某船用锅炉过热器三维流场数值模拟分析与优化

摘要

过热器是蒸汽锅炉重要部件之一，由于其管束热负荷及受热面积的不均匀，管内蒸汽流量不均匀和管内结垢等影响因素的存在，可能造成锅炉过热器管束局部温度偏高，导致局部超温爆管而影响过热器的正常工作，以致影响整个船舶动力系统的正常运行。
　　针对船用锅炉过热器的结构特点，从理论上分析热偏差的形成原因，研究了导致过热器超温爆管的因素，介绍了过热器壁温计算方法。根据某船用锅炉过热器实际模型，应用Gambit软件建立了过热器外部烟气、内部蒸汽以及管壁的整体1∶1三维模型;应用FLUENT软件选择合适的边界条件，以流体力学基本方程组和Realizable k-ε湍流模型作为数学模型，并添加P-1辐射模型，对过热器整体蒸汽流动与传热进行了三维数值模拟，得到过热器各流程的蒸汽压力、流量和温度，管壁热负荷，辐射所占比重，管壁温度等值的分布规律;并且在此基础上应用热偏差理论，对过热器集箱隔板结构提出改进建议。
　　数值模拟计算结果表明:改进前过热器管壁温度沿蒸汽的流动方向逐渐增大，最高壁温及最大热偏差管同为第二流程中间管排，位于烟道中间位置的管束。此位置支管管内蒸汽流量小，但热负荷大，致使热偏差大，蒸汽温度高，管壁温度高，使其成为最危险的管束，容易产生超温爆管现象。经过改进后的模型计算结果表明，过热器蒸汽温度分布、各支管蒸汽出口温度分布和管壁平均温度分布较为均匀;偏差管的热偏差系数、过热器管壁温度有所降低。改进后模型最高壁温较改进前约低10K，提高了过热器运行的安全性。
　　本文从基础理论出发，针对锅炉过热器超温爆管现象，对某船用锅炉过热器集箱隔板提出改进建议，利用专业软件对过热器整体进行三维数值计算分析。数值模拟结果对船用锅炉过热器的优化设计与事故诊断具有一定的参考价值，同时此种数值模拟方法可以节省大量的人力物力，其在锅炉设计及安全运行中将会得到广泛的应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 概述

1．2．1 集箱静压分布规律的研究

1．2．2 烟气侧热负荷分布的研究

1．2．3 过热器综合热偏差理论的研究

1．2．4 数值模拟等其它方法研究概况

1．3 课题研究的意义

1．4 本课题主要工作

第2章 过热器壁温计算方法

2．1 热偏差理论分析

2．1．1 流量分配不均匀性

2．1．2 烟气侧热力不均匀性

2．1．3 同屏热偏差

2．2 过热器管壁温度热力计算方法

2．3 过热器壁温的数值模拟计算方法

2．4 本章小结

第3章 数值计算方法及数学模型

3．1 概述

3．2 控制方程

3．3 辐射模型

3．4 湍流流动数学模型

3．4．1 湍流的数值模拟方法概述

3．4．2 本文所选用的流动模型

3．4．3 近壁区的流动特点

3．4．4 壁面函数法

3．5 网格划分

3．6 流场数值算法

3．7 本章小结

第4章 锅炉过热器优化设计与模型建立

4．1 过热器爆管原因分析

4．2 锅炉过热器结构

4．3 集箱隔板改进建议

4．4 过热器计算区域模型建立

4．4．1 整体几何建模

4．4．2 过热器模型网格划分

4．5 设置边界条件

4．6 本章小结

第5章 锅炉过热器数值模拟与结果分析

5．1 过热器改进模型数值模拟结果与分析

5．2 过热器原模型数值模拟结果与分析

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