[发明专利]一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，属于计算机数值模拟技术领域。本发明依据煤粉颗粒间燃烧过程的特点，在计算流体力学软件FLUENT已有数理模型基础上，运用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合编程，耦合用户自定义模型，即煤粉颗粒相互作用模式(颗粒构造形式、颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型)、质量变化保存机制，实现了煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟。经验证，采用本发明中的方法模拟得到的煤粉颗粒温度等信息变化规律与实验数据基本一致，本发明能够真实客观、便捷高效的揭示煤粉颗粒间燃烧过程相互作用机理，为煤粉燃烧技术的改进与优化设计提供有力的理论依据和技术支持。

技术领域

本发明方法属于计算机数值模拟技术领域，更具体地说，涉及一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法。

背景技术

能源是支持社会发展和经济增长的重要物质基础和生产要素，充足稳定的能源供应不仅为工业提供动力，为农业提供保障，推动技术进步，保障国民经济的发展，而且还促进人民生活质量的改善，创造众多就业机会，促进人类社会的发展和进步。而世界经济的快速发展，又促进了能源的开发和利用技术水平的提高，两者既相互促进，又相互制约。煤炭是中国的基础能源，与其他化石燃料相比，煤的储量丰富得多，占我国一次能源构成的比例约为75％，这种比例在长期内不会有很大改变，且由于其价格低廉，煤炭必将仍是未来发电的主要能源。

近几年，随着工业上高效洁净燃煤技术的发展，煤粉颗粒燃烧理论引起了国内外学者的广泛关注，而煤粉颗粒燃烧过程的研究通常是采用计算机模拟方法进行，以计算流体学为理论基础。计算流体力学(CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含流体运动和有热传导等相关物理现象的系统所做的分析。计算流体力学(CFD)的基本思想主要是通过数值计算中的各种离散方法，把描述连续流体运动的控制偏微分方程离散成代数方程组，由此建立该流动的数值模型，再根据问题的具体情况，设定边界条件和初始条件封闭方程组；然后通过计算机数值计算求解这种代数方程组，从而获得描述该流场场变量的某些运动参数的数值解。计算流体力学(CFD)方法可以将理论分析方法与实验测量方法有效地结合起来，既简化了真实流场过程，便于场参数的求解，同时又能保证求解结果的准确性，且与传统实验方法相比具有实验设备占地面积小、实验条件要求简单、实验周期短、占用资金少、结果较准确等一系列优点。通过计算流体力学数值模拟，我们可以较准确的得到煤粉燃烧状况，以及影响煤粉燃烧的主要因素，进而为提高煤粉燃烧热效率，降低单位发电量煤耗提供理论依据。

煤粉燃烧是进行气相输运、均相和异相化学反应等一系列复杂反应的过程，包括水份蒸发、挥发份析出和残炭燃烧。燃烧过程中，煤粉颗粒成分、尺寸和气氛对煤粉颗粒燃烧过程均有着显著的影响。而对煤粉燃烧过程研究的可靠性关键即在于数值模型的建立，数值模型建立的准确性直接影响其能否反映真实的流场运动状态。近年来，国内外学者关于煤粉燃烧过程的研究已较多，如韩国高丽大学Chong Pyo Cho等数值研究了颗粒间间距对煤粉颗粒燃烧过程的影响，美国犹他大学Babak Goshayeshi等运用详细的化学反应动力学数据对单个煤粉颗粒的点火时间进行了研究，然而当前大多数研究者主要集中在对单个煤粉颗粒燃烧过程的研究，而忽视了多个煤粉颗粒间的相互作用对燃烧过程的影响。一般来说，煤粉颗粒由不同粒径组成，因此，不同颗粒尺寸下煤粉颗粒燃烧特性存在巨大的差异。研究也表明，流场中任何一个颗粒对流场的干扰都会间接地影响到其附近的颗粒，同时其本身的运动状态也将受到其附近颗粒的影响，煤粉颗粒间的相互作用机制尤其会对煤粉颗粒的挥发份析出速率和焦炭的异相反应具有较大影响。

哈尔滨工业大学的赵云华等考虑了均匀分布的球形煤粉群外在初始条件如环境温度、气氛浓度等对煤粉着火及燃烧的影响，但其缺乏对煤粉颗粒团内部不同颗粒燃烧之间相互影响的研究，而目前国内关于煤粉颗粒粒径和间距间的相互作用机制对燃烧过程影响的研究也还处于空白，从而不能有效用于指导工业生产中煤粉燃烧技术的改进与优化设计，不能为电站锅炉、高炉喷煤等工业的节能、降耗和减排措施提供便捷、高效的技术支持。

发明内容