются и распространяются единым потоком до центра топки. Затем поток разворачивается и, взаимодействуя со струями, выходящими из горелок половинной мощности ( или воздушных сопел ), направляется параллельно фронтальной и тыльной стенам. В углах поток поворачивает и поступает к основанию боковых горелок, тем самым образуя четыре замкнутых вихря. Эта схема характеризуется интенсивным омыванием топочных экранов (максимум тангенциальной скорости находится вблизи стен), что способствует улучшению конвективного теплообмена. При этом отсутствует прямой наброс факела на стены, что снижает опасность шлакования поверхностей. Установка сопел третичного дутья является необходимым условием образования четырехвих-ревой структуры и одновременно позволяет организовать ступенчатость сжигания топлива. Результаты моделирования показали, что предлагаемая схема по температурным условиям соответствует требованиям низкотемпературного сжигания при твердом шлакоудалении.

В связи с резким сокращением поставок экибастузского угля возникла необходимость его замещения углями российских месторождений. В условиях ограниченных возможностей по экспериментальному изучению локального теплообмена было выполнено моделирование котла БКЗ-420 при переводе его с экибастузского угля на кузнецкий. В результате моделирования сжигания экибастузского угля было получено, что максимальные температуры в ядре горения достигают 1910°С, средняя температура на выходе из топки составляет 1264°С. Максимальные падающие потоки достигают 590 кВт/м. Коэффициент эффективности работы топки составил 0,352. Для кузнецкого угля максимальные температуры в ядре горения достигают 1970°С. На выходе наблюдается более сильная неравномерность температурного поля по сравнению с экибастузским углем. Средняя выходная температура равна 1283°С. Коэффициент эффективности топки при сжигании кузнецкого угля составляет 0,36. Исследования подтвердили принципиальную возможность замены экибастузского угля на кузнецкий.

Хорошее совпадение результатов расчета и данных натурных измерений характеристик теплообмена для различных топочных камер доказывает применимость и полезность разработанных математических моделей и программных комплексов.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Разработана эффективная математическая модель пространственной аэродинамики внутренних течений, основанная на использовании: 1) криволинейной неортогональной системы координат; 2) квазиблочного метода расщепления расчетной области; 3) ЭШРЬЕ-С процедуры для коррекции давления; 4) устойчивой противопоточной схемы третьего порядка аппроксимации; 5) метода Булеева для решения уравнений переноса; 6) модификации метода сопряженных градиентов, предобусловленного по Булееву, и метода блочной коррекции для решения уравнения Пуассона.

2. Проведено расчетное исследование моделей турбулентности. Установлено, что:

1) для предсказания крупномасштабной структуры течений в топках можно использовать простую модель турбулентности с постоянной вязкостью и условием скольжения на стенах; 2) модифицированная к-е модель турбулентности Чена-Кима является более точной, по сравнению со стандартной к-е моделью, при моделировании локальных характеристик отрывных и сильно закрученных течений, реализуемых в топках.

3. Усовершенствована зональная модель радиационного теплообмена, основанная на применении метода Монте-Карло: 1) используется криволинейная неортогональная зональная сетка; 2) применяется эффективный итерационный метод для решения системы балансовых уравнений теплообмена большой размерности.

4. Разработана комплексная математическая модель процессов в топочных камерах пылеугольных котлов с произвольной геометрией, включающая расчет: 1) аэродинамики, переноса газовых компонент и теплообмена на основе дифференциальных методов; 2) движения и выгорания угольной пыли на основе Лагранжевого представления; 3) горения летучих по глобальному механизму; 4) сложного теплообмена на основе зонального метода.

5. Разработана упрощенная математическая модель процессов в топках, позволяющая существенно сократить время расчета для топок .простой конструкции. Модель использует допущение о постоянной турбулентной вязкости, эмпирическую модель выгорания пылеугольного топлива и грубую дискретизацию при решении задачи радиационного теплообмена.

