煤灰颗粒对圆管磨损及传热耦合的直接数值模拟

摘要

近些年来，气固两相流在许多工程技术领域中有着十分重要的应用。应用领域之一的燃煤电站锅炉，其烟气中挟带的飞灰粒子会对烟流道的金属表面产生严重磨损，这也是换热器表面较易产生腐蚀、堵塞和结垢的原因，这些现象均会导致锅炉运行寿命显著下降。为了防止磨损对换热器壁面产生严重的损坏进而给机组正常运行带来威胁，而预测研究磨损又具有较大的工业应用意义，所以预测研究磨损成为大家十分关注的课题。基于国内外研究现状，数值模型对换热器表面圆管进行研究具有可行性，而采用直接数值模拟对换热器壁管进行的碰撞和磨损研究存在尚少。在本研究中我们采用直接数值模拟的方法，研究结果对工程设计具有一定的指导意义。
　　本文的流场使用直接数值模拟计算方法，流场和圆管的耦合使用内嵌边界方法并结合多重直接力来求解，颗粒轨道使用拉格朗日轨道模型并考虑流体和颗粒之间的双向耦合。采用Fortran语言编程，导入初始条件、物性参数、模型算法，使用并行MPI库进行模拟求解。与之前相关研究不同之处在于，本文采用了新的磨损模型——日本广岛大学研究者Okaetal.等人在实验基础上提出的适用于任何材料，任意撞击角度和撞击速度的磨损模型。此外，本文还进一步考虑了温度场对磨损的一些影响，结合颗粒点源模型，计算研究了槽道中不同尺度煤粉颗粒流过圆管表面时对圆管的磨损情况及相同初始流场条件下，两根圆管以不同节距比，不同相对角度下，该磨损计算模型的计算结果和分析，对工程指导具有十分重要的意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 气固两相流之间的相互作用力

1．3 颗粒对固体壁面磨损的背景意义及研究现状

1．3．1 磨损的分类

1．3．2 冲蚀磨损

1．3．3 冲蚀磨损的影响因素

1．3．4 冲蚀磨损的研究现状

1．4 内嵌边界方法

1．5 本文各章节的主要内容

2 数值计算方法

2．1 引言

2．2 物理计算区域

2．3 计算方法

2．3．1 控制方程

2．3．2 煤灰颗粒与圆管的碰撞模型

2．4 小结

3 煤灰颗粒对单个圆管的磨损

3．1 引言

3．2 冷态的磨损模拟结果

3．3 热态的碰撞磨损

3．4 常温态与热态磨损模型的对比

3．5 小结

4 横向排列的双圆管磨损模拟

4．1 引言

4．2 流场颗粒分布和流动特征

4．3 横向排列的两圆管的碰撞磨损

4．4 小结

5 纵向排列的双圆管磨损模拟

5．1 引言

5．2 流场颗粒分布和流动规律

5．3 纵向排列的两圆管的碰撞磨损

5．4 小结

6 错列布置的双圆管磨损模拟

6．1 引言

6．2 纵向排列的两圆管的碰撞磨损

6．3 小结

7 雷诺数和颗粒大小对双圆管模型的碰撞磨损的影响

7．1 引言

7．2 计算结果分析

7．2．1 不同Re数时的模拟分析

7．2．2 不同Re数下的两圆管的碰撞磨损

7．2．3 不同St数时的模拟分析

7．2．4 不同St数下的两圆管的碰撞磨损

7．3 小结

8 全文小结与展望

8．1 本文主要工作和小结

8．2 展望

参考文献