分解炉流场可视化方法研究

资源类型:pdf 资源大小:544.00KB 文档分类:工业技术 上传者:刘林魁

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【作者】 吴飞 

【关键词】科学计算可视化 分解炉 数值模拟 流场 

【出版日期】2005-04-30

【摘要】论述了运用科学计算可视化方法对分解炉炉内温度场进行研究的过程,首先建立了分解炉内气固两相流动,煤粉燃烧,CaCO3分解过程的数学模型及相应的数值解法思路.并介绍了建立炉内二维温度场和三维温度场的可视化技术方法.

【刊名】武汉化工学院学报

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0 引 言现在越来越多的水泥厂运用预分解窑生产水泥,它的特点是在悬浮预热器和回转窑之间增设一个分解炉(见图1),使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程,在其中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行,从而使入窑生料的分解率高达85%~90%,这样,可以减轻窑内煅烧带的热负荷,有利于缩小窑的规格及生产大型化,延长衬料寿命,有利于减少大气污染.图1 分解炉结构Fig.1 Structureofcalciner分解炉内同时进行着气固两相流动,煤粉燃烧,CaCO3分解,传热传质过程,是一个非常复杂的过程.设计分解炉,使其达到要求的CaCO3分解率,使煤在炉内充分燃烧,需要进行严格的科学计算.在此引入科学计算可视化方法对分解炉炉内过程进行研究,运用科学计算可视化技术可将炉内燃烧及气固两相流动过程中的流场分布直观地转换成可视的图形、图像,这将大大地方便研究人员揭示在传统科学计算中不可能获得的现象和规律.1 科学计算可视化实施步骤科学计算可视化过程分为科学计算(数值模拟)与可视化系统建立两个部分,数值模拟过程包括:a.建模,b.求解方法,研究计算技巧,c.编写、调试、改进程序.可视化过程即从大量的原始数据中通过分析提取有效数据开始,通过映射生成绘制成图的几何原语,随之利用交互控制对几何原语选取色彩、纹理和阴影等参数并完成绘制图像的过程,最终显示出所绘制的图像.2 数学模型和数值解法2.1 数学模型本文所研究的对象是分解炉内的煤粉燃烧,CaCO3分解的气固两相湍流流动.根据其上柱下锥的轴对称结构,在轴对称圆柱坐标系中建立炉内过程的数学模型,模型如下:a.气相湍流模型:采用标准Kε双方程模型[1]作为气相湍流输运模型,用以预报出湍流流动的特点. (ρμi ) xi= xi(Γ ) xi+S +S pb.气相燃烧模型:采用Magmusem修正的EBU模型[1],用来模拟流场中气相燃烧过程.c.颗粒湍流模型:采用随机轨道模型[2],模拟炉内流场的两相流动和混合过程.d.煤粉燃烧模型:热解挥发采用双平行反应模型[1],炭燃烧采用扩散动力模型[2].e.CaCO3分解动力学模型[1]t=d·[(1-(1-E)1/3]K·[(1/p)-(1/pT)]式中t是生料为达到一定分解率必须在分解炉中停留的时间(s),d为生料特征粒径(m),p为气流中CO2分压(Pa),E为分解率(%),K为分解速率常数(Pa·m/s),pT为温度T下的平衡分压(Pa).2.2 模型解法a.边界条件进口边界:u=u0(r),v=v0(r),w=w0(r),k=k0(r),ε=ε0(r),其中值的大小可以根据进口速度分布和湍流特性确定.壁面边界:u=v=w=k=ε=0,在壁面附近采用壁面函数来处理.b.数值求解在模拟计算中,先用SIMPLER算法求解无颗粒的气相控制方程组至粗收敛,再用随机轨道方法跟踪颗粒在流场中的经历,并计算得到的颗粒源项,进而求解有颗粒源项的气相控制方程组,反复进行后两步计算直到计算结果满足精度要求.收敛标准取各因变量两次迭代的相对误差小于10-4.求解过程如图2所示.图2 模型求解过程Fig.2 Theprocessofsolve3 流场可视化系统建立流场可视化用于反应炉内流场分布,便于优化分解炉结构,减少炉内固相颗粒的沉积,提高产量,其可视表达方案主要有箭头图、流线图、迹线图、流面图、流带等.炉内流场的可视化虽有许多不同的方法,但无论采用什么方法都至少包括三个主要步骤:a.量数据的预处理.b.量数据的映射.c.绘制和显示.通过这三个步骤,就可将用户输入的原始矢量场数据按用户的要求转变成图形或图象等可视信息.3.1 流场数据预处理数值处理的第一步是网格离散化,在分解炉内生成结构化或非结构化的网格.计算后,流场可视化中的原始数据来自数值计算的结果.流场数据预处理主要过程分两步:a.若物理空间不规则,建立炉内数据所在的物理空间与规则的计算空间的映射关系.