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1、第一节第一节 煤粉燃烧模化探讨煤粉燃烧模化探讨 n为了深化地探讨某个现象，如流体的流淌过为了深化地探讨某个现象，如流体的流淌过程，可以用物理模化的方法进行探讨。程，可以用物理模化的方法进行探讨。n燃烧过程的物理模化，供应了如下的可能性：燃烧过程的物理模化，供应了如下的可能性：n（1）用模型对现象进行试验探讨；）用模型对现象进行试验探讨；n（2）对个别的试验结果作广泛的推广；）对个别的试验结果作广泛的推广；n（3）对困难的方程可得出很简洁的分析解和）对困难的方程可得出很简洁的分析解和通用的数值解；通用的数值解；n（4）从一个具体的物理过程中所得出的分析）从一个具体的物理过程中所得出的分析解，推广
2、到其他相像的过程中去。解，推广到其他相像的过程中去。一、相像与模化一、相像与模化 相像的概念相像概念是由初等几何学中借用来的。这样一类物理现象，假如它们全部的特征量都相像，即全部向量在几何上相像，全部的标量都相应地(即在对应的空间点上和对应的时刻)成比例，则称为是相像的。n空间空间(几何几何)相像相像n时间相像时间相像(谐时性谐时性)。时间相像就是对应。时间相像就是对应的时间间隔成比例的时间间隔成比例n运动相像。运动相像即速度场运动相像。运动相像即速度场(及加速度及加速度场场)的几何相像。的几何相像。n动力相像。动力相像即力场的几何相像。动力相像。动力相像即力场的几何相像。n温度温度(浓度、压
3、力等标量浓度、压力等标量)相像。相像。n物理相像事实上可以归结为标量场和向物理相像事实上可以归结为标量场和向量场的几何相像。量场的几何相像。基本条件基本条件n物理条件；物理条件；n空间条件；空间条件；n时间条件；时间条件；n边界条件；边界条件；n相像准则。相像准则。n当雷诺数当雷诺数Re2300时，管道中粘性流体处在时，管道中粘性流体处在层流运动状态，这个自模区就叫做不行压缩层流运动状态，这个自模区就叫做不行压缩粘性流体定常有压流淌的第一自模区。这时粘性流体定常有压流淌的第一自模区。这时层流流淌的阻力系数层流流淌的阻力系数经推导结果和雷诺数的经推导结果和雷诺数的关系是关系是n =64/Re二、
4、相像准则和燃烧过程的相像二、相像准则和燃烧过程的相像 相像准则所谓相像准则，指的是两个物理现象的相像(或模型和原型之间的相像)在对应坐标点上必需遵守的准则数，也称之为相像定数。n在两个相像系统中佛鲁德数为定值：在两个相像系统中佛鲁德数为定值：n欧拉欧拉(Eular)数数n雷诺数雷诺数n以上准则中，出已知量以上准则中，出已知量(单值条件所给定的单值条件所给定的量量)组成的相像准则，叫做已定相像准则；组成的相像准则，叫做已定相像准则；出于现象相像的结果而得出另外的准则，出于现象相像的结果而得出另外的准则，称为待定相像准则。待定相像准则对已定称为待定相像准则。待定相像准则对已定相像准则的函数关系叫做
5、准则方程。相像准则的函数关系叫做准则方程。燃烧过程的相像准则燃烧过程的相像首先要求流淌和传热传质过程的相像，这就要遵守很多相像准则：n施密特施密特(Schmit)准则准则Scn达姆克勒达姆克勒(Damkohler)第一准则第一准则DIn普朗持普朗持(Prandtl)数数Prn达姆克勒达姆克勒(Damkohler)第三准则第三准则D三、流淌过程的相像条件和模化方法三、流淌过程的相像条件和模化方法 相像条件模型和原型几何相像物性条件相像。时间条件相像。n气体流淌处于其次自模化区。气体流淌处于其次自模化区。n模型和原型的欧拉数相等。模型和原型的欧拉数相等。n射流相互作用条件相像。射流相互作用条件相像