6. На основе разработанных методов проведены расчетные исследования топочных камер: предложена четырехвихревая аэродинамическая схема топочного процесса, внедренная на котле БКЗ-640 Гусиноозерской ГРЭС; изучено влияние способа ввода аэросмеси на аэродинамику экологически чистого блока 800 МВт с тангенциальной топочной камерой и настенным расположением горелок; изучены аэродинамика в топочной камере котла Е-500 с угловым расположением горелок при реализации схемы ступенчатого сжигания; оптимизированы аэродинамические схемы ввода сорбента с целью снижения выбросов оксидов серы для топки котла ПК-38; изучено движение газов в поворотном газоходе, проведен выбор аэродинамической схемы для вновь проектируемых водогрейных котлов КВТК-100, сделан вывод о необходимости учета влияния сопротивления внутренних поверхностей на аэродинамику потока; проведено исследование водогрейного котла с вихревыми горелками, выявлен характер движения топочных газов, приводящий к низкой надежности топочных экранов; исследованы характеристики теплообмена в топке котла БКЭ-320 при переводе его с экибастузского угля на кузнецкий.

7. Созданы программные комплексы «МАТОК» и «AeroChem» для расчета процессов аэродинамики и теплообмена в камерах сгорания.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Дектерев A.A., Ковалевский A.M. Математическое моделирование аэродинамики фонтанно-вихревой топки //Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ. Тез. докл. конф. -Красноярск, 1990. С. 159-161.

2. ДектеревА.А., Ковалевский A.M. О применении модели эффективно вязкой среды

при математическом моделировании аэродинамики топочных камер //Теплообмен в парогенераторах. Тез. докл. II Всесоюз. конф. - Новосибирск, 1990. С. 185-186.

3. Дектерев A.A., Ковалевский A.M. Математическое моделирование аэродинамики и теплообмена в тангенциальных топочных камерах //Проблемы использования канско-ачинских углей в энергетике. Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. конф. -Красноярск, 1991. С. 56-57.

4. ДектеревА.А., Ковалевский A.M. Программный комплекс МАТОК по расчету аэродинамики топочных камер энергетических котлов //Сиб. физ.-техн. журн. 1992. -N6. С. 146-152.

5. Дектерев A.A., Каменщиков Л.П., Ковалевский A.M., Быков В.И. Расчет установок для утилизации вредных выбросов на основе трехмерных математических моделей //Утилизация компонентов ракетного топлива. Материалы Второй Всероссийской научно-техн. конф. - Красноярск, 1994. С. 101-105.

6. Дектерев A.A., Каменщиков Л.П., Ковалевский A.M. AeroChem: Программа для расчета трехмерных турбулентных реагирующих течений излучающего газа при наличии распыленных частиц //Радиационный и сложный теплообмен. Тр. Первой Рос. нац. конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ, 1994. -Т. 9. С. 86-90.

7. Дектерев A.A., Ковалевский A.M., Каменщиков Л.П., Журавлев Ю.А. Численное моделирование процессов аэродинамики, горения и теплообмена в газогорелоч-ных устройствах //Тепломассообмен при химических превращениях. Тр. Первой Рос. нац. конф. по теплообмену. М.: Изд-во МЭИ, 1994. -Т. 3. С. 104-107.

8. Дектерев A.A., Козлов С.Г., Пронин М.С., Алфимов Е.Г. Разработка тангенциального топочного устройства с трехступенчатым сжиганием для котла Е-500 с мельницами-вентиляторами //Тез. Докл. научно-техн. конф. по решению вопросов энергосбережения, внедрения экологически чистых технологий сжигания КАУ. -Назарово, 1994. С. 1-7.

Э. Дектерев A.A., Ковалевский A.M., Каменщиков Л.П. Компьютерное моделирование пространственных ограниченных течений. Вычислительные технологии 94, Тр. Школы-Семинара по численным методам механики вязкой жидкости, Новосибирск, 1995. - Т. 4. - N 12. С. 112-118.

