煙氣混合流場模擬計算

王永興

(山西國控環(huán)球工程有限公司(原山西省化工設(shè)計院)，山西 太原 030024)

本次研究的管道為加熱爐出口煙氣管道(DN1200)和引風(fēng)機(jī)出口管道(DN2000)兩個管道組成的管系。兩個管道出口處壓力和溫度不同，煙氣流速相差很大，加熱爐出口支管的煙氣流速較大。通過本次研究，從理論上模擬兩股流體的流動情況及混合時兩種流體的流動狀態(tài)，避免引風(fēng)機(jī)出口流體出現(xiàn)反混回流現(xiàn)象，為設(shè)計工作提供依據(jù)。

本次計算主要用到兩個軟件Gambit和Fluent。Gambit主要是通過其GUI(用戶界面)接受用戶輸入的數(shù)據(jù)，從而直接簡單的建立幾何模型、網(wǎng)格化模型形成有限元模型的一個軟件包，它是流體力學(xué)(CFD)計算領(lǐng)域一個重要的建模工具。Fluent本身帶有先進(jìn)的數(shù)值計算方法、各種各樣的的物理模型以及強(qiáng)大的后處理性能，它的數(shù)值計算方法在計算速度、精度和穩(wěn)定性等各方面均有很大的優(yōu)勢，尤其在流體分析計算、熱量傳導(dǎo)和化學(xué)反應(yīng)工程等方面具有特別顯著的優(yōu)勢，因此，這個軟件的應(yīng)用非常廣泛。

1 模擬軟件介紹

1.1 Fluent介紹

目前，在市面上的CFD軟件中，國內(nèi)外備受推崇、使用廣泛、最流行的理論流體模擬計算軟件主要是Fluent軟件。Fluent軟件的理論模擬計算是基于“CFD軟件群”的理念，主要是針對每一種流動的流體的實際物理特征，選擇最為合適的數(shù)值計算方法對問題進(jìn)行模擬求解，因而在計算速度、精度和穩(wěn)定性等各個方面均達(dá)到最為理想的結(jié)果。目前Fluent軟件已經(jīng)被ANSYS收購，作為ANSYS的一個模塊。

Fluent軟件主要有以下幾個特點：(1)Fluent軟件目前采用的模擬計算法為有限元體積發(fā)生，它是基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的一種方法，并且具有基于網(wǎng)絡(luò)單元和網(wǎng)格節(jié)點的梯度算法；(2)Fluent計算軟件可以用于非定常/定常流體流動的模擬，且具有快速的非定常模擬性能；(3)Fluent計算軟件含有動/變形網(wǎng)格劃分技術(shù)，主要用來解決運(yùn)動邊界的問題，在具體使用時僅僅需要給出初始網(wǎng)格劃分和相關(guān)運(yùn)動壁面的邊界限制條件，其剩余的網(wǎng)格變化則完全由計算器自動進(jìn)行生成；(4)Fluent計算軟件網(wǎng)格支持能力十分強(qiáng)大，它支持邊界不連續(xù)的網(wǎng)格劃分、混合網(wǎng)格劃分、動/變形網(wǎng)格劃分以及滑動網(wǎng)格劃分等；(5)Fluent計算軟件還具有多種基于計算解的網(wǎng)格自適應(yīng)的性能、動態(tài)的自適應(yīng)性能以及網(wǎng)格動態(tài)自適應(yīng)和動網(wǎng)格相結(jié)合的性能；(6)Fluent計算軟件包含三種算法：耦合顯式算法、耦合隱式算法、非耦合隱式算法，這種軟件是商用計算軟件中應(yīng)用最多的；(7)Fluent計算軟件包含了豐富而先進(jìn)的湍流計算模型，能夠準(zhǔn)確地模擬處無粘型流、層流、湍流等多種流體形態(tài)。湍流模型包含了Spalart-Allmaras模型組、k-ω模型、k-ε模型、雷諾應(yīng)力模型(RSM)、大渦模擬模型(LES)以及分離渦模擬(DES)等。另外它還可以根據(jù)實際的物理情況進(jìn)行定制或者添加自己需要的湍流模型。

Fluent軟件的優(yōu)點為：

(1)適用面廣。適用范圍很廣，F(xiàn)luent計算軟件含有很多種傳熱燃燒計算模型及多相流計算模型，可應(yīng)用于從可壓縮流體到不可壓縮流體、從低速流體到高速甚至超音速流體、從單相流到多相流、以及化學(xué)反應(yīng)、氣固混合、燃燒等幾乎所有的和流體相關(guān)的領(lǐng)域。

