烟气混合流场模拟计算

2018-09-20王永兴

山东化工 2018年15期

王永兴

(山西国控环球工程有限公司(原山西省化工设计院)，山西太原 030024)

本次研究的管道为加热炉出口烟气管道(DN1200)和引风机出口管道(DN2000)两个管道组成的管系。两个管道出口处压力和温度不同，烟气流速相差很大，加热炉出口支管的烟气流速较大。通过本次研究，从理论上模拟两股流体的流动情况及混合时两种流体的流动状态，避免引风机出口流体出现反混回流现象，为设计工作提供依据。

本次计算主要用到两个软件Gambit和Fluent。Gambit主要是通过其GUI(用户界面)接受用户输入的数据，从而直接简单的建立几何模型、网格化模型形成有限元模型的一个软件包，它是流体力学(CFD)计算领域一个重要的建模工具。Fluent本身带有先进的数值计算方法、各种各样的的物理模型以及强大的后处理性能，它的数值计算方法在计算速度、精度和稳定性等各方面均有很大的优势，尤其在流体分析计算、热量传导和化学反应工程等方面具有特别显著的优势，因此，这个软件的应用非常广泛。

1 模拟软件介绍

1.1 Fluent介绍

目前，在市面上的CFD软件中，国内外备受推崇、使用广泛、最流行的理论流体模拟计算软件主要是Fluent软件。Fluent软件的理论模拟计算是基于“CFD软件群”的理念，主要是针对每一种流动的流体的实际物理特征，选择最为合适的数值计算方法对问题进行模拟求解，因而在计算速度、精度和稳定性等各个方面均达到最为理想的结果。目前Fluent软件已经被ANSYS收购，作为ANSYS的一个模块。

Fluent软件主要有以下几个特点：(1)Fluent软件目前采用的模拟计算法为有限元体积发生，它是基于完全非结构化网格的一种方法，并且具有基于网络单元和网格节点的梯度算法；(2)Fluent计算软件可以用于非定常/定常流体流动的模拟，且具有快速的非定常模拟性能；(3)Fluent计算软件含有动/变形网格划分技术，主要用来解决运动边界的问题，在具体使用时仅仅需要给出初始网格划分和相关运动壁面的边界限制条件，其剩余的网格变化则完全由计算器自动进行生成；(4)Fluent计算软件网格支持能力十分强大，它支持边界不连续的网格划分、混合网格划分、动/变形网格划分以及滑动网格划分等；(5)Fluent计算软件还具有多种基于计算解的网格自适应的性能、动态的自适应性能以及网格动态自适应和动网格相结合的性能；(6)Fluent计算软件包含三种算法：耦合显式算法、耦合隐式算法、非耦合隐式算法，这种软件是商用计算软件中应用最多的；(7)Fluent计算软件包含了丰富而先进的湍流计算模型，能够准确地模拟处无粘型流、层流、湍流等多种流体形态。湍流模型包含了Spalart-Allmaras模型组、k-ω模型、k-ε模型、雷诺应力模型(RSM)、大涡模拟模型(LES)以及分离涡模拟(DES)等。另外它还可以根据实际的物理情况进行定制或者添加自己需要的湍流模型。

Fluent软件的优点为：

(1)适用面广。适用范围很广，Fluent计算软件含有很多种传热燃烧计算模型及多相流计算模型，可应用于从可压缩流体到不可压缩流体、从低速流体到高速甚至超音速流体、从单相流到多相流、以及化学反应、气固混合、燃烧等几乎所有的和流体相关的领域。

(2)高效省时。Fluent计算软件可以将不同领域的相关计算软件组合起来，成为一个CFD软件群，这些相关软件可以方便的进行数值交换，且采用了统一的前处理、后处理工具和方法，这样就节省了科研学者在计算方法、前后处理、模拟编程等方面投入，节省了很多宝贵的时间，大大提高了科研的效率。

(3)稳定性好且精度高。这种软件对每一种物理问题，都会针对它的流动特点，选择适合的数值计算方法，用户可以选择显式或隐式差分格式计算方法，使得在计算精度、速度和稳定性方面均达到最佳效果。

1.2 Gambit介绍

Gambit是为了建立力学计算物理模型和网格化形成计算流体力学(CFD)模型，并且和其它软件接轨而设计的一个软件包。Gambit通过其用户界面(GUI)来接收用户的数据输入。Gambit GUI可以简单、直接的建立物理模型、网格化模型形成有限元模型。

Gambit建模软件主要具有以下特点:(1)具有建立在ACIS内核基础上全面的三维几何建模性能，可以通过各种方式，直接或者间接建立点、线、面和体，而且它具有十分强大的布尔运算性能；(2)可以自动的对生成的Journal文件编辑，来自动控制、修改或者直接生成新的几何与网格；(3)建立的模型可以导入PRO/E、CATIA、UG、ANSYS、SOLIDWORKS、PATRAN等大多数的CAD/CAE软件。且导入的模型质量很高；(4)具有强大的几何修复性能，在导入几何模型时可以自动合并一些重合的点、线、面等；(5)网格划分能力十分强大，可以轻松的划分包括边界层、具有CFD特殊性能要求的高质量计算网格；(6)Gambit独有的六面体核心(HEXCORE)技术集成了非结构网格和笛卡尔网格的优点，从而使得网格划分更加简单，网格质量更高。

2 基本条件

来自加热炉流量为30000 Nm3/h、温度为443.15T(170℃)、压力为5000Pa的烟气流经直径1.2 m的管道，与来自烟气引风机烟气流量为122200 Nm3/h、温度为393.15T(120℃)、压力2624Pa的流经直径2m的管道的烟气混合,混合后的温度400.15T(127℃)。

2.1 基本数据

表 1 基本数据

2.2 质量流量

引风机出口a质量流量:

加热炉出口b质量流量:

说明：烟气的密度按照空气密度估算。

3 建立模型及计算结果

图1 实际模型

本次模拟使用质量流量边界条件。理由为：针对本课题，在使用CFD理论进行模拟计算时，主要使用的边界条件有压力入口边界条件和质量流量边界条件。压力入口边界条件有其适用的区域，比如说典型的浮力驱动的流动。其具体适用范围为：压力已知但是流动速度未知的情况。因此使用压力入口为边界条件是不合理的，本项目理论计算采用的边界条件为：质量流量边界条件。

经过计算，得到的速度场、温度场、压力场的计算结果如图2～6所示。