贵州大方发电有限公司 551600
摘要：电力是现代文明的催化剂，然而燃煤发电在现代能源结构中占据绝对的比重，在我国能源结构中高达75%以上，故而探索热源的温度场、速度场的分布有着深远的意义，通过对温度场、速度场的探究并了解其分布特性，让其指导我们在实际运行中合理地组织燃烧以得到合适温度场、速度场，有效减少炉内结焦、传热恶化、管壁超温爆管等运行事故发生，降低机组“非停”概率，对提高机组运行经济性有着深远的意义。¬¬¬
关键词：数值模拟 几何建模 网格划分 边界条件 迭代计算 温度场 速度场 云图显示
通过多年的运行总结发现，燃煤发电的大部分运行事故都是锅炉引发，或是因垮焦灭火、亦或是因结焦导致管壁超温爆管等。曾经某厂一年就因垮焦灭火34次，单月单机“四管”爆破4次的记录。故通过改变过一、二次风入射角度、强度及风煤配比等手段来合理组织炉内燃烧，改变炉内温度场、速度场分布以改善炉内传热工况。那么通过什么手段来直观的感受炉内温度场、速度场的分布情况呢？这就需要借助计算机数模拟分析计算大道这一目的，通过数值计算绘制出相应的温度、速度云图，从而直观地显示出炉内的温度场、速度场分布情况。基于这点愿望， ANSYS公司的大型通用有限元分析软件能够将这个愿望转为现实。
ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场、声场、力学分析于一体的大型通用有限元分析软件。该软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
前处理模块是一个强大的实体建模及网格划分工具（ANSYS ICEM）。其中自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，自动地生成有限元网格，通过多次分析、估计网格的离散误差，直至误差低于定义的值或达到定义的求解次数后完成网格生成计算。
分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。其中在流体流动、燃烧反应、传热过程中都将运用到ANSYS FLUENT，通过对引入前处理中生成的网格节点上的能量方程、多种流动模型、传热模型、限制边界条件以及各种物性参数的迭代计算（Interations），直至迭代计算残差小于设置的残差， 计算结果收敛，迭代计算完成（Interations Complete）。ANSYS FLUENT模块还可对流体流动（单相流、多相流）、可燃物燃烧、传热等过程进行有效的模拟。程序也可以对稳态和瞬态、线性和非线性热传递进行分析处理。热分析还可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。ANSYS FLUENT流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。然后利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出，如图ansys-01。下面我们就通过一个简单算例直观地体现ANSYS FLUEN软件来在实际工程中的意义。
图ansys-01煤粉在分离器中分离轨迹
在一个1000×10000（mm）壁温为=1200K的圆筒燃烧域内有一股流速，质量流量的煤粉与空气混合气流从中心250mm喷口喷射进入计算域，该喷口圆环面域喷入速度温度的空气, 如图ansys-02。求解该区域内的温度场分布以及燃烧及各产物组分浓度分布？
图ansys-02
首先对该算例进行前处理，使用ANSYS ICEM ICEM建立几何模型，创建该模型的拓扑结构（build diagnostic topology），检查几何容差并创建其Bodys或fluid，设置网格参数后对模型进行网格划分计算，待计算结束后检查网格质量情况，本算例的网格及网格质量如图Ansys-03所示。好的网格质量将对求解器起到至关重要的作用，他将使得fluent求解器求解很快收敛，节约大量时间。以上工作结束后
图Ansys-03
我们选择fluent求解器并导出网格，保存为“***.cas”文件，完成对工程模拟计算的前处理工作。然后进行分析计算。
启动fluent求解器，读入前处理过程中生成的“***.cas”文件并检查网格最小体积为正数，没有负体积，启动Energy-on能量方程、Viscous粘性方程。打开Discrete phase-on离散项模型。选择燃烧反应组分coal-mv- volatiles-air（中挥发性煤）、、O、C。确定反应过程如下:
⑴.mv-vol++O（Volumetric）
⑵.C+（Particle surface）
⑶.C+（Particle surface）
⑷.C+O（Particle surface）
⑸+O（Volumetric）
⑹+（Volumetric）
创建完燃烧反应、设置入口和出口边界条件，输入算例提供的入口、出口以及壁面参数等，设置迭代残差，然后对fluent求解器进行初始化solution initializtion。设置迭代步数后进行大规模数值计算，得到迭代残差曲线如图Ansys-04所示，完成分析计算，接下来对计算结果进行后处理。本算例后处理够得到的温度场、速度场云图及产物组分浓度分布如下图所示。
1、速度云图 2、速度梯度
3、温度云图 4、温度梯度
7、浓度 8、浓度
通过这个算例后处理得到的云图和梯度曲线，能够直观地看出燃烧区域的温度场分布情况，了解高温区所处位置，指导进行有的放矢的运行调整以控制金属管壁超温；观察速度云图或速度梯度找出高速气流区，在此区域采取扰流措施改变烟气流速，减少飞灰对金属管壁磨损来降低锅炉事故，以提高锅炉运行安全性；通浓度分析能直观看出某区域处于还原气氛状态，有针对性地调整该区域的的浓度，控制锅炉结焦；还可以通过对产物组分浓度分析，了解烟气中分布情况，对指导我们采取措施降低浓度，减少烟气脱硝处理耗成本有着重要意义。ANSYS有限元分析软件的其他模块还可以对金属受热膨胀情况、轴流或离心风机内流体流场进行分析，指导控制汽轮机在开机过程中高中压缸、低压缸胀差，合理控制暖机时间节约锅炉启动用油以达到节约机组启动成本的目的；通过对轴流风机内流场的计算、流道流场的计算，了解风机失速、喘振的不稳定工况区，指导运行调整过程中避开此不稳定区，避免造成运行事故。
参考文献
⑴.《ANSYS FLUENT流体分析与工程实例》段中喆 电子工业出版社2015年10月
⑵.《传热学》杨世铭 陶文铨 第四版 高等教育出版社 2006年08月
⑶.《数值传热学》陶文铨 第二版 西安交通大学出版社 2001年05月
论文作者:胡文峰
论文发表刊物:《电力技术》2016年第6期
论文发表时间:2016/10/16
标签：网格论文; 速度论文; 云图论文; 浓度论文; 梯度论文; 流体论文; 模块论文; 《电力技术》2016年第6期论文;