废热锅炉传热及流场特性数值模拟研究

摘要

在能源储备短缺和环境污染严重的背景下，废热锅炉作为一种回收热量的重要设备，在化工、热动及有余热产生的系统中，应用越来越广泛。与辐射式废热锅炉相比，火管式废热锅炉具有结构简单、容易清洗、可靠性高、使用寿命长的优点，对其结构进行设计和优化有重要的意义。　　由于废热锅炉蒸发器内部复杂流场很难通过现场进行测试，本文通过 CFD数值模拟方法对内部流场进行模拟分析，为其结构的设计和优化提供一些参考。　　本文以天华院提供的废热锅炉为研究对象，使用ICEM软件对废热锅炉蒸发器管外壳侧液态水沸腾空间和管内建立1:1的物理模型并划分结构化网格等前处理；利用Fluent软件对管外液态水的沸腾相变换热结果和管内烟气流动工况进行模拟计算。　　对于管壳侧的沸腾相变工况，选择标准的k-ε两方程湍流模型和Mixture模型作为计算模型，结合 UDF确定沸腾相变的质量及能量传递的源相，建立速度进口边界、压力出口边界及无滑移固体壁面边界，进行非稳态数值模拟，通过分析模拟计算得到的水蒸汽体积分数云图、温度场及压力场，得出：当管壁温度与液态水的饱和温度存在一定的过热度时，管壳侧的液态水在流动过程中，不断与换热烟管产生热传递，并发生沸腾相变，液态水变为水蒸汽，随着液态水慢慢流至出口边界。越靠近中心烟管，换热越良好，液态水越容易沸腾，蒸汽体积分数明显高于锅炉外壁的空间；在换热量基本达到平衡状态，蒸汽体积分数的分布情况趋于稳定，空间内水蒸汽的平均体积分数为0.3左右；以换热烟管轴线为中心起点，向外延伸，混合相的温度呈线性递减趋势，由573K逐渐减小到363K；沿Y轴正方向，压力逐渐减小，在最底部Y=0截面，压力达到最大值2.64×106Pa；靠近出口边界处，由于出口设为常压边界，而锅炉内部为的运行压力的数量级高达106Pa，压力差值较大，导致压力分布不均；水蒸汽的出口管径对含气率的影响很大；液态水的进口水温以及烟管的管径都会影响换热系数的大小，从而影响水蒸汽的产生量，因此，从安全和经济性两方面考虑，当换热烟管管径为48mm、蒸汽出口管径为60mm时，液态水的进口水温设定373K为最佳选择。　　对于管内的烟气流动，选择标准的k-ε两方程湍流模型及 DOM辐射模型作为计算模型，壁面采用无滑移边界条件和标准壁面函数，对单根烟管管内的温度场进行非稳态数值模拟，通过分析模拟的温度分布，得出：在列管式废热锅炉换热过程中以对流换热为主，辐射换热量在总换热量中所占的比例最大值也不会超过30％；换热烟管的管径越大，进口烟气流速越大，温降越迅速，但是流速增加对余热锅炉的使用寿命造成很大的影响，因此在设定烟气流速时，要考虑到其临界值，设定恰当的烟气流速。从模拟结果来看选择的最佳值为：烟气流速v=10m/s。

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1 绪论

1.1 拟选课题的背景

1.2 国内外研究现状

1.3 拟选课题的目的及意义

1.4 论文主要的研究内容

2 数值模拟理论

2.1 计算流体力学的发展及应用

2.2 数值模拟的求解过程

2.3 空间区域以及控制方程的离散

2.4 数值计算方法

2.5 边界条件及网格生成

2.6 本章小结

3 数学模型及方法

3.1 沸腾传热和气液两相流概述

3.2 湍流模型

3.3 气液两相流模型

3.4 沸腾相变的传热分析

3.5 本章小结

4 气液两相流的数值模拟

4.1 几何模型的建立

4.2 网格划分

4.3 计算模型的选取

4.5 边界条件及初始条件的设置

4.6 离散方程的求解

4.7 控制参数的设置

4.8 结果输出

4.9 本章小结

5 沸腾相变模拟结果的分析

5.1 沸腾流场特性模拟结果分析

5.2 不同参数对含气率的影响

5.3 本章小结

6 管内烟气的模拟分析

6.1 数学模型的选取

6.2 网格划分及边界条件

6.3 材料物性参数

6.4 模拟结果讨论

6.5 本章小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果