6、。n以上六个相像条件。以上六个相像条件。模化方法1、水力摸化以水作为流淌介质。2、气体动力模化、气体动力模化n气体动力模化简称为气模。气体动力模化简称为气模。3、燃烧模化、燃烧模化n燃烧模化又称热态模化燃烧模化又称热态模化四、燃烧过程的近似模化及其应用四、燃烧过程的近似模化及其应用 流淌过程流淌过程(包括热态包括热态)的相像要具备下列条件：的相像要具备下列条件：几何相像；几何相像；运动学相像；运动学相像；动力学相像；动力学相像；热力学相像；热力学相像；化学过程相像；化学过程相像；燃烧过程的工况组织要相像。燃烧过程的工况组织要相像。两相流淌的相像。两相流淌的相像。n 要保持上述条件相像，可以推导
7、出较多的相要保持上述条件相像，可以推导出较多的相像准则。准则方程为像准则。准则方程为n式中，式中，Nu为努谢尔持准则；为努谢尔持准则；Ho为均时性准为均时性准则；则；Re为雷诺准则；为雷诺准则；Fr为佛鲁德准则；为佛鲁德准则；Ar为为阿基米德准则；阿基米德准则；Gr为葛拉晓夫准则；为葛拉晓夫准则；Eu为欧为欧拉准则；拉准则；st为斯托克斯准则。为斯托克斯准则。1、燃烧器出口流场的近似模化及热态模化、燃烧器出口流场的近似模化及热态模化严格保持几何相像；严格保持几何相像；流淌进入其次自模化区；流淌进入其次自模化区；燃烧器多股射流之间的动量比相等。燃烧器多股射流之间的动量比相等。在这些条件下，探讨燃
8、烧器出口流场的内容包在这些条件下，探讨燃烧器出口流场的内容包括以下几个方面。括以下几个方面。（a）燃烧器阻力特性的探讨）燃烧器阻力特性的探讨（b）燃烧器出口速度分布匀整性的探讨）燃烧器出口速度分布匀整性的探讨（c）燃烧器出口气流的衰减特性）燃烧器出口气流的衰减特性（d）燃烧器出口气流结构的探讨）燃烧器出口气流结构的探讨（e）燃烧器的热态模化）燃烧器的热态模化2、炉膛模化、炉膛模化炉膛模化的方法尽管很多，归纳起来主要有两炉膛模化的方法尽管很多，归纳起来主要有两种：一种是纯几何相像模化方法，另一种是种：一种是纯几何相像模化方法，另一种是矫形模化方法。矫形模化方法。n（1）纯几何相像模化。）纯几何相
9、像模化。（2）矫形模化方法）矫形模化方法n为了模拟煤粉燃烧引起气流密度的变更，为了模拟煤粉燃烧引起气流密度的变更，Thring-Newby提出，模型燃烧器的截面应按提出，模型燃烧器的截面应按关系式关系式n放大，式中，放大，式中，f，f0，分别为模型燃烧器和原，分别为模型燃烧器和原型燃烧器的截面积；型燃烧器的截面积；0为送入燃烧器的空气为送入燃烧器的空气密度；密度；g为炉膛持征截面处的烟气密度；为炉膛持征截面处的烟气密度；L为为模型缩小比例。模型缩小比例。n这个法则的物理本质，是将已着火并燃尽的这个法则的物理本质，是将已着火并燃尽的烟气，全部从燃烧器送入炉膛。事实上煤粉烟气，全部从燃烧器送入炉膛
10、。事实上煤粉气流并不是一出燃烧器喷口就完成了整个燃气流并不是一出燃烧器喷口就完成了整个燃烧过程，因此，仍有确定误差。烧过程，因此，仍有确定误差。nZelkowski则提出，将适当放大的燃烧器后移则提出，将适当放大的燃烧器后移一段距离，使射流的初速度一段距离，使射流的初速度w0和炉膛特征截和炉膛特征截面的平均流速面的平均流速u之比，满足均时性准则，即之比，满足均时性准则，即 电站锅炉炉内空气动力场冷态模化电站锅炉炉内空气动力场冷态模化新安装的锅炉或经过燃烧器改造和大修后的电新安装的锅炉或经过燃烧器改造和大修后的电站锅炉，一般都要进行炉内空气动力场试验。站锅炉，一般都要进行炉内空气动力场试验。它的
