Методы математического моделирования теплообмена при горении природного газа

• Автор: Рязанцев, Олег Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Белгород
• Количество страниц: 116 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНВЕКТИВНОГО И РАДИАЦИОНОГО ТЕПЛООБМЕНА
1Л. Достижения и проблемы математического моделирования
1.2. Структура математических моделей
1.3. Особенности математического моделирования движения газов
1.4. Методы математического моделирования турбулентности
1.5. Граничные условия к уравнениям турбулентного движения
1.6. Математическое моделирование диффузионного горения
1.7. Особенности радиационно-конвективного переноса теплоты
1.8. Основы теории радиационного переноса энергии
1.9. Радиационные свойства трехатомных газов
1.10. Постановка задач исследования
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТУРБУЛЕНТНОГО ПЕРЕНОСА КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ
2.1. Дифференциальные уравнения переноса количества движения
2.2. Граничные условия к уравнениям Навье-Стокса
2.3. Дифференциальное уравнение для соотношения скорости диссипации и кинетической энергии турбулентности
2.4. Об устойчивости алгоритма диссипативной модели турбулентности
2.5. Выводы
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАДИАЦИОННОКОНВЕКТИВНОГО ПЕРЕНОСА ТЕПЛОТЫ
3.1. Дифференциальное уравнение конвективного переноса теплоты
3.2. Преобразование дифференциального уравнения переноса теплоты
3.3. Граничные условия к дифференциальному уравнению
переноса теплоты
3.4 Проверка адекватности алгоритма конвективного переноса теплоты
3.5. Выводы

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАДИАЦИОННОГО ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ
4.1. Радиационный перенос энергии в ограниченной поглощающей среде
4.2. Дифференциальное уравнение радиационного теплообмена
4.3. Алгоритм численного решения задачи радиационно-конвективного теплообмена
4.4. Проверка адекватности алгоритма радиационного переноса теплоты
4.5. Соответствие математической модели эксплуатационным данным
4.6. Коэффициенты поглощения водяного пара
4.7. Выводы
5. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ПЕЧАХ И ТОПКАХ
5.1. Математическая модель радиационно-конвективного
теплообмена в печах и топках
5.2. Система ввода в компьютерную программу исходных данных
5.3. Программа моделирования процессов горения и теплообмена
5.4. Сохранение и представление результатов моделирования
5.5. Выводы
6. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ
6.1. Вращающаяся печь как объект численного моделирования
6.2. Условия постановки вычислительного эксперимента
6.3. Моделирование диффузионного горения природного газа
6.4. Численное исследование теплообмена во вращающейся печи
6.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиографический список

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы.
При проектировании теплотехнологических установок, при выборе и оптимизации их эксплуатационных режимов требуется информация о параметрах взаимозависимых процессов горения топлива, турбулентного движения газообразных продуктов горения, радиационно-конвективного переноса теплоты, интенсивности нагрева или охлаждения технологических материалов. Физическое моделирование таких процессов в большинстве случаев оказывается малоэффективным.
Принципиально новые возможности их исследования создает современное математическое моделирование, предусматривающее численное решение технических задач с помощью компьютерных программ. Особенно больших успехов численное моделирование достигло при исследовании процессов движения жидкости и газов. Появилась и успешно развивается новая наука - численная гидродинамика, на основе которой созданы коммерческие пакеты компьютерных программ.
И все же следует отметить, что, несмотря на значительные достижения в этой области, методы математического моделирования теплообменных процессов в высокотемпературных промышленных установках развиты недостаточно. В первую очередь это относится к радиационному теплообмену в селективной среде продуктов горения природного газа и в какой-то мере к граничным условиям турбулентного движения газов и конвективного теплообмена. В итоге оказывается, что коммерческие пакеты компьютерных программ не могут в полной мере гарантировать достоверности результатов математического моделирования теплообменных процессов. Отсюда вытекает актуальность проблемы совершенствования математических методов компьютерного моделирования конвективного и радиационного теплообмена в промышленных печах и топках.
Несмотря на относительно простой химический состав продуктов горения газообразного топлива, излучение содержащихся них водяного пара и
разуют сравнительно узкие полосы поглощения. В промежутках между линиями и в «окнах» спектра между полосами радиационное поглощение может падать до нуля.
К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по спектральным характеристикам излучения углекислого газа и водяного пара. Основополагающими являются экспериментальные работы Хоттеля, по результатам которых построены номограммы интегральной степени черноты для инженерных расчетов [52]. В дальнейшем получили интенсивное развитие теоретические и экспериментальные исследования радиационных характеристик в полосах поглощения трехатомных газов [58], что позволило создать методы расчета интегрального поглощения углекислого газа и водяного пара на основе спектральных параметров отдельных полос [59].
Наибольший интерес для инженерных приложений представляют измерения планковских «сглаженных» коэффициентов поглощения к, трехатомных газов в узких диапазонах волновых чисел [60, 61]. Имея планковский коэффициент кг для узких частей спектра, находят его среднее значение ап во всем спектре [62]:
где /оу - спектральную интенсивность черного излучения, АУ/ - частотный интервал.
По мере увеличения длины луча / спектральный состав излучения изменяется в сторону возрастания доли плохо поглощаемой энергии, в результате чего локальные коэффициенты поглощения становятся меньше планков-ского. Согласно модели узкой полосы спектра, их величина при атмосферном давлении определяется зависимостью [63]:
(1.51)

к<РГ
(1.52)