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fluent炉膛仿真教程文档
炉膛仿真过程及其其中的问题
一、（Gambit）几何建模部分
1.大体尺寸
在本次设计中，（实际标高-5=图中的标高）锅炉的尺寸为：
锅炉高度为26890mm，宽度为7570mm，深度为7570mm。
燃烧器的高度为2.105m，最底层的燃烧器低端距冷灰斗距离为2.1775m。
采用四角切圆（顺时针切圆，假想切圆直径0.8m）的均等配风燃烧方式。
其中一次风2层，二次风3层。
由低到高燃烧器风口布置依次为二、一、二、一、二。
燃烧器宽度为0.4m，一次风口高度0.2405m，二次风口高度0.352/0.315m，风口间距为0.21/0.12/0.155m。
2.简化处理
将水冷壁简化成一个恒温平面；
将燃烧器简化成一个平面，各次风口为平面中的一个矩形区域，作为速度入口；
忽略屏式过热器，将折焰角上方与水平烟道相连结的平面作为出口（outflow）。
3.几何建模过程及网格划分
为了方便锅炉的网格划分，我们将整个计算域划分为5个区域：
冷灰斗下端至燃烧区域下端、燃烧区域、燃烧区上端至折焰角下端、折焰角区域、折焰角上端至炉膛出口。
3.1点线面的生成
几何建模的方法通常可以是自下而上的，即先生成体的各个点（通过坐标确定位置）；将生成的点依次连接成线；将线围成体的各个面；最后将面组合成一个实体。
当然建模时也可以通过设置实体（面）的长宽高（长宽）直接生成。
3.2实体分割
块的划分方法如下：
先产生一个面，并将该面平移至该实体要切割的位置，splitvolume选卡中，splitwith选择face（real），然后选中要切割的实体（对应splitvolume中的volume）以及用来切割这个体的面（对应face栏）（注意：
在切割时需要选中Connected，保证切割产生的两个体之间的面是公共面，而不是两个重合的面。
因为公共面可以通过物质和能量，而重合的面不加定义时是wall），最后点击APPLY确定。
根据这种方法，我们可以在Z方向将燃烧区分为很多层，方便以后设置一、二次风入口的边界条件。
同时，在xy平面内燃烧区被分为8份，如图所示：
3.3网格划分
网格划分的最后记结果如图所示：
这种网格的特点是：
四个角的地方网格比较密，而中间网格比较稀疏。
同时网格线的方向与流动合速度方向重合度比较高。
这样的网格划分可以很好的抑制伪扩散的发生。
这种网格的划分步骤如下：
在将区域分块的基础上对实体按照线、面、体的顺序进行依次划分。
Edge的划分：
为了形成这种对称的网格，我们需要对edge进行划分，如图所示：
其中，softlink采用maintain形式，Spacing选用Intervalcount（划分数目）。
在本设计中，将每条线均分为30份，即ratio为1，intervalcount为30，其他保持不变。
Face的划分：
由于前面对每条边进行了划分，所以对面的网格划分就只需要设置网格的形式和类型如图所示：
其中，Elements采用Quad形式，Type采用Map形式（映射成结构化网格）。
此时不需要对Spacing进行设置了。
Volume的划分：
对volume的划分，我们采用Cooper（制桶）方式。
采用这种划分方式时，有一点需要注意，就是上下两个Face的网格划分要完全一样，也就是说组成Face的Edge的划分也要一样。
如图所示：
其中，Element采用Hex/Wedge形式。
Sources表示需要选择制“桶”的上下两个面。
Intervalcount表示两个面之间划分的数目。
本设计中，根据风口和墙面的高度进行划分，每个网格高度在0.1m左右。
最后依照上面的方法和步骤对燃烧区的每一层进行这样的网格划分。
对于除了燃烧器区的其他区域的网格划分，要求就比较低一些了。
对我们依旧采用COOPER的方式对体进行划分。
不过其他地方的Sources是沿y轴方向的两个面（燃烧器区域的sources是沿z方向的）。
最后的网格为：
冷灰斗30*30*30；燃烧器30*30*8*（3+2+3+1+3+1+3+2+3）；燃烧器上端至折焰角：
50*50*66；折焰角：
50*50*16；折焰角上方：
40*50*40。
最后网格数目大概在480000个，其中燃烧器区域网格为151200个。
3.4交接面处的处理
在划分计算域的时候会涉及到interface的设置。
在燃烧区的上下两个端面，我们需要分别将这个面与其相重合的那个面设置成一对interface。