11、目的一方面是检查锅炉安装或修理后的质它的目的一方面是检查锅炉安装或修理后的质量，另一方面是供应锅炉热态运行的依据，如量，另一方面是供应锅炉热态运行的依据，如燃烧器各通风管道的风量平衡、风门的调整恃燃烧器各通风管道的风量平衡、风门的调整恃性、炉内气流分布的匀整性，等等。性、炉内气流分布的匀整性，等等。3、燃烧过程冷热态模化的相像程度、燃烧过程冷热态模化的相像程度 冷态和热态下流淌过程大体相像，其理论分析如冷态和热态下流淌过程大体相像，其理论分析如下；下；(1)冷热态的流场处在猛烈扰动的湍流区。冷热态的流场处在猛烈扰动的湍流区。(2)冷热态均是近似的等温流淌。冷热态均是近似的等温流淌。(3)燃烧流
12、淌的两相过程有时可以作为均相处理。燃烧流淌的两相过程有时可以作为均相处理。Spalding在综合了大量冷热态模化试验结果后认在综合了大量冷热态模化试验结果后认为：冷热态过程的变更规律相同，燃料化学反为：冷热态过程的变更规律相同，燃料化学反应产生的热量，对流场的影响不大。应产生的热量，对流场的影响不大。其次节其次节 煤粉燃烧试验探讨煤粉燃烧试验探讨 n模化探讨主要侧重于燃烧设备的特性，对于模化探讨主要侧重于燃烧设备的特性，对于煤的燃烧特性，探讨者一般接受热天同等设煤的燃烧特性，探讨者一般接受热天同等设备，探讨煤的热解特性、着火特性、燃烧反备，探讨煤的热解特性、着火特性、燃烧反应速度、燃尽程度、结
13、渣特性等。应速度、燃尽程度、结渣特性等。一、煤的热解特性探讨一、煤的热解特性探讨热解是煤燃烧过程中重要的初始过程，对热解是煤燃烧过程中重要的初始过程，对着火有极大的影响，同时对污染物的形成着火有极大的影响，同时对污染物的形成起着重要的作用。因此，对煤热解的理论起着重要的作用。因此，对煤热解的理论和试验探讨受到越来越多的人们的重视。和试验探讨受到越来越多的人们的重视。热天平热天平在程序限制温度下，测量物质质量与温度关系，在程序限制温度下，测量物质质量与温度关系，记录质量随温度变更关系得到的曲线称作热重曲记录质量随温度变更关系得到的曲线称作热重曲线（或线（或TG曲线）。微商曲线）。微商DTG曲线。
14、曲线。测量物质和参比物的温度差和温度关系测量物质和参比物的温度差和温度关系DTA1出气口 2样品 3天平 4配重 5进气口 6套筒 二、煤的着火特性探讨二、煤的着火特性探讨n通过对煤着火机理的探讨，煤的均相着火和通过对煤着火机理的探讨，煤的均相着火和非均相着火机理己为人们普遍接受。非均相着火机理己为人们普遍接受。n接受热天平探讨煤的着火特性得到了广泛的应接受热天平探讨煤的着火特性得到了广泛的应用。通过得到的用。通过得到的TG曲线和曲线和DTG曲线来确定着曲线来确定着火点，进而对煤的着火特性进行比较也是探讨火点，进而对煤的着火特性进行比较也是探讨者常用的方法。一般常见的在热天平上定义着者常用的方
15、法。一般常见的在热天平上定义着火点的方法有：火点的方法有：TG-DTG法、温度曲线突变法、法、温度曲线突变法、DTG曲线法、曲线法、TG曲线分界点法和曲线分界点法和TG-DTG曲曲线分界点法等。下图所示为热天平及利用线分界点法等。下图所示为热天平及利用TG-DTG曲线定义着火温度的方法。曲线定义着火温度的方法。三、煤的燃尽特性探讨三、煤的燃尽特性探讨n对于燃煤锅炉尤其大型电站锅炉来说，煤粉的对于燃煤锅炉尤其大型电站锅炉来说，煤粉的燃尽特性将干脆影响锅炉的燃烧效率和运行经燃尽特性将干脆影响锅炉的燃烧效率和运行经济性。而煤粉的燃尽性能干脆取决于炭粒的燃济性。而煤粉的燃尽性能干脆取决于炭粒的燃尽，炭