10. Дектерев A.A., Ковалевский A.M., Каменщиков Л.П. Программа AeroChem для моделирования трехмерных турбулентных реагирующих течений излучающего газа при наличии распыленных частиц //Вычислительные технологии 94, Тр. Школы-Семинара по численным методам механики вязкой жидкости. - Новосибирск, 1995. - Т. 4,- N 12. С. 107-111.

11. Срывков C.B., Процайло М.Я., Дектерев A.A., Ковалевский A.M. Призматическая экранированная топка. Патент на изобретение от 10.04.95г. N 2032853

2. Dekterew A.A., Kovalevsky A.M., Kamenshchikov L.P. Application of High Order Schemes and Byleev's Method for the 3-D Flow Computation //In Book of Abstracts: International conference AMCA-95. - Novosibirsk. 20-24 June, 1995. -Vol. 2. P. 188189.

3. Быков В.И., Дектерев A.A., Каменщиков Л.П., Ковалевский A.M. Численное моделирование реагирующих турбулентных течений в трехмерных областях сложной кнфигурации//Химическая промышленность. 1995. -N 1. С. 43-47.

4. Белов С.Ю., Васильев В.В., Дектерев A.A., Ковалевский A.M., Сухбаатор О. Влияние неравномерности скорости газов, концентрации золы на абразивный износ пучков труб за поворотной камерой пылеугольного котла //Теплоэнергетика 1995. - N8. С. 29-33.

5. Дектерев A.A., Ковалевский A.M., Каменщиков Л.П. Математическое моделирование аэродинамики, теплообмена и горения в пылеугольных топках //Повыше-

ние эффективности и экологической безопасности сжигания углей на электро станциях Сибири. Сб. научн. трудов. - Красноярск, 1995. С. 35-39.

16. Харченко В.В., Белов С.Ю., Богомолов В.В., Васильев В.В., Дектсрсв A.A. Опыт ное сжигание кузнецких углей марки СС2 на котлах БКЗ-420 Омской ТЭЦ-' //Повышение эффективности и экологической безопасности сжигания углей н< электростанциях Сибири. Сб. научн. трудов. - Красноярск, - 1995. С. 80-99.

17. Васильев В.В., Белов С.Ю., Дектерев A.A. Повышение надежности пылеугольны? водогрейных котлов //Повышение эффективности и экологической безопасности сжигания углей на электростанциях Сибири. Сб. научн. трудов. - Красноярск 1995. С. 120-146.

18. Дектерев A.A., Каменщиков Л.П., Ковалевский A.M., Журавлев Ю.А., Быков В.И Моделирование трехмерной аэродинамики и сложного теплообмена в высоко температурных установках //Тепломассообмен в энергетических устройствах i энергосбережение. Тр. III Минского международного форума, Тепломассообмен ММФ-96. - Т. X. - Ч. 1. - Минск, 1996. С. 75-79.

19. Дектерев A.A., Каменщиков Л.П. Программа для моделирования конвективно' радиационного теплообмена в высокотемпературных установках// Межд. конф «Мат. модели и числ. методы мех. сплошн. сред», Тез. докл. под ред. акад. Ю.И Шокина. Новосибирск, 27 мая - 2 июня 1996. С. 244-245.

20. Дектерев A.A., Каменщиков Л.П., Расчеты трехмерных течений в криволинейны? координатах на совмещенной сетке //Межд. конф. «Мат. модели и числ. методь мех. сплошн. сред», Тез. докл. Новосибирск, 27 мая - 2 июня. 1996. С. 311-313.

21. Васильев В.В., Дектерев A.A., Состояние и перспективы использования математического моделирования топочных устройств //Тез. докл. научно-техн. конф «Использование методов математического моделирования в котельной технике», 23-25 сент. 1996. -Красноярск, 1996. С. 3-5.

22. Дектерев A.A., Васильев В.В., Каменщиков Л.П., Ковалевский A.M. Некоторые результаты математического моделирования элементов котельного оборудования //Развитие технологий подготовки и сжигания топлива на электростанциях. Сб. научн. стат. - М.: ПМБ ВТИ, 1996. С. 172-176.