因为燃烧器区与相邻的两个实体并不是通过分割而来，是3个独立的实体，为了能让物质和能量通过该重合的面，需要通过设置interface来实现，如图所示：
由于燃烧器区域上端的xy平面被划分为了8块，所以需要将这8个面一起设置为interface11，然后将与燃烧器区上端重合的面设置为interface12。
对于interface21和22的设置和上述一样。
4.边界条件设置
在gambit中需要预先设置边界条件。
将折焰角上方与水平烟道相连接的那个面设置为outflow边界条件。
Interface的设置上面已经说过了，下面我们进行一、二次风入口的设置。
根据燃烧器的结构确定各次风口在模型中的位置，然后将边界条件的Type设置成velocity_inlet（速度入口）。
名字格式为ofa/pa/sa+两位数字，数字前一位表示在xy平面所处的象限，后一位表示自高向低同类型风口的层数。
如图所示：
二、Fluent仿真过程
0.网格导入、Interface设置以及网格检查
在完成Gambit中的工作后，需要将生成的.msh文件导入到Fluent中。
0.1网格导入、检查以及解法器设置
在General中点击Check完成网格检查（网格检查中不能出现网格体积为负数的情况，否则会出错，需要重新进行稽核建模）。
点击ReportQuality进行网格质量检查。
在解法器中选择Pressure-Based、Absolute、Steady的情况。
勾选Gravity，建立重力场（z=-9.81m/s2），设置如图所示：
0.2Interface设置
点击MeshInterfaces中的Create。
在InterfaceZone1中选择interface11，在InterfaceZone2中点选interface12，MeshInterface名称为interface1，点击Create设置完成。
按照同样的方法设置interface2，如图所示：
1.燃料及边界条件参数确定
1.1燃料特性及风煤计算
1.1.1燃料计算
工况
符号
单位
3#T-01
7#T-01
8#T-01
适用标准
全水分
Mt
%
9.1
8.7
8.2
GB/T211-2007
空气干燥基水分
Mad
%
2.53
1.82
2.17
GB/T212-2008
收到基灰分
Aar
%
27.87
33.22
36.39
干燥无灰基挥发分
Vdaf
%
41.01
44.00
39.92
收到基碳
Car
%
51.36
47.50
45.49
DL/T568-1995
收到基氢
Har
%
3.49
3.43
3.09
收到基氮
Nar
%
0.82
0.76
0.72
收到基氧
Oar
%
6.67
6.17
5.86
全硫
St,ar
%
0.69
0.22
0.25
GB/T214-2007
收到基高位发热量
Qgr,v,ar
MJ/kg
20.48
19.18
18.19
GB/T213-2008
收到基低位发热量
Qnet,v,ar
MJ/kg
19.55
18.27
17.36
根据表格，我们将元素分析数据转换成干燥无灰基的挥发分的元素组成。
由于干燥无灰基无水、无灰，故剩下的成分不受水分和灰分的影响，是表示碳、氢、氧、氮、硫成分百分函数最稳定额基准，所以通常选择转换为干燥无灰基来计算。
各种煤不同分析基之间的换算公式为
其中，X0，X分别为某成分原基准与新基准的质量百分数，%；K为换算系数。
收到基与干燥无灰基之间的换算系数为
利用上述公式将煤的收到基转换为干燥无灰基的元素组成，如下表所示，这些数据也是Fluent中计算PDF元素分数所需要的。
PDF中元素分析元素分数
元素
C
H
O
N
元素组成
0.820971
0.055766
0.105757
0.017506
PDF中工业分析分析组分
组分
V
FC
A
M
组分分数
0.2212
0.3329
0.3639
0.082
1.1.2风煤计算
锅炉实际燃煤量
t/h
26.015
设计值
一次风流速
m/s
24.3
设计值
一次风份额
%
28.28
设计值
一次风温
K
303
温风份额
%
64.09
设计值
二次风温
K
600
一次风口面积
m2
4*0.1924
二次风口面积
m2
4*0.4075
注：
由于不知道乏气送粉的位置，将乏气份额归并到二次风中，即二次风份额为71.72%。
根据克拉伯龙方程
和表格数据可知：
标况下一次风速
再根据一、二次风的份额和面积可以得到：
二次风速
根据克拉伯龙方程可知：
实际二次风速
根据煤量，可以知道每个一次风口煤的质量流量：
根据切圆直径和炉膛尺寸可以知道风煤的入口方向：
夹角θ=40.55°；cosθ=0.76；sinθ=0.65.