通过将炉内数据所在的物理空间与规则的计算空间建立一一映射的关系,后续的可视化过程可直接在规则的计算空间完成,从而可大大加快矢量场可视化的速度.基于六面体体元的数据处理方法就是将流场数据全部分割成六面体体元,这种方法,对于规则数据网格和结构化的不规则网格显然是很方便的,可直接得到.首先将物理空间任意六面立方体映射成计算空间(ξ,η,ζ)上的单位正方体如图3所示,通过参数映射关系,建立物理空间立方体内任一点(x,y,z)与(ξ,η,ζ)空间映射点(ξ1,η1,ζ1)的数学关系式.采用Newton迭代法求解非线性方程组,得(ξ1,η1,ζ1)坐标值.b.非网格节点上数据的求取.对于非结构化网格及散乱数据场,则可通过重新采样,用规则网格对该数据场进行划分,非网格节点上数据即网格结点邻近场值点或六面体内的点,由插值法得到.3.2 流场映射矢量数据映射的目的是将预处理后的矢量数据转化为可通过图形予以显示的几何数据,这是矢量场可视化的核心.由于目前还没有一种直观的、普通认同的三维矢量场是映射方法,因而三维矢量数据的映射一直是三维矢量场可视化研究的热点所在.a.点图标方法.点图标是最简单最直观的矢量场数据映射方法,实现起来非常容易,绘制速成度也快.点图标中用得最多的是箭头,其他还有锥体、有向线段等多种表示.本课题在研究流场的过程中采用二维箭头法实现炉内流场可视化,箭头可以较好地反映出流场的方向和大小信息.b.三维空间流线方法.基于流函数构造矢量线的方法:以流场中流函数的概念为基础,将一单元内离散定义的流体转换成由两个三维对偶流函数表示的流体,流线即为这两个流函数的交线.每一组流函数的一个常数解对应着一条流线.由于这一跟踪过程是质量守恒的,无需按步长积分,因而避免了数值积分导致的误差,具体实现时,设流线为两个面f和g的一条交线:f=f(x,y,z),g=g(x,y,z).对每一流线穿过的单元,计算出该单元矢量的流函数f和g,构造fg图(见图3).在fg图中,由f和g构成的域表示三维矢量空间的流函数值域,将单元的每个结点都映射到fg图上,从而使三维空间中的矢量场转化为二维空间的fg图表示,在该单元对应的fg图上确定该单元的人点位置,并在fg图上找包含这个点的两个面,其中一个为入面,一个为出面,因而所包含的这个点也就是对应流线的入点和出点,取(fg)到(x,y,z,)的逆变换就可求得出点的位置,也就是下一单元入点的坐标(见图4).图3 六面体单元物理空间与规则的计算空间的转换Fig.3 TransformbetweentheHexahedronunitphysicsspaceandthetherule`scalculationspace图4 流箭头Fig.4 Arrowheadflow  流函数法优势体现在:(1)生成速度快;(2)精度高,因为它满足质量守恒;(3)流函数本身是一个很好的流面构造工具,可用等值面方法生成.这种方法更为重要的意义在于提供了一种将矢量场转化为标量场处理的新思路.4 可视化过程实现利用VisualC++的编程及Windows内部应用程序接口,可以高效、快速地开发出功能强大,图形界面丰富的应用软件,因此,本可视化系统在Windows平台上采用VC++编程实现.炉内流场二维可视化结果如图5所示.图5 流场可视化结果Fig.5 Thevisualizationresultofflowfields5 模拟结果分析图5是对数学模型进行初步简化后,并截取分解炉的中轴面而生的成,具有一定的代表性.由图5可以看出在主流区,轴向速度沿轴向是逐步增加的,增加幅度为:近分解炉的入口段增加得较快,到炉长0.3倍时,最大速度比入口气速增加了16%左右,以后增势渐减,这主要是因为生料分解,煤粉燃烧生成的CO2气体并入主流及温度升高、气体膨胀的缘故.回流区细而长,回流区内最大回流速度为1m/s左右.之所以产生这种情况,主要是因为在炉的入口附近.粉煤燃烧产生的高温使气体急剧膨胀,挤压回流区及生料反应生成的气体综合作用的结果,同时气体的粘度增加也会减弱回流效应.分解炉流场可视化方法研究@吴飞$武汉理工大学机电工程学院!湖北武汉430070科学计算可视化;;分解炉;;数值模拟;;流场论述了运用科学计算可视化方法对分解炉炉内温度场进行研究的过程,首先建立了分解炉内气固两相流动,煤粉燃烧,CaCO3分解过程的数学模型及相应的数值解法思路.并介绍了建立炉内二维温度场和三维温度场的可视化技术方法.[1] 陈全德,崔素萍.水泥预分解技术与热工系统工程[M].北京:中国建材工业出版社,1997. [2] 周力行.两相流动与燃烧的数值模拟[M].北京:清华大学出版社,1991. [3] 顾大公.分系列预分解炉(SLC)的数学模型[J].水泥,1990,(2):3844. [4] 赵蔚琳,李兆峰.FLS分解炉二维流场的数值模拟计算[J].工业锅炉,2002,(2):4547.

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