基于动网格技术的多工况下换热面灰沉积数值模拟

摘要

在实际电站锅炉中，动力煤燃烧形成飞灰会在换热器表面沉积，从而造成沾污、结渣、腐蚀和磨损等问题，进而会降低传热效率，影响整体运行效率。国内外学者对积灰结渣问题展开了大量实验和模拟研究。本文针对已经进行的一维炉结渣实验，基于动网格技术，对不同工况下的换热面飞灰沉积进行了CFD模拟：不同炉膛温度下结渣过程模拟和不同玉米秸秆掺烧比例下结渣过程模拟。 首先，对灰沉积模拟中用到的动网格方法进行了详细的介绍，并对数值模拟对应的一维炉实验台作了简要介绍。对应流域的网格划分、网格无关性验证和边界条件设置等均有所说明。在使用模型方面，着重对几种飞灰沉积判定模型进行了说明和比较。针对动网格执行中易出现的“负体积”问题，提出了一套动网格轮廓优化的方案，并且应用在后续模拟中。 其次，研究了不同炉膛温度（1473K、1523K和1573K）对换热面结渣过程的影响。利用化学平衡计算处理得到了陕煤煤灰不同温度下的熔融相比例，并将计算结果用于模拟中概率粘附的判定。模拟中考虑了灰渣表面温度的变化和灰渣有效导热系数的影响。结果表明，较高的炉膛温度会引起较高的灰渣表面温度；灰渣有效导热系数随结渣进行近乎线性增加；三种炉膛温度工况下的沉积效率分别为59%、68%和80%，大颗粒更倾向于在迎风面发生沉积；模拟计算得到的灰渣外形和灰渣换热特性和实验值较为接近。 最后，研究了不同玉米秸秆掺烧比例（0%、5%和10%）对换热面结渣过程的影响。利用化学平衡计算处理得到了三条神华煤和玉米秸秆掺灰不同温度下的熔融相比例曲线，并将计算结果用于模拟中概率粘附的判定。基于动网格技术，考虑了结渣过程中外形的变化和灰渣表面温度、灰渣有效导热系数的变化。结果表明，三种工况下，100min时沉积效率分别为75%、80%和87%，说明玉米秸秆掺烧的灰分更易于发生结渣；灰渣生长率、灰渣表面温度和热流密度等参数和实验值吻合较好。

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