книги / 464

где ρK – плотность коксового остатка, кг/м³; KsC – скорость горения угле-

рода, кг/(м2·с); αк.кин – константа скорости химической реакции, м/с; αк.диф – коэффициент массообмена, коэффициенты скорости реагирования, м/с;

αк – суммарная константа скорости реакции, м/с.

Алгоритм решения

Решение рассмотренных моделей с помощью численных методов состоит из последовательности шагов (итераций). Сходимость считается достигнутой, если будет выполнен следующий критерий:

где δu, δv, δw – изменения скорости на каждой итерации при решении уравнений количества движения; Uref – характерная скорость течения; p′ – поправка давления на итерации.

Общая процедура расчета представлена следующей последовательностью операций:

1.Задание начального поля давления p.

2.Решение уравнений для получения промежуточных значений ско-

рости u*, v*, w*.

3.Решение дискретных аналогов уравнений для получения k, ε и уравнений для Ym и h, ER.

4.Определение эффективной вязкости.

5.Решение уравнения для поправки давления p′ и корректировка поля давления p = p* + p′.

6.Вычисление поправок скорости.

7.Корректировка компонент скорости по уравнениям

u= u* + u′, v = v* + v′, w = w* + w′.

8.Корректировка плотности на базе уравнения состояния.

9.Представление скорректированного p как нового p*. Если условие сходимости не выполнено, то возврат на п. 2, пока не будет достигнута сходимость.

11

10.Расчетдвиженияивыгоранияпылеугольноготопливаиокислителя.

11.Корректировка источниковых членов в уравнениях энергии и концентраций. Если условие сходимости не выполнено, то возврат на п. 2, пока не будет достигнута сходимость.

12.Постпроцессинговая обработка данных для получения информации о динамике шлакования.

13.Постпроцессинговая обработка данных для получения информа-

ции об образовании NOx.

В результате расчета получается поле чисел, характеризующее распределение исследуемых величин в объеме и на стенах топочной камеры.

Вобъеме вычисляются температуры, концентрации компонентов газа, концентрации исследуемых фракций угольной пыли, траектории движения отдельных угольных частиц. На стенах топочной камеры вычисляются температуры, тепловые потоки, места и уровни вероятного шлакования.

РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

Построение геометрии топочной камеры и расчетной сетки

Запускаем программу SigmaFlame.exe. Появляется оболочка программы (рис. 1).

Рис. 1. Оболочка программы SigmaFlame

Рис. 2. Создание нового проекта

Для создания нового проекта открываем вкладку «Проект» и нажимаем кнопку «Новый» (рис. 2).

12

Для построения геометрии и расчетной сетки нажатием кнопки «Сетка» (рис. 3) открываем построитель геометрии, таким образом перехо-

дим к программе FurnaceDesigner.

Открывается окно визуализации с инструментами построения геометрии. Нажатием на пункт «Низ» открывается окно, в котором задаются параметры нижнего сечения топки (дна холодной воронки).

Например, «Отметка по высоте» задаем равной 5,4 м, считая, что на такой высоте от нулевого уровня находится низ холодной воронки топочной камеры. Задаем размеры стен низа холодной воронки, в данном случае ширина задней и передней, левой и правой стенок основания холодной воронки равны 1,23 м.

Рис. 3. Запуск программы построения геометрии и сетки

Рис. 4. Задание верха топочной камеры

Далее для построения сечения верхней части холодной воронки нажатием правой кнопки мыши в той части окна редактора топок, где находятся пункты «Верх» и «Низ», добавляем новое сечение (рис. 4). Прописы-

13

ваем размеры топочной камеры: ширину стен и отметку по высоте (уровень, на котором заканчивается холодная воронка). Задаем размеры и координату по высоте для верхнего сечения топочной камеры, то есть уровень потолка топки. Для этого мышкой выделяем «Верх» в окне редактора топок и задаем значения по вышеописанной схеме. Ширина стен топочной камеры равна 18,472 м, отметку по высоте топочной камеры задаем 100 м, в результате получаем каркас топочной камеры (рис. 5).