1.2边界条件设置
现以一次风pa11为例，介绍对流场数据的设置。
在Fluent中BoundaryConditions菜单下找到pa11项目，如图所示。
然后这个风口进行设置。
点击Edit进入设置页面，如图所示。
在VelocitySpecificationMethod选项中选择MagnitudeandDirection（速度大小和方向）；在VelocityMagnitude中填入24.3m/s；
在CoordinateSystem中选择Cartesian（X,Y,Z）笛卡尔直角坐标系，然后在下面依次填入流体流动的方向（X轴为-sin40.55°，Y轴为-cos40.55°）。
在第一象限的风口方向为（-sin40.55°，-cos40.55°）；在第二象限的为（cos40.55°，-sin40.55°）；第三象限的为（sin40.55°，cos40.55°）；第四象限的为（-cos40.55°，sin40.55°）。
在设置湍流参数时，我们选用IntensityandHydraulicDiameter（湍流强度和水力直径）方式。
湍流强度I我们设置成10%，为强湍流状态，水力直径D的设置根据公式设置成0.3m（二次风口的水力直径为0.374m/0.352m）。
在Species选卡中将MeanMixtureFraction设置为0（氧化剂入口），MixtureFractionVariance设置为0，如图所示。
在DPM选卡中将DPBCType设置成reflect（反射）
其他设置保持不变。
依照上面的方法，可以完成对PA和SA流场参数设置。
2.与流动和燃烧相关的模型设置
在Fluent中我们打开Models选项。
在中意菜单中，我们可以设置包括流动、传热、燃烧等方面的模型。
2.1.气相流动模型
本文采用标准k-e双方程湍流流动模型，同时采用标准壁面函数处理近壁面的流动问题，其中的流动参数保持默认参数。
其设置如下：
2.2气相湍流燃烧模型
模拟气相湍流燃烧过程的关键在于如何模化湍流燃烧反应率。
针对扩撒火焰的模型有k-ε-g模型，混合数-概率密度函数模型。
为了减少计算量，采用但混合数PDF模型。
对于煤粉燃烧，我们在Models->Species中选用Non-PremixedCombustion（非预混燃烧）模型，然后再弹出的菜单中进行相关的参数设置，如图所示。
在PDFTableCreation栏目中点击Chemistry选卡。
在StateRelation中选择Equilibrium（化学平衡法），EnergyTreatment中选择Non-Adiabatic（非绝热）形式，StreamOptions选择EmpiricalFuelStream（经验燃料流）。
点击CoalCalculator会弹出对燃料特性进行设置的对话框，根据燃料特性表的中数据，可以设置完燃料工业分析和元素分析的参数。
其中物料的名称为coal-particle，HCV为1.819e+07j/kg，其他的保持默认数值，点击Apply和OK确认，我们可以看到ModelSettings中的数据发生了相应的变化。
如图所示。
点击Boundary选卡将燃料温度设置为303K，氧化剂的温度设置为600K。
点击Table选卡中的CalculatePDFTable进行燃烧的计算。
计算完成后，我们可以点击DisplayPDFTable查看关于煤粉燃烧的数据，如图所示。
计算结果显示燃烧形成的成分有20种，点击Control选卡可以查看成分名称，如图所示。
设置完成后点击Apply和OK。
同时我们可以看出Models中的Species变成了Non-PremixedCombustion模型。
2.3煤粉燃烧模型
煤粉燃烧可分为煤粉预热、挥发分析出和燃烧过程、焦炭燃烧等过程。
在本设计中，挥发分析出模型采用单速率析出模型，焦炭燃烧模型选用扩散-动力控制模型。
在Fluent中首先需要对煤粉颗粒的喷射进行相关的设置。
在Models菜单中点击DiscretePhase，弹出对话框，如图所示。
在Interaction中勾选InteractionwithContinuousPhase（对连续相的影响，但是在仿真时候需要先建立无颗粒相的流场，即在仿真开始时不勾该选项）。