16、粒的反应速率则受诸多因素的影响。其尽，炭粒的反应速率则受诸多因素的影响。其探讨方法和着火特性探讨一样，试验所得结果探讨方法和着火特性探讨一样，试验所得结果可同时分析着火和燃尽特性。可同时分析着火和燃尽特性。四、煤的结渣特性探讨四、煤的结渣特性探讨n由于结渣特性干脆关系到锅炉机组运行的平安由于结渣特性干脆关系到锅炉机组运行的平安性，也是锅炉设计的主要依据，因此，对煤结性，也是锅炉设计的主要依据，因此，对煤结渣特性进行探讨受到国内外众多学者的重视。渣特性进行探讨受到国内外众多学者的重视。n对煤结渣特性的判别，始终受到很多学者的关对煤结渣特性的判别，始终受到很多学者的关注，并提出了很多的判别指数和判
17、别方法。从注，并提出了很多的判别指数和判别方法。从大的方面来分，主要分为灰熔融特征温度型结大的方面来分，主要分为灰熔融特征温度型结渣指数法、灰成分型结渣指数法、灰粘度型结渣指数法、灰成分型结渣指数法、灰粘度型结渣指数法、特种判别方法和综合判别方法。渣指数法、特种判别方法和综合判别方法。1灰熔融特征温度型结渣指数法灰熔融特征温度型结渣指数法2灰成分型结渣指数法灰成分型结渣指数法3灰粘度型结渣指数法灰粘度型结渣指数法4特种判别方法特种判别方法5综合判别方法综合判别方法五、煤燃烧污染排放特性探讨五、煤燃烧污染排放特性探讨n人们的环境意识及对环境的要求随着工业化的人们的环境意识及对环境的要求随着工业化
18、的发展日益提高。对降低煤燃烧产生的污染物发展日益提高。对降低煤燃烧产生的污染物的排放的探讨也越来越深化，已经达到好用的排放的探讨也越来越深化，已经达到好用阶段。目前限制的主要气体污染物为阶段。目前限制的主要气体污染物为NOx和和SOx，正进行，正进行CO2的限制探讨。的限制探讨。第三节第三节 混煤燃烧特性探讨混煤燃烧特性探讨n一般说来，混煤燃烧时，若煤种选择恰当，混一般说来，混煤燃烧时，若煤种选择恰当，混合匀整，配比合理，创建良好的燃烧条件，能合匀整，配比合理，创建良好的燃烧条件，能给电厂更大的选择余地，能允许操作系统对电给电厂更大的选择余地，能允许操作系统对电厂参数做出更好的限制，发挥组分煤
19、种各自的厂参数做出更好的限制，发挥组分煤种各自的优越性，取长补短，给锅炉的平安和经济性带优越性，取长补短，给锅炉的平安和经济性带来良好的影响。来良好的影响。n燃烧过程的数值模拟发展至今，已经形成了较燃烧过程的数值模拟发展至今，已经形成了较为成熟的探讨内容和探讨方法。大致可分为如为成熟的探讨内容和探讨方法。大致可分为如下内容下内容n1、构造基本方程和理论模型、构造基本方程和理论模型n 须要模化的分过程有：湍流流淌、湍流燃烧、须要模化的分过程有：湍流流淌、湍流燃烧、辐射换热、多相流淌和燃烧等。辐射换热、多相流淌和燃烧等。n2、数值方法、数值方法n 数值方法主要包括确定边界条件、建立有限数值方法主要
20、包括确定边界条件、建立有限差分方程组和制定求解方法等。差分方程组和制定求解方法等。3、编写和调试计算机程序、编写和调试计算机程序 依据理论模型和有限差分方程组及求解方法，依据理论模型和有限差分方程组及求解方法，编写和调试计算机程序。编写和调试计算机程序。4、程序的验证和实际应用、程序的验证和实际应用 程序调试完成后，须要针对各种工况进行模程序调试完成后，须要针对各种工况进行模拟计算，并和试验测量数据进行比较验证，拟计算，并和试验测量数据进行比较验证，才能不断地改进模型和计算方法。数值模拟才能不断地改进模型和计算方法。数值模拟的最终目的是应用于工程实际。的最终目的是应用于工程实际。一、数学模型一
