[发明专利]一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，属于计算机数值模拟技术领域。本发明依据煤粉颗粒间燃烧过程的特点，在计算流体力学软件FLUENT已有数理模型基础上，运用FLUENT UDF和FLUENT Scheme混合编程，耦合用户自定义模型，即煤粉颗粒相互作用模式(颗粒构造形式、颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型)、质量变化保存机制，实现了煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟。经验证，采用本发明中的方法模拟得到的煤粉颗粒温度等信息变化规律与实验数据基本一致，本发明能够真实客观、便捷高效的揭示煤粉颗粒间燃烧过程相互作用机理，为煤粉燃烧技术的改进与优化设计提供有力的理论依据和技术支持。

主权项

1.一种煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟方法，其特征在于：其步骤为：(1)依据煤粉颗粒构造形式，建立煤粉颗粒间燃烧过程的几何模型，并划分气相和固相计算区域，对该计算区域进行网格划分；(2)根据所述网格确定基本控制方程：连续性方程、动量方程、能量方程和组分方程，并建立壁面反应模型和有限反应速率模型；(3)定义固定碳、挥发份和氧化气氛材料属性，所述材料属性包括密度ρ、导热系数λ和比热c；(4)定义进出口边界条件及对称面和流固耦合面边界；(5)定义初始条件：煤粉颗粒初始温度、初始质量；(6)定义挥发份燃烧化学反应机制和壁面反应机制，具体包括化学反应方程式、指前因子、活化能、化学当量系数、浓度指数和速率指数；(7)耦合自定义模型：颗粒质量变化模型、粒径动态变化模型、挥发份析出模型；颗粒质量变化模型为：煤粉颗粒燃烧过程中，煤粉颗粒的质量变化率由热解产生的挥发份析出率和焦炭异相反应消耗率决定，即式中：r_c为焦炭反应速率，M_w,c为碳元素摩尔质量，为当量系数；d_p为煤粉颗粒直径，m_v为挥发份析出质量，m_p为煤粉颗粒的质量，m_c为焦炭异相反应的消耗量；粒径动态变化模型：煤粉颗粒燃烧过程中，粒径将发生变化，依据燃烧过程中的煤粉颗粒质量，将粒径的变化转化为煤粉颗粒导热系数和密度的变化，即式(4)‑(7)中，cp为煤粉颗粒比热，ypi为各元素，即C、H、O、N和S的质量分数，upi为上述各元素摩尔质量，ρ和λ分别为煤粉颗粒密度和煤粉颗粒导热系数，d0为煤粉颗粒初始粒径，R为通用气体常数，Tp为煤粉颗粒温度；ρ0为煤粉颗粒初始密度，ρp为燃烧过程中煤粉颗粒的实时密度，λ0为煤粉颗粒的初始导热系数，λp为燃烧过程中煤粉颗粒的实时导热系数；dp为燃烧过程中煤粉颗粒的实时直径；挥发份析出模型：依据煤粉颗粒温度T_p，确定挥发份析出率其挥发份析出率采用两步竞争模型，即式(8)中，mv为挥发份析出质量，α1、α2为热解常数，R1、R2为挥发份析出速率，其中，R1、R2通过下式求得：式(9)中，Ai为指前因子，Ei为活化能，T为煤粉燃烧过程中的气相温度；(8)设定监测变量：煤粉颗粒表面温度、煤粉颗粒质量变化率及挥发份逸出质量速率变化；(9)对步骤(2)中的基本控制方程进行离散化，并采用步骤(4)中定义的边界条件和初始条件进行封闭和求解；(10)对整个计算区域初始化，设定时间步长，对计算区域内代数方程组进行反复迭代，直到满足煤粉颗粒完全燃烧为止且满足守恒定律，完成煤粉颗粒间燃烧过程相互作用的数值模拟，并运用质量变化保存机制对计算结果进行保存；(11)对计算结果进行后处理。