在Trackking选项中，Max.NumberofSteps设置为3000，勾选SpecifyLengthScale，其中，LengthScale设置为0.01m；
在PhysicalModels选项和Numerics选项中的参数和选项均为默认设置。
为了让煤粉能够喷射入炉膛，我们需要进行对颗粒相的设置，点击DiscretePhaseModel中的Injections弹出对话框，如图所示。
点击Create对煤粉颗粒进行参数设置。
以某一次风口进入的煤粉为例，如图所示。
在InjectionType中选择surface，然后在ReleaseFromSurface中选择相应的煤粉喷射地点。
在ParticleType中勾选Combusting（燃烧）。
在设置DiameterDistribution时，可以选择uniform（均匀）形式，当然最好选择rosin-rammler形式。
在PointProperties中设置好速度方向（与空气速度矢量一致）、颗粒直径（1e-06m）、颗粒温度（303K）、质量流量（0.903kg/s）等参数；
在TurbulentDispersion中的StochasticTracking选择DiscreteRandomWalkModel（随机轨道模型），如图所示。
依照上述方法对其他的煤粉喷射源进行参数和模型的设置选择。
煤粉喷射设置完后可以发现Models->Materials选卡中多了CombustingParticle（coal-particle）一项。
接下来我们对这个成分进行相关设置，如图所示。
在弹出的对话框中的Properties中设置DevolatilizationModel（挥发分析出模型）为single-rate（单速率）；同时设置CombustionModel（焦炭燃烧模型）为kinetic/diffusion-limited（扩散-动力控制）；
对于该颗粒相的其他物性参数保持默认参数。
2.3辐射传热模型
炉内的能量主要通过辐射的形式进行传递。
Fluent软件提供了多种辐射模型，在本设计中，我们选用P1模型，如图所示。
在Model中点选P1即可。
P1模型考虑了辐射散射作用，更适用于光学厚度较厚以及几何结构复杂的燃烧设备。
但是该模型也有缺点，包括对来自内部热源的辐射热通量有过高估计的趋势等。
在选用P1模型后，Models中Energy选卡自动开启。
2.4边界条件的设置
在BoundaryConditions中设置Supersonic/InitialGaugePressure为0pascal；一次风入口温度为303K；二次风入口温度为600K；DPBCType为reflect。
墙壁为固定无滑移壁面；热力条件为很稳壁面600K，内部发射率为1，壁厚及生热率均为0；壁面材料为Al（铝）；DPM边界条件数类型BCType为reflect。
其他保持默认设置。
出口边界条件设置为outflow，保持默认设置。
3求解过程（Solution）
3.1SolutionMethods
点选Solution->SolutionMethods。
压力-速度耦合采用SIMPLE格式；
空间离散方法中，梯度采用格林-高斯单元法（Green-GaussCellBased）；
压力采用Standard方法；
其他均采用二阶迎风格式（SecondOrderUpwind）。
3.2SolutionInitialization
初始化方法采用StandardInitialization方法；
初始温度为600K；
其他保持默认参数和设置，点击Initialize完成初始化，如图所示：
3.3求解
在求解时，需要先建立连续相的流场，然后再加入颗粒相耦合修正流场，即在开始时Models->DiscretePhase中不勾选InteractionwithContinuousPhase，迭代100步先建立连续相流场；
迭代完成后，勾选InteractionwithContinuousPhase，其他保持默认设置，然后进行迭代，如图所示：
三、仿真结果中出现的问题
在迭代步数为2670步基础上的仿真结果
1.炉膛内切圆直径与假想切圆直径相差不大，说明有可能迭代步数不够，如图所示：
2.在燃烧器上端至出口的区域内，温度变化不大，所散点图所示：
