空心圆柱蓄热体充填蓄热室动态传热与气体流动特性数值模拟研究

摘要

高温空气燃烧技术(High Temperature Air Combustion，简称HTAC)，是20世纪90年代以来各国开始普遍推广应用的一种全新燃烧技术，能够实现余热资源的深度回收和燃烧废气的低NOx排放，被誉为21世纪关键技术之一，在国内外有着广阔的应用前景。
　　 本文简述了HTAC技术的原理、特点及发展应用情况，介绍了HTAC的关键技术之一蓄热技术的发展情况和研究现状。针对蓄热技术中的关键部件——蓄热体的蓄热换热性能，作了重点研究。通过对比目前常用蓄热体的性能，提出将拉西环作为蓄热元件用于蓄热室的技术构想，探索拉西环蓄热室的蓄热换热规律及气体流动特性。并考虑到拉西环为高径比为1的空心圆柱，其自身尺寸的不灵活限制，在研究及建模过程中，逐步将拉西环考虑为一般意义上的空心圆柱。
　　 由于整个蓄热室内的蓄热换热过程是一个相当复杂的三维非稳态综合传热过程，且受到实验设备、检测手段等的限制利用理论分析和实验研究的方法来研究这一问题将会非常困难，所以本文应用数值模拟方法，根据实际应用情况建立不同模型，完成不同工况下蓄热室传热与气体流动特性的模拟研究。主要研究工作如下：
　　 一、从散堆拉西环蓄热室的宏观传热入手，建立薄壁模型，对散堆拉西环蓄热室的热工特性进行数值模拟研究，分析了换向时间、气体流速、蓄热室尺寸等相关因素对温度分布、热回收率的影响规律。
　　 二、根据散堆拉西环蓄热室床层特征，构建多孔介质模型，模拟了散堆拉西环蓄热室三维非稳态传热与气体流动特性。通过蓄热室启动过程分析，观察蓄热室从启动到达稳定工作状态的过程，并提出一种预估最佳经济换向时间的方法。为了得到蓄热体段良好的温度场与流场分布，优化了蓄热室结构，对不同渐变段角度的蓄热室模拟结果进行了对比分析，给出其反映温度场及流场诸多现象的可视化结果。
　　 三、研究由单个拉西环到集成整砌空心圆柱蓄热室在蓄热换热过程中的动态传热和气体流动特性。对集成整砌空心圆柱蓄热室的四种工况进行建模研究，逐步优化物理模型。对比分析了YC(圆柱形错砌空心圆柱蓄热室)与FZ(立方形正砌空心圆柱蓄热室)的温度场与流场分布，得出FZ的综合性能较优，给出了接近实际应用情况的FZ微型蓄热室蓄热换热动态变化过程及速度场、压力场分布的可视化结果。模拟结果显示的蓄热体因温度分布不均而易热震损坏的情况，与实际相符。
　　 本文根据蓄热体堆积方式、蓄热室结构特点建立的几种不同模型及其解法，为蓄热室相关的数值模拟提供了不同的研究思路。模拟结果与实际物理现象或应用情况较为相符，所建模型具有一定的可信度和通用性，可以通过改变各种初始条件、结构参数、物性参数等模拟不同的工况。反应温度场及流场诸多现象的可视化结果对实际工程应用有借鉴作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1节能减排的重要意义及新技术

1.2 HTAC技术概述

1.2.1高温空气燃烧技术的原理

1.2.2高温空气燃烧技术(HTAC)的特点

1.2.3高温空气燃烧技术(HTAC)的发展应用

1.3 HTAC的关键技术——蓄热技术介绍

1.3.1蓄热的分类及特点比较

1.3.2蓄热技术应用的关键部件——蓄热体

1.3.3蓄热燃烧系统的技术难点

1.4蓄热体与蓄热换热技术的发展及研究现状

1.4.1关于蓄热体的研究

1.4.2关于蓄热换热理论的研究

1.5拉西环概述

1.5.1拉西环的发展及其发展背景

1.5.2拉西环的相关几何特性参数

1.5.3拉西环的性能特点

1.6本文的研究意义及主要研究内容

第二章散堆拉西环蓄热室热工特性的数值模拟

2.1散堆拉西环蓄热室的数学建模及模型假设

2.2数学模型

2.3定解条件及所选工况主要参数

2.4蓄热室热工特性评价指标及重要参数的计算

2.4.1蓄热室热工特性评价指标的计算

2.4.2数学模型中重要参数的计算

2.5数值计算过程

2.6数值计算结果及讨论

2.6.1对此计算模型的应用验证

2.6.2不同时刻蓄热体及气体的温度分布

2.6.3拉西环蓄热室换向时间对温度及效率的影响规律

2.6.4气体流速对温度及效率的影响规律

2.6.5蓄热室长度对温度及效率的影响规律

2.6.6气体出口均温随换向时间的变化与其极值温度的关系

2.7本章小结

第三章散堆拉西环蓄热室三维非稳态流动与传热数值模拟

3.1 CFD软件概述

3.2 FLUENT软件简介及求解基本流程

3.3模型的初选及优化

3.4物理模型的确定及网格划分

3.5流动与换热控制方程组

3.6本节多孔介质模拟，所需相关问题设定

3.7计算所需主要参数设置

3.8定解条件

3.9数值计算过程

3.10数值模拟结果及分析

3.10.1启动过程分析

3.10.2一种预估最佳经济换向时间的方法

3.10.3渐变段角度45°，换向时间39s的模拟结果及分析

3.10.4改变渐变段角度为60°的模拟结果及对比分析

3.11本章小结

第四章单个拉西环传热性能与气体流动特性的数值模拟

4.1几何模型及网格划分

4.2所选工况与相关物性参数

4.3流动与换热控制方程

4.4定解条件

4.5数值计算过程及相关设置

4.6数值模拟结果及其讨论

4.6.1温度分布

4.6.2速度分布

4.6.3压力分布

4.7本章小结

第五章集成整砌空心圆柱蓄热室动态传热与气体流动特性数值模拟

5.1模拟工况及相关说明

5.2 YC与FZ流动与传热的数值模拟及结果对比

5.2.1网格划分及截面设置

5.2.2边界条件及数值计算过程

5.2.3数值模拟结果及其讨论

5.3考虑渐变段、增加蓄热体数目到11×11个FZ的数值模拟及分析

5.3.1蓄热室模型、网格划分及截面设置

5.3.2数值模拟结果及分析

5.4本章小结

第六章全文总结与展望

6.1本文的主要结论

6.2未来工作建议与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文