21、、数学模型反应流基本方程反应流基本方程n燃烧是包含有猛烈放热化学反应的流淌过程。燃烧是包含有猛烈放热化学反应的流淌过程。描述燃烧规律的定律主要有：质量守恒、动量描述燃烧规律的定律主要有：质量守恒、动量平衡、能量平衡、化学组分平衡和化学元素养平衡、能量平衡、化学组分平衡和化学元素养量守恒等等。基本方程是基本定律的数学表达量守恒等等。基本方程是基本定律的数学表达式，是对流淌和燃烧过程进行计算机模拟的理式，是对流淌和燃烧过程进行计算机模拟的理论基础和动身点。论基础和动身点。1、粘性流淌基本方程组（、粘性流淌基本方程组（Navier-Stokes方程方程组）组）2、湍流流淌模型、湍流流淌模型n湍流流淌
22、的模化基本上是围绕前述湍流输湍流流淌的模化基本上是围绕前述湍流输运通量运通量()（也称为雷诺应力）进行的。（也称为雷诺应力）进行的。其方法主要有两类：一类是引入湍流输运其方法主要有两类：一类是引入湍流输运系数的概念，问题归结为如何给出该输运系数的概念，问题归结为如何给出该输运系数；另一类是干脆推导该通量的代数表系数；另一类是干脆推导该通量的代数表达式或其封闭的输运方程。达式或其封闭的输运方程。1、湍流粘性系数模型、湍流粘性系数模型湍流粘性概念湍流粘性概念 针对二维边界层问题，针对二维边界层问题，Boussinesq在在1877年首年首先引入了湍流粘性的概念。对非边界层类型的先引入了湍流粘性的概
23、念。对非边界层类型的流淌，可接受如下形式的模拟表达式来表示雷流淌，可接受如下形式的模拟表达式来表示雷诺应力：诺应力：n上式中，上式中，k称为湍流淌能，称为湍流淌能，t称为湍流粘性系数。称为湍流粘性系数。n为了确定为了确定t，须要求解，须要求解k及及l。依据须要求解的微分。依据须要求解的微分方程的个数，把湍流粘性系数模型又分为零方程模方程的个数，把湍流粘性系数模型又分为零方程模型、单方程模型和双方程模型。其中应用最广泛的型、单方程模型和双方程模型。其中应用最广泛的是双方程模型中的是双方程模型中的k-模型。模型。nk-双方程模型双方程模型n 的物理概念是粘性项所引起的湍动能的物理概念是粘性项所引起
24、的湍动能的耗散速率。的耗散速率。k和和的输远方程可通过瞬的输远方程可通过瞬态量的态量的N-S方程推导而得。经过雷诺分解方程推导而得。经过雷诺分解与平均及模化后的各向同性不行压缩湍与平均及模化后的各向同性不行压缩湍流的流的k和和输运方程为输运方程为n雷诺应力方程模型雷诺应力方程模型n 干脆推导雷诺应力的输运方程，通过求解该输运方干脆推导雷诺应力的输运方程，通过求解该输运方程来封闭湍流运动微分方程组，这种方法称为雷诺应程来封闭湍流运动微分方程组，这种方法称为雷诺应力模型力模型(Reynolds Stress Model，即，即RSM)。求解雷。求解雷诺应力的方程，可以是微分方程诺应力的方程，可以是
25、微分方程(DSM：Differential Stress Model)或者是其简化形式或者是其简化形式-代数方程代数方程(ASM：Algebraic Stress Model)。雷诺应力模型通过建立。雷诺应力模型通过建立和模拟雷诺应力和模拟雷诺应力-二阶关联量的方程求得均流问题的二阶关联量的方程求得均流问题的封闭，故又称为二阶矩封闭模型封闭，故又称为二阶矩封闭模型(Second-Moment Closure)。雷诺应力的微分方程模型雷诺应力的微分方程模型(DSM)雷诺应力的代数方程模型雷诺应力的代数方程模型(ASM)n 作为作为k-方程及方程及DSM模型的一个折衷方案，模型的一个折衷方案，AS
