Fluent软件模拟计算煤粉燃烧的机理及其模型实现的方式

2010-09-12丁历威李凤瑞

浙江电力 2010年11期

丁历威，李凤瑞

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

0 引言

由于计算机模拟技术具有低成本、高效率以及方便快捷的优点，在工程实践中得到越来越广泛的应用。很多锅炉设计及燃烧器的改造方案都已经把煤粉燃烧数值计算结果作为其重要的参考资料。目前优秀的数值计算软件有Fluent，CFX等，其中Fluent以其丰富的模型、高效的算法、准确的计算结果，在国内外得到了普遍的应用[1-2]。

但是Fluent也具有局限性，由于适用于所有数值计算问题，其模型具有一定的通用性。所以对于一些特殊的比较专业的问题，用其自带的模型已经不适用。比如煤粉燃烧，它所需计算的对流扩散方程很多[3-5]，采用Fluent自带的燃烧模型、颗粒运动模型等所计算出的结果与实际有较大的出入。为解决这个问题，必须深入分析Fluent处理煤粉燃烧的机理，并在此基础上通过用户自定义函数（User Defined Function，UDF）进行二次开发，深入研究煤粉燃烧模型中颗粒跟踪数计算的方法、过程之间的切换、过程与规则之间的关系、颗粒生命周期内和多调用自定义规则的数目及过程规则的调用机理。根据实际工况以及实验数据，重新编写部分计算程序和燃烧模型。

1 Fluent模拟计算煤粉燃烧的机理

煤粉燃烧的数值模拟计算是一个非常复杂的过程，涉及到气体和颗粒辐射、煤粉浓淡分离、煤粉颗粒热解、焦碳表面燃烧以及煤粉颗粒分级燃烧等情况。Fluent把模拟计算分成了4个过程[6]：煤粉颗粒的吸热、挥发分的析出、焦炭的表面燃烧以及灰分的吸热或者冷却，每一个过程都有一个具体的规则去求解相应的方程，规则也可以通过UDF自定义重写。各个过程切换在规则切换准则（Switch Law）中实现。

1.1 初始吸热过程（First Law）

当煤粉颗粒的温度小于挥发分热解温度时，该过程就会被触发。Fluent默认执行吸热规则（Inert Heating），颗粒的热源来自于对流换热和辐射换热。

1.2 挥发份析出过程（Second Law）

当煤粉颗粒温度大于挥发分热解温度，并且煤粉颗粒中含有挥发分时，该过程就会被触发。Fluent默认采用热解规则（Devolatilization），有多个模型可以选择，如固定速率热解模型、单步热解模型、双竞争反应模型，其中用的比较多的是单步热解模型和双竞争反应模型，该规则仅仅适合于煤粉燃烧颗粒。

1.3 焦炭表面燃烧模型（Third Law）

当挥发分析出完成后，煤粉颗粒只剩下焦炭和灰分时，就会触发该过程。Fluent默认执行颗粒表面燃烧规则（Surface Combustion），也有多个表面燃烧模型可以选择，一般采用动力—扩散限制燃烧模型，该模型分3个区域[7]：

（1）在温度小于1000℃时，由于化学反应速率很慢，扩散过来的氧量远远超过反应所需的氧量，这时燃烧速率与反应有关。

（2）当温度超过1400℃时，由于化学反应速率常数随着温度升高急剧增大，致使反应所消耗的氧量远远超过扩散过来的氧量，这时燃烧速率主要由氧气的扩散速度决定。

（3）当温度在1000～1400℃之间，燃烧速率受到反应速率和氧气扩散速率双重影响。

1.4 灰分的吸热或者冷却（Fourth Law）

当经历了挥发分热解、焦炭表面燃烧后，煤粉颗粒中只剩下灰分。这时灰分只会经历一个吸热或者放热过程。该过程就被触发，其规则求解方程与First Law一样。

煤粉燃烧的每一个过程，都有相应规则去求解相应的方程。如果Fluent求解的方程不符合模型的实际情况，可以通过UDF二次开发重写相应的具体执行规则。比如要把挥发分热重曲线取代Fluent原有的可选模型，可以通过UDF把热重曲线写入自定义煤粉颗粒热解模型，然后替换原来的Devolatilization。