Рис. 5. Каркас топочной камеры

Далее приступаем к созданию горелок и сопел. Для этого выбираем закладку «Горелки» в окне редактора. В левой части окна правой кнопкой мыши добавляем ярус. На ярус добавляем горелку, которую собираем из круглых и прямоугольных каналов. Каждой присваиваем положение в топке и координаты центра относительно яруса. Для этого выделяем мышкой горелку и слева внизу редактора топок описываем ее свойства. Выбранное положение – фронт, то есть горелка будет находиться на фронтальной стенке топочной камеры. В меню «Координаты центра» яруса по высоте задаем 20,2 м, это центр горелок первого яруса. Расстояние от центра – это расстояние от центра топки до центра горелки по горизонтали. Примем его равным центру топки – 0,0 и относительно него будем записывать координаты составляющих частей горелки. Каждая горелка имеет несколько прямоугольных или круглых каналов. Для каждого канала нужно задать свойства. Эти свойства включают поток, который задается в параметрах задачи

14

и привязывается к данному каналу. При необходимости можно задать долю потока, углы и крутку. По умолчанию векторы скорости направлены по нормали к плоскости входа (рис. 6).

Рис. 6. Запись размеров и координат круглого окна горелки

Рис. 7. Составная горелка первого яруса

Составная горелка изображена на рис. 7. Остальные горелки, а также восстановительные горелки, сопла третичного дутья и выход из топки создаются подобным образом.

15

Рис. 8. Расчетная сетка

Рис. 9. Описание задания выхода из топочной камеры

16

Осталось наложить на объект расчетную сетку. Для этого открываем инструмент «Сетка». Рассмотренный в качестве примера объект состоит из двух блоков. Внизу окна конструктора сетки задаем «Общее» – число необходимого количества ячеек сетки по осям X и Y. После нажатия кнопки «Общее» в столбце «Ячейки» напротив поля «Блоки» появляется разбиение на ячейки сетки для каждого блока, которые можно редактировать отдельно в каждом блоке. Для примера построим расчетную сетку, состоящую из 15 ячеек по координатам Х и Y и 50 ячеек по координате Z. Первый блок (холодная воронка) состоит из 5 ячеек по Z координате, а второй – из 45 ячеек по Z координате (рис. 8).

Область выхода из топочной камеры задается так же, как и горелка: выбором пункта «Добавить, прямоугольный выход» в выпадающем меню на вкладке «Горелки» (рис. 9). После того как сетка построена, нужно закрыть окно построения геометрии. Сетка и параметры горелок сохранятся в проекте.

Задание параметров задачи

Из оболочки программы SigmaFlame (рис. 10) открываем редактор параметров задачи.

Рис. 10. Оболочка программы SigmaFlame

Открываем пункт древовидного меню «Потоки» и задаем параметры по потокам (рис. 11). В пункте «Пылегазовоздушные смеси» задаются характеристики подаваемого сушильного агента (расход, температура и состав) и характеристики потока угольной пыли (расход, температура, размер сита, коэффициент полидисперсности и остаток на сите). Также необходимо задать набор фракций. Доля данных фракций может определяться как через остаток на сите, так и через задание конкретных значений долей данных фракций. Для этого в выпадающем меню «Сито» необходимо выбрать тип задания (рис. 11). При необходимости можно задавать несколько пылегазовоздушных смесей. Для этого выделяем «Пылегазовоздушные

17

смеси» и нажимаем «Добавить». Появится еще один поток. Также можно удалить ненужные потоки с помощью кнопки «Удалить».

Рис. 11. Задание фракционного состава

Далее задаются потоки воздуха, газы рециркуляции и горючие газы со своими характеристиками. При необходимости их также может быть несколько. Газы рециркуляции могут состоять из четырех компонентов: N2, O2, CO2, H2O. Сумма объемных долей должна быть равной единице.

Горючие газы состоят из горючих компонентов (CH4, C2H6, …), CO2, N2 и при наличии дополнительных компонентов в исходных данных для баланса их необходимо добавить в «другие» (рис. 12).

В «Теплопередаче» задаются температура среды в экранах топочной камеры, степень черноты экранов и коэффициент теплопередачи (рис. 13). Коэффициент теплопередачи связывает плотность воспринятого теплового потока и разность температур пароводяной смеси и тепловоспринимающей поверхности топки:

q = α(Tw −T∞),

где Tw – температура тепловоспринимающей поверхности топки; T∞ – температура пароводяной смеси; α – коэффициент теплопередачи, Вт/К·м2.

18

Рис. 12. Задание горючих газов

Рис. 13. Задание параметров теплопередачи

19

В пункте древовидного меню «Свойства угля» задается истинная плотность угля, степень черноты, низшая теплота сгорания топлива и доля азота при выходе летучих (рис. 14). Также задается элементный состав топлива в рабочем состоянии.

Рис. 14. Задание характеристик топлива

Рис. 15. Задание параметров для модели

20