Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время в энергетике при производстве тепловой и электрической энергии доля угля в структуре ресурсов толлива составляет примерно 26%, и наблюдается устойчивая тенденция сохранения, а в более отдаленной перспективе и увеличения доли угля в энергобалансе страны. Особенностью большинства энергетических углей является их невысокое качество (высокая зольность, пониженная теплота сгорания и реакционная способность), что требует существенного улучшения методов сжигания. Одновременно все большее значение приобретают экологические факторы, и поэтому проблемы снижения вредного воздействия промышленных установок на окружающую среду выдвигаются на одно из главных мест при разработке новых и модернизации существующих энергоустановок. Эффективное решение возникающих при этом проблем невозможно без качественного повышения уровня знаний о физико-химических процессах, протекающих при сжигании пылеуголь-ного топлива. Необходимая разработчикам технологических устройств информация может быть получена из экспериментальных исследований на лабораторных и натурных установках или в результате численного моделирования.
В последние годы наметилась тенденция смещения интересов теплофизиков-исследователей от физического моделирования к численному. Однако, количество работ, посвященных моделированию процессов горения в реальных технологических аппаратах, крайне ограничено. Основные сложности, возникающие при математическом моделировании процессов горения в пылеугольных потоках связаны с турбулентным характером течения, двухфазностью потока и протеканием гомогенных и гетерогенных химических реакций. Поэтому крайне актуальной является задача построения эффективных математических моделей, описывающих химически реагирующие турбулентные дисперсные потоки, и развития методов расчета.
Цель работы
Целью работы является построение математической модели для опи-
сання гидродинамики и теплообмена ь турбулентных гиюдиспсрсных потоках с горящими угольными частинами, разработка комплекса программ и проведение численных расчетов течений в свободных пыле-уголышх факелах и камерах сгорания.
Научная новизна
-
Разработана математическая модель, описывающая совокупность процессов гидродинамики, тепломассообмена, переноса излучения и горения в турбулентных газодисиерсных потоках. Модель построена на основе континуального эйлерова подхода для описания характеристик как несущей, так и дисперсной фаз н включает уравнения баланса турбулентной энергии газа, скорости диссипации турбулентной энергии газа и пульсационной энергии частиц.
-
На основе выполненных численных расчетов получены новые результаты по влиянию размера и концентрации частин, а также степени закрутки потока на параметры течения в прямоточных и закрученных факела*, на размеры зон рециркуляции, нульсационныс характеристики потока и поведение дисперсной примеси в прямоточных и вихревых камерах сгорания.
-
Получены новые численные результаты по влиянию состава и степени помола пылеугольного топлива на процессы выхода летучих, воспламенения и горения. Впервые расчетным путем исследовано влияние подсветки природным газом на процесс воспламенения топлива с малым содержанием летучих (Донецкий АШ).
Обоснованность научных положений и результатов исследования При выполнении работы особое внимание уделялось тестированию модели путем проведения расчетов некоторых хорошо изученных одно-и двухфазных течений. Для большинства приведенных в диссертации результатов численных расчетов проведено сравнение с имеющимися в литературе экспериментальными данными, хорошее совпадение с которыми показывает адекватность предложенной математической модели. Подтверждением корректности математической модели и конкретных результатов но гидродинамике, теплообмену и химическому реагированию газодисиерсных турбулентныч потоков является также сравнение с
приводимыми в литературе теоретическими исследованиями других авторов.
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы заключается в создании математической модели для описаним осредненных и пульсиционных скоростных и температурных характеристик газа и. частиц в химически-реагируюіцих дисперсных турбулентных потоках и разработке на ее основе программ для расчета совокупности физико-химических процессов в турбулентных потоках с горящими угольными частицами. Разработанная модель и программные средства могут быть использованы инженерами и конструкторами при проектировании новых и реконструкции действующих энергоустановок с многофазными рабочими телами, позволяют получать научно обоснованные рекомендации по повышению эффективности функционирования технологического оборудования.
Созданные на основе разработанной математической модели программные комплексы внедрены и используются в следующих организациях: ВНИИЛМ (г.Москва), КБ "Энергомаш" (г.Химки), ТвеПИ (г.Тверь), Electricity De' France (France, Paris), С.-ПбГТУ (г. С.-Петербург), ЭНИС (г.Электрогорск). Работа выполнялась по планам НИР Минтопэнерго, при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты 93-02-15902 и 94-07-61227).
Автор защищает
1. Двухжидкостную математическую модель для описания переноса
импульса и тепла н-химически-реагируюших газодисперсных турбулент
ных потоках.
-
Результаты расчетов турбулентных изотермических и неизотермических газодисперсных турбулентных струйных течений.
-
Результаты численного моделирования процессов горения угольной пыли в осесимметричных камерах сгорания.
-
Программы для расчета физико-химических процессов в турбулентных газодисперсных потоках.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции "Проблемы аэродинамики газовоздушных трактов котельных агрегатов" (Барнаул, I9S9); XV Научном совещании по теоре-
тическим и прикладным аспектам турбулентных течений (Таллинн, 1989); научно-технической конференции "Математическое моделирование в энергетике" (Киев. 1990); Int. Syiup- Engineering Problems of Turbulence (Dubrovnik, Yugoslaviya, 1990); VIII Symp. on turbulent shear flows (Munich, 1991); II Минском Международном Форуме но тепломассообмену (Минск, 1992); Первой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, 1994); 4th Int. Conf. and Trade Show CAD/СЛМ and MULIMEDIA (Budapest, Hungary, 1994).
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 155 наименований; объем работы і36 страниц текста, иллюстрирована 58 рисунками.