《循環流化床煤燃燒的大渦模擬研究》是依託浙江大學，由羅坤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：循環流化床煤燃燒的大渦模擬研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：羅坤
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於循環流化床的裝機容量持續增長，運行過程中出現各種各樣的問題，對最佳化設計的需求較高。本項目面對這一工程背景，提出對有氣固兩相燃燒反應存在的循環流化床進行大渦模擬研究，發展大渦模擬框架內多相、多物理過程的耦合模型。其中對於煤粉顆粒動力學的模擬採用全尺度離散顆粒模擬和標準離散顆粒模擬相結合的方法；對於燃燒和化學反應，擬提出新的耦合標量模型對小火焰/過程變數方法進行改進，將其拓展到對氣固兩相燃燒的研究中。在此基礎上，考慮氣固兩相間全面的質量、動量和能量耦合，開發一套三維高級模擬平台，能夠對燃煤流化床內複雜的流體動力學、顆粒擴散和熱解、均相和非均相化學反應、熱質傳遞、顆粒－顆粒/顆粒－壁面/顆粒－流體相互作用、污染物生成、埋管磨損等進行系統地研究，找到影響系統運行效率的關鍵因素。通過實驗檢驗和驗證後，使得該平台能可靠地幫助工業界對循環流化床鍋爐進行預測、設計和性能最佳化。
結題摘要
由於循環流化床的裝機容量持續增長，運行過程中出現各種各樣的問題，對最佳化設計的需求較高。本項目面對這一工程背景，對有氣固兩相燃燒反應存在的流化床進行大渦模擬研究，發展大渦模擬框架內多相、多物理過程的數學模型和計算方法,考慮了燃煤流化床內複雜的流體動力學、顆粒擴散和熱解、均相和非均相化學反應、熱質傳遞、顆粒－顆粒/顆粒－壁面/顆粒－流體相互作用以及埋管磨損等,其中對於顆粒動力學的模擬採用全尺度離散顆粒模擬和標準離散顆粒模擬相結合的方法。經過廣泛的實驗驗證後，採用該模型對鼓泡床內流動、混合、傳熱和磨損進行了研究,發現跟雙流體模型相比，離散單元模型能更好地與實驗數據吻合。床記憶體在複雜的氣泡和顆粒運動，顆粒的混合在起始時刻最強，且表觀速度越大，顆粒混合更加劇烈。埋管的存在限制了床內氣泡和顆粒的運動，不但造成了管壁磨損，也改變了管壁周圍的空隙率，從而改變傳熱性能。埋管總的傳熱係數在水平兩側最大，底部次之，頂部最小；其磨損則在底部最高，頂部次之，水平兩側最小。對噴動床流態化及其放大設計的數值模擬研究發現，在噴動區和噴泉區的顆粒速度較大，環形區的顆粒速度較小。有導流管的噴動床壓降在相對較小的噴動流率下就可達到穩定，隨著導流管長度的增大，床層壓降達到穩定所需要的噴動流率也越小。隨著空截面氣速由大變小，三維狹縫式矩形截面-錐底噴動床內的流動形態先後經歷了“穩定噴動” -“內部射流”-“固定床”的變化。放大設計的研究進一步發現，雙體床內顆粒場隨空截面氣速變化而表現出五種典型的流態，而且有隔板時的床層壓降大於無隔板時的壓降。套用所提出的模型對內循環流化床三維流動特性及最佳化運行進行了數值模擬，發現對於腔室間壓差，不論在何種流化風速下，都呈現隨著床壓增大而逐漸減小的趨勢。隨著氣體分布板傾斜角增大，顆粒循環流率、氣流短路通量及床體腔室間壓差都隨之不斷減小。最後對循環流化床整床的流動特性進行了離散元大渦模擬研究，準確再現了循環床典型的“核-環”流動結構及床內顆粒流動細節，發現在中心軸線上離散相時均速度較大，且由於強烈的入口和出口約束作用，其沿床高的分布呈現明顯的反“C”形分布特徵。此外，還對複雜兩相燃燒進行了深入的研究，在國際上率先對兩相燃燒進行了直接數值模擬，揭示了兩相燃燒的基本規律，提出了亮相燃燒的新模型，並發展了大渦模擬的複合小火焰模型，可以更好地模擬兩相燃燒。
