Введение к работе
Актуальность работы.
При проектировании топок и высокотемпературных теплотехноло-гических установок, при выборе и оптимизации их эксплуатационных режимов требуется информация о параметрах взаимозависимых процессов горения топлива, турбулентного движения газообразных продуктов горения, радиационно-конвективного переноса теплоты, интенсивности нагрева или охлаждения технологического материала. Физическое моделирование таких процессов в большинстве случаев оказывается малоэффективным.
Принципиально новые возможности их исследования создает современное математическое моделирование, предусматривающее применение компьютерных программ для численного решения систем дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих технические задачи. Несмотря на значительные достижения в этой области, методы математического моделирования теплообменных процессов в высокотемпературных промышленных установках развиты недостаточно. В первую очередь это относится к радиационному теплообмену в селективной среде продуктов горения природного газа и в какой-то мере к граничным условиям турбулентного движения газов и конвективного теплообмена.
Излучение водяного пара и углекислого газа, содержащихся в продуктах горения природного газа, характеризуется резко выраженной селективностью по участкам спектра, что требует особого подхода к проблемам радиационного переноса. Именно поэтому разработка методов и алгоритмов численного моделирования радиационно-конвективного теплообмена при горении природного газа выделена в самостоятельную задачу. Область ее применения охватывает достаточно широкий круг теплообменных процессов в топках паровых котлов, пламенном пространстве промышленных печей, камерах сгорания газовых турбин и в других технических устройствах. Современный научный подход особенно важен для исследования тепловых процессов во вращающихся печах, рабочее пространство которых практически недоступно для измерений.
Таким образом, применяемые в настоящее время численные модели и алгоритмы радиационно-конвективного теплообмена не вполне соответствуют уровню сложности теплотехнологических процессов в современных высокотемпературных промышленных установках. Совершенствование методов математического моделирования теплообмена при горении природного газа является актуальной научной задачей.
Цель работы.
Совершенствование методов и алгоритмов численного моделирования сложного радиационно-конвективного теплообмена при горении природного газа.
Задачи работы:
-
обосновать корректную математическую формулировку численной модели турбулентного движения и конвективного теплообмена в неизотермическом потоке газов;
-
усовершенствовать алгоритм дифференциального метода расчета радиационного переноса в селективно поглощающей и излучающей среде;
-
разработать комплекс программ математического моделирования процессов теплообмена при горении природного газа в топке и в промышленной печи;
-
поставить вычислительный эксперимент, максимально приближенный к реальным условиям тепломассообмена при горении природного газа.
Научная новизна работы.
-
Модификация граничных условий к дифференциальным уравнениям движения и конвективного теплообмена для неизотермических газов.
-
Уточнение уравнений и алгоритма двухпараметрической дисси-пативной модели турбулентности.
3. Усовершенствование алгоритмов радиационно-конвективного
теплообмена при горении природного газа.
Используемые методы.
Аналитические преобразования дифференциальных уравнений и математических зависимостей, определяющих граничные условия; метод конечных объемов при дискретизации уравнений математической модели; численное решение дифференциальных уравнений по устойчивым итерационным алгоритмам; вычислительный эксперимент.
Достоверность научных положений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлена корректностью математических преобразований, обоснована использованием результатов фундаментальных исследований в области численных методов. Достоверность математических методов проверена сопоставлением расчетных значений температуры газов в условиях экспериментальной установки с опубликованными результатами экспериментальных исследований, соответствием результатов вычис-
лительного эксперимента эксплуатационным данным. Эффективность алгоритмов доказана их многократной реализацией в разработанных компьютерных программах.
Практическая значимость работы.
-
Выполнена аппроксимация радиационных характеристик водяного пара, обеспечившая достоверность численного моделирования радиационного теплообмена в промышленных печах.
-
Разработан комплекс компьютерных программ математического моделирования сложного теплообмена при горении природного газа в высокотемпературных промышленных установках.
-
Поставлен вычислительный эксперимент, показавший значительное воздействие выталкивающей силы на размеры и форму факела, тенденцию к перегреву клинкера в цементных вращающихся печах «мокрого» способа производства.
-
Комплекс компьютерных программ и результаты вычислительных экспериментов пригодны для использования в научно-исследовательских работах по совершенствованию процессов тепломассообмена при горении природного газа.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных и научно-практических конференциях «Проблемы экологии: наука, промышленность, образование» (Белгород, 2007), «Наука и молодежь в начале нового столетия» (Губкин, 2008), «Образование, наука, производство и управление» (Старый Ос-кол, 2009), «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов» (Белгород, 2010), «Инновационные материалы и технологии» (XX научные чтения, Белгород, 2011), на научно-технических студенческих конференциях (Белгород, 2007, 2008), на научном семинаре кафедры технологии цемента и композиционных материалов БГТУ им. В.Г. Шухова (Белгород, 2010).
Связь с научными программами.
Значительная часть результатов научных исследований, представленных в диссертационной работе, получены в ходе выполнения гранта РФФИ № 08-08-00980 «Экспериментальное и компьютерное исследование процессов и развитие инженерных методов расчета теплообмена в промышленных вращающихся печах», что подтверждает ее актуальность.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из которых 3 в изданиях рекомендованных ВАК РФ по научной специальности диссертационной работы [1, 2, 3]. Программный комплекс прошел государственную регистрацию [14].
Результаты диссертационного исследования получены лично автором, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 103 наименований. Общий объем диссертации составляет 116 страниц, включая 21 рисунок, 3 таблицы.