3.现场测试数据显示乙侧温度都高于甲侧温度，根据经验表明是顺时针切圆；但在仿真中采用顺时针切圆，结果却是乙侧温度低于甲侧温度，标高24.2m处温度情况如图所示：
标高27.5m处温度情况如图所示：
4.各标高所在平面温度等值图
4.1下二次风
4.2下一次风
4.3中二次风
4.4上一次风
4.5上二次风
4.6标高24.2处温度
X=-1.685处
Y坐标（m）温度（K）
-3.785600
-3.63361449.03
-3.48221511.38
-3.33081522.37
-3.17941530.99
-3.0281538.02
-2.87661543.94
-2.72521549
-2.57381553.35
-2.42241557.08
-2.2711560.24
-2.11961562.91
-1.96821565.17
-1.81681567.08
-1.66541568.69
-1.5141570.07
-1.36261571.25
-1.21121572.24
-1.05981573.07
-0.90841573.77
-0.7571574.35
-0.60561574.83
-0.45421575.22
-0.30281575.52
-0.15141575.75
-7.35393e-181575.91
0.15141576
0.30281576.02
0.45421575.96
0.60561575.78
0.7571575.47
0.90841575.04
1.05981574.44
1.21121573.63
1.36261572.61
1.5141571.33
1.66541569.76
1.81681567.85
1.96821565.54
2.11961562.78
2.2711559.53
2.42241555.75
2.57381551.37
2.72521546.33
2.87661540.57
3.0281533.93
3.17941526.22
3.33081517.18
3.48221506.05
3.63361449.11
3.785600
4.6标高27.5处温度
X=-1.467m处
Y坐标（m）温度（K）
-3.785600
-3.63361436
-3.48221491.8
-3.33081501.85
-3.17941509.57
-3.0281515.82
-2.87661520.99
-2.72521525.29
-2.57381528.88
-2.42241531.85
-2.2711534.32
-2.11961536.39
-1.96821538.1
-1.81681539.53
-1.66541540.73
-1.5141541.75
-1.36261542.62
-1.21121543.36
-1.05981544
-0.90841544.56
-0.7571545.04
-0.60561545.46
-0.45421545.85
-0.30281546.22
-0.15141546.56
4.68613e-181546.87
0.15141547.13
0.30281547.3
0.45421547.36
0.60561547.31
0.7571547.13
0.90841546.81
1.05981546.32
1.21121545.62
1.36261544.7
1.5141543.58
1.66541542.22
1.81681540.61
1.96821538.74
2.11961536.59
2.2711534.1
2.42241531.21
2.57381527.86
2.72521523.98
2.87661519.43
3.0281514.04
3.17941507.61
3.33081499.76
3.48221489.7
3.63361435.2
3.785600
四、问题思考
0.Gambit中的几何建模方法和步骤是不是正确（因为从数据看，interface虽然是一个公共面，但在仿真结果中相应的两个面温度数据有偏差）。
1.迭代步数是否不够；
2.模型简化是否合理；
3.近壁面函数设置是否存在问题；
4.对于壁面的恒温为600K的设定是否
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