Математическое моделирование двухфазных пространственных течений в каналах и камерах сгорания

• Автор: Старченко, Александр Васильевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 300 с. : ил.

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 тепломассопереноса 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.

(Рис. 1.4, U = [(1 - a2)u1+a2U2J/Uby, поперечная компонента скорости частиц 2 под действием силы тяжести становится отрицательной по всему сечению канала, следствием чего является интенсивное осаждение частиц на нижней стенке (у-0) и отсутствие такого осаждения на верхней. Кроме того, результаты расчетов показали, что наличие частиц в потоке приводит к более медленному остыванию газовзвеси по длине канала по сравнению с незапыленным неизотермическим течением (Рис. 1.5, в = (1-а2) 0j+ а2в2), причем тепловые потери тем меньше, чем меньше размер частиц и больше их объемная доля.
1.2. Турбулентное течение газовзвеси в трубе
Движение смесей газ-твердые частицы часто происходит при турбулентном режиме, характеризующемся пульсациями основных величин. В [16] на основе многочисленных экспериментальных исследований изотермических турбулентных течений газовзвесей (а2 < 0,03 [17]) в круглых трубах предложена их следующая классификация по значению параметра (ри
<Р. = <Ро(Р°„/ рГ°2,i / d)Re + MfJ! + 0,22; ReD = p,Uh2r, /p,; Ret = p‘vtd/ p,;
Vl=078(pl/p°yp°„/p°,),',d; 1. (ри> 1,8 - диффузионный режим или режим равновесного течения, при котором частицы чувствительны к турбулентным пульсациям несущей среды и не взаимодействуют со стенками трубы. Распределение концентрации частиц практически равномерно по сечению канала.