26、M模型包含应力和通量的代数表达式及带有模型包含应力和通量的代数表达式及带有各向异性扩散项的各向异性扩散项的k方程和方程和方程。其主要思路方程。其主要思路是将应力或通量的输运方程简化为代数表达式，是将应力或通量的输运方程简化为代数表达式，同时仍保留各向异性湍流的基本特征。模化后同时仍保留各向异性湍流的基本特征。模化后的的ASM模型方程组为模型方程组为nASM模型反映了与浮力及旋流效应有关的模型反映了与浮力及旋流效应有关的各向异性湍流的基本特征，同时与各向异性湍流的基本特征，同时与DSM模模型相比大大削减了方程数目，也无需分别型相比大大削减了方程数目，也无需分别给出各应力及通量重量的入口及边界条件
27、，给出各应力及通量重量的入口及边界条件，因此该模型拓宽了因此该模型拓宽了k-模型的适用范围。但模型的适用范围。但该模型仅适用于不很偏离局部平衡条件的该模型仅适用于不很偏离局部平衡条件的流淌过程。它无法计算出反梯度扩散效应，流淌过程。它无法计算出反梯度扩散效应，同时在三维计算中的收敛性方面常常有相同时在三维计算中的收敛性方面常常有相当大的困难。当大的困难。3、湍流气固两相流淌模型、湍流气固两相流淌模型n煤粉燃烧过程是典型的湍流气固两相流淌和煤粉燃烧过程是典型的湍流气固两相流淌和燃烧过程。探讨气固两相流淌的方法可分为燃烧过程。探讨气固两相流淌的方法可分为两类：一类是把流体或气体当作连续介质，两类：
28、一类是把流体或气体当作连续介质，而将颗粒视为离散体系；另一类是把流体与而将颗粒视为离散体系；另一类是把流体与颗粒都看成共同存在且相互渗透的连续介质，颗粒都看成共同存在且相互渗透的连续介质，即把颗粒视作拟流体。近年来，在探讨有化即把颗粒视作拟流体。近年来，在探讨有化学反应的气固两相流时，也探讨了诸如颗粒学反应的气固两相流时，也探讨了诸如颗粒相的连续介质相的连续介质-轨道模型这样的综合方法。轨道模型这样的综合方法。n颗粒与气相的关系颗粒与气相的关系 无滑移模型、小滑移模型、颗粒轨道模型、无滑移模型、小滑移模型、颗粒轨道模型、多流体（多连续介质）模型等。多流体（多连续介质）模型等。4、煤粉燃烧模型、
29、煤粉燃烧模型n挥发分热解模型。挥发分热解模型。n挥发分紊流燃烧模型。挥发分紊流燃烧模型。n焦炭燃烧模型。焦炭燃烧模型。5、辐射换热模型、辐射换热模型目前常用的能模拟颗粒与气相之间辐射传目前常用的能模拟颗粒与气相之间辐射传热的模型包括：热的模型包括：P-1辐射模型、离散坐标辐射模型、离散坐标辐射（辐射（DO）模型等。）模型等。P-1法是最简洁的一种球谐函数法，它假法是最简洁的一种球谐函数法，它假定介质中的辐射强度沿空间角度呈正交定介质中的辐射强度沿空间角度呈正交球谐函数分布，并将含有微分、积分的球谐函数分布，并将含有微分、积分的辐射能量传递方程转化为一组偏微分方辐射能量传递方程转化为一组偏微分方
30、程，联立能量方程和相应的边界条件便程，联立能量方程和相应的边界条件便可以求出辐射强度和温度的空间分布。可以求出辐射强度和温度的空间分布。6、煤燃烧中、煤燃烧中NOx生成的模拟生成的模拟nNO生成特性模拟接受后处理计算的方法，即生成特性模拟接受后处理计算的方法，即在算完燃烧反应，得到收敛后再计算在算完燃烧反应，得到收敛后再计算NO生成生成和消减反应。计算模型如第八章所述。和消减反应。计算模型如第八章所述。7、数值计算方法、数值计算方法n煤粉燃烧目前常用的数值解法主要有：有限容煤粉燃烧目前常用的数值解法主要有：有限容积法、有限元法、边界元法和有限分析法。综积法、有限元法、边界元法和有限分析法。综合考虑这几种方法的成熟程度，实施的难易性合考虑这几种方法的成熟程度，实施的难易性及广泛性，有限容积法仍占优势，一般接受有及广泛性，有限容积法仍占优势，一般接受有限容积法。限容积法。