[發明專利]一種煤粉顆粒間燃燒過程相互作用的數值模擬方法

有效

• 申請號: 201610045056.8
• 申請日: 2016-01-22
• 公開（公告）號: CN105590005B
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 顧明言;王計敏;何先輝;楚化強
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 蔣海軍

本發明公開了一種煤粉顆粒間燃燒過程相互作用的數值模擬方法，屬于計算機數值模擬技術領域。本發明依據煤粉顆粒間燃燒過程的特點，在計算流體力學軟件FLUENT已有數理模型基礎上，運用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合編程，耦合用戶自定義模型，即煤粉顆粒相互作用模式(顆粒構造形式、顆粒質量變化模型、粒徑動態變化模型、揮發份析出模型)、質量變化保存機制，實現了煤粉顆粒間燃燒過程相互作用的數值模擬。經驗證，采用本發明中的方法模擬得到的煤粉顆粒溫度等信息變化規律與實驗數據基本一致，本發明能夠真實客觀、便捷高效的揭示煤粉顆粒間燃燒過程相互作用機理，為煤粉燃燒技術的改進與優化設計提供有力的理論依據和技術支持。

技術領域

本發明方法屬于計算機數值模擬技術領域，更具體地說，涉及一種煤粉顆粒間燃燒過程相互作用的數值模擬方法。

背景技術

能源是支持社會發展和經濟增長的重要物質基礎和生產要素，充足穩定的能源供應不僅為工業提供動力，為農業提供保障，推動技術進步，保障國民經濟的發展，而且還促進人民生活質量的改善，創造眾多就業機會，促進人類社會的發展和進步。而世界經濟的快速發展，又促進了能源的開發和利用技術水平的提高，兩者既相互促進，又相互制約。煤炭是中國的基礎能源，與其他化石燃料相比，煤的儲量豐富得多，占我國一次能源構成的比例約為75％，這種比例在長期內不會有很大改變，且由于其價格低廉，煤炭必將仍是未來發電的主要能源。

近幾年，隨著工業上高效潔凈燃煤技術的發展，煤粉顆粒燃燒理論引起了國內外學者的廣泛關注，而煤粉顆粒燃燒過程的研究通常是采用計算機模擬方法進行，以計算流體學為理論基礎。計算流體力學(CFD)是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含流體運動和有熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。計算流體力學(CFD)的基本思想主要是通過數值計算中的各種離散方法，把描述連續流體運動的控制偏微分方程離散成代數方程組，由此建立該流動的數值模型，再根據問題的具體情況，設定邊界條件和初始條件封閉方程組；然后通過計算機數值計算求解這種代數方程組，從而獲得描述該流場場變量的某些運動參數的數值解。計算流體力學(CFD)方法可以將理論分析方法與實驗測量方法有效地結合起來，既簡化了真實流場過程，便于場參數的求解，同時又能保證求解結果的準確性，且與傳統實驗方法相比具有實驗設備占地面積小、實驗條件要求簡單、實驗周期短、占用資金少、結果較準確等一系列優點。通過計算流體力學數值模擬，我們可以較準確的得到煤粉燃燒狀況，以及影響煤粉燃燒的主要因素，進而為提高煤粉燃燒熱效率，降低單位發電量煤耗提供理論依據。

煤粉燃燒是進行氣相輸運、均相和異相化學反應等一系列復雜反應的過程，包括水份蒸發、揮發份析出和殘炭燃燒。燃燒過程中，煤粉顆粒成分、尺寸和氣氛對煤粉顆粒燃燒過程均有著顯著的影響。而對煤粉燃燒過程研究的可靠性關鍵即在于數值模型的建立，數值模型建立的準確性直接影響其能否反映真實的流場運動狀態。近年來，國內外學者關于煤粉燃燒過程的研究已較多，如韓國高麗大學Chong Pyo Cho等數值研究了顆粒間間距對煤粉顆粒燃燒過程的影響，美國猶他大學Babak Goshayeshi等運用詳細的化學反應動力學數據對單個煤粉顆粒的點火時間進行了研究，然而當前大多數研究者主要集中在對單個煤粉顆粒燃燒過程的研究，而忽視了多個煤粉顆粒間的相互作用對燃燒過程的影響。一般來說，煤粉顆粒由不同粒徑組成，因此，不同顆粒尺寸下煤粉顆粒燃燒特性存在巨大的差異。研究也表明，流場中任何一個顆粒對流場的干擾都會間接地影響到其附近的顆粒，同時其本身的運動狀態也將受到其附近顆粒的影響，煤粉顆粒間的相互作用機制尤其會對煤粉顆粒的揮發份析出速率和焦炭的異相反應具有較大影響。

哈爾濱工業大學的趙云華等考慮了均勻分布的球形煤粉群外在初始條件如環境溫度、氣氛濃度等對煤粉著火及燃燒的影響，但其缺乏對煤粉顆粒團內部不同顆粒燃燒之間相互影響的研究，而目前國內關于煤粉顆粒粒徑和間距間的相互作用機制對燃燒過程影響的研究也還處于空白，從而不能有效用于指導工業生產中煤粉燃燒技術的改進與優化設計，不能為電站鍋爐、高爐噴煤等工業的節能、降耗和減排措施提供便捷、高效的技術支持。

發明內容