(2)高效省時。Fluent計算軟件可以將不同領(lǐng)域的相關(guān)計算軟件組合起來，成為一個CFD軟件群，這些相關(guān)軟件可以方便的進(jìn)行數(shù)值交換，且采用了統(tǒng)一的前處理、后處理工具和方法，這樣就節(jié)省了科研學(xué)者在計算方法、前后處理、模擬編程等方面投入，節(jié)省了很多寶貴的時間，大大提高了科研的效率。

(3)穩(wěn)定性好且精度高。這種軟件對每一種物理問題，都會針對它的流動特點，選擇適合的數(shù)值計算方法，用戶可以選擇顯式或隱式差分格式計算方法，使得在計算精度、速度和穩(wěn)定性方面均達(dá)到最佳效果。

1.2 Gambit介紹

Gambit是為了建立力學(xué)計算物理模型和網(wǎng)格化形成計算流體力學(xué)(CFD)模型，并且和其它軟件接軌而設(shè)計的一個軟件包。Gambit通過其用戶界面(GUI)來接收用戶的數(shù)據(jù)輸入。Gambit GUI可以簡單、直接的建立物理模型、網(wǎng)格化模型形成有限元模型。

Gambit建模軟件主要具有以下特點:(1)具有建立在ACIS內(nèi)核基礎(chǔ)上全面的三維幾何建模性能，可以通過各種方式，直接或者間接建立點、線、面和體，而且它具有十分強(qiáng)大的布爾運(yùn)算性能；(2)可以自動的對生成的Journal文件編輯，來自動控制、修改或者直接生成新的幾何與網(wǎng)格；(3)建立的模型可以導(dǎo)入PRO/E、CATIA、UG、ANSYS、SOLIDWORKS、PATRAN等大多數(shù)的CAD/CAE軟件。且導(dǎo)入的模型質(zhì)量很高；(4)具有強(qiáng)大的幾何修復(fù)性能，在導(dǎo)入幾何模型時可以自動合并一些重合的點、線、面等；(5)網(wǎng)格劃分能力十分強(qiáng)大，可以輕松的劃分包括邊界層、具有CFD特殊性能要求的高質(zhì)量計算網(wǎng)格；(6)Gambit獨有的六面體核心(HEXCORE)技術(shù)集成了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和笛卡爾網(wǎng)格的優(yōu)點，從而使得網(wǎng)格劃分更加簡單，網(wǎng)格質(zhì)量更高。

2 基本條件

來自加熱爐流量為30000 Nm3/h、溫度為443.15T(170℃)、壓力為5000Pa的煙氣流經(jīng)直徑1.2 m的管道，與來自煙氣引風(fēng)機(jī)煙氣流量為122200 Nm3/h、溫度為393.15T(120℃)、壓力2624Pa的流經(jīng)直徑2m的管道的煙氣混合,混合后的溫度400.15T(127℃)。

2.1 基本數(shù)據(jù)

表 1 基本數(shù)據(jù)

2.2 質(zhì)量流量

引風(fēng)機(jī)出口a質(zhì)量流量:

加熱爐出口b質(zhì)量流量:

說明：煙氣的密度按照空氣密度估算。

3 建立模型及計算結(jié)果

圖1 實際模型

本次模擬使用質(zhì)量流量邊界條件。理由為：針對本課題，在使用CFD理論進(jìn)行模擬計算時，主要使用的邊界條件有壓力入口邊界條件和質(zhì)量流量邊界條件。壓力入口邊界條件有其適用的區(qū)域，比如說典型的浮力驅(qū)動的流動。其具體適用范圍為：壓力已知但是流動速度未知的情況。因此使用壓力入口為邊界條件是不合理的，本項目理論計算采用的邊界條件為：質(zhì)量流量邊界條件。

經(jīng)過計算，得到的速度場、溫度場、壓力場的計算結(jié)果如圖2～6所示。

圖2 速度場模擬結(jié)果

圖3 溫度場模擬結(jié)果

圖4 速度矢量圖模擬結(jié)果

圖5 理論壓力場模擬結(jié)果

圖6 實際壓力場結(jié)果

4 結(jié)論及建議

(1)在建模以及進(jìn)行流場模擬計算的時候，比較充分的考慮了模型的細(xì)節(jié)和各種影響因素，因此分析結(jié)果可靠；

(2)兩股流體混合后，流動情況良好，通過模擬計算，引風(fēng)機(jī)口煙氣流體不會出現(xiàn)回流反混的現(xiàn)象；

(3)所有類焊接焊頭焊后應(yīng)內(nèi)外磨平，應(yīng)對引風(fēng)機(jī)出口管道與加熱爐出口管道連接三通處的應(yīng)力進(jìn)行計算，避免局部應(yīng)力過大。