2 颗粒跟踪数的计算方法

在Fluent中不同的煤粉颗粒射流类型（Injection Type）就有不同的计算颗粒跟踪数的方法。目前比较常用的Injection Type按以下几种情况划分：单个颗粒（Single）、群组（Group）和颗粒进口表面（Surface）等。通过编写自定义UDF，掌握各个类型颗粒跟踪数的计算方法。

2.1 Single类型

Single类型是指煤粉颗粒在入口面以单个颗粒进入计算区域的，假设煤粉中所有的颗粒都是相同的直径和质量，这个颗粒代表了煤粉所有的信息，包括流速、质量、直径等等。所以跟踪1个颗粒就能反映所有煤粉的特征。Fluent中一般采用颗粒随机轨道模型，射流的数目（Number of Tries）也决定煤粉跟踪颗粒数。假定Number of Tries为20，其含义是把之前跟踪的颗粒分成20个，每个颗粒占有的流量就是原来的1/20，然后对这20个颗粒赋予不同的速度脉动值，求得各自的颗粒轨迹。Number of Tries相当于用统计的方法来反应煤粉颗粒的走向，所以该类型下Fluent跟踪的颗粒数为：

2.2 Group 类型

Group类型是指煤粉颗粒按照直径分成多股煤粉流，每股煤粉流之间直径、质量、流量、位置都各不同，然后每股煤粉流按照1个Single类型来处理，所以该类型下Fluent跟踪的颗粒数为：

2.3 Surface类型

Surface类型是指煤粉颗粒根据入口面网格分成多股煤粉流。每1个面网格相当于1个Group，所以该类型Fluent跟踪的颗粒数为：

3 过程切换的方式

通过自编UDF，掌握Fluent软件中过程切换的方式。在煤粉燃烧过程中，Fluent对各个过程的切换是在Switch Law中进行的。比如颗粒温度达到了挥发分热解温度时，过程从First Law切换到Second Law是由Switch Law控制的，而不是由First Law中的规则Inerting heating或者是Second Law中的规则Devolatilization，也不是自定义规则确定。而Switch Law中的默认规则（Default）已经根据煤粉燃烧的特点把切换条件写入其中。

所以当需要修改挥发分热解模型或者表面燃烧模型时，并不需要修改Switch Law，只需要重写Second Law或者Third Law中的具体规则。除非增加燃烧过程，或者需要修改燃烧过程切换条件，才需要重写Switch Law中的规则。

4 过程与规则之间的关系

过程与规则在Fluent计算中的调用关系是UDF二次开发的关键。在UDF中，获取当前颗粒所处过程[8]的索引号是：

判断当前过程对应的换热规则是：

式中：p为Fluent求解器中的颗粒指针。每个跟踪颗粒都有1个指定的指针来定位它。

规则是过程具体的执行代码。默认的规则有多个模型可以选择，也可以通过自定义UDF来重写规则。

在Fluent中过程是从0开始计数，比如Fisrt Law代表着0，Second Law代表着1等，而各个规则是保存在p结构体数组heat_mass_laws中。

5 煤粉燃烧过程规则模型的调用方式

通过重写Switch Law，发现每1个煤粉颗粒在其生命周期内最多只能执行4个自定义规则。如果超过4个，颗粒跟踪迭代就会报错。具体的说就是可以编写4个以上的自定义规则导入Fluent中，也可以在Injection中设置4个以上的自定义规则。但是颗粒生命周期内调用的自定义规则最多4个，多设置的自定义规则调用不到，就不会报错，如果调用到了，颗粒跟踪迭代就会报错。如果自定义了1个规则，但是在多个过程中被设置，那么这个规则也要重复被计数，而自带规则没有此限制，如表1所示。

从表1可以看出，DEFINE_DPM_LAW自定义的规则[8]在Fluent内部编号从7开始的。而且最多只能定义4个。

通过编写大量的UDF，给出了Fluent对煤粉燃烧过程规则模型的关系，如图1所示。对于UDF二次开发而言，就是用自定义的规则来取代Fluent默认的规则。同时理论上可以增加煤粉燃烧过程，此时就需要重写Switch Law，把增加过程的触发条件加入其中。