Анализ подходов к численному моделированию горения пылеугольного топлива в турбулентном потоке

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью точного воспроизведения математическими моделями экспериментальных измерений, так как численное моделирование широко применяется как для разработки новых технологий сжигания твердого топлива, так и для модернизации существующих котельных агрегатов. А как известно, предсказанные численным моделированием параметры пылеугольного факела напрямую зависят от того, как моделируется химия горения в турбулентном потоке. Цель: исследование точности воспроизведения экспериментальных измерений для четырех подходов к численному моделированию воспламенения и выгорания горючих компонентов пылеугольного топлива в турбулентном потоке. Объекты: температуры, концентрации газовых компонентов (CO2, O2, CO и NOx), аксиальные и тангенциальные компоненты скорости внутри топки IFRF 2,4 МВт. Методы: сравнение экспериментально измеренных параметров пылеугольного факела и предсказанных численным моделированием. Численное моделирование выполнялось с использованием программного пакета ANSYS FLUENT. Горение угольной пыли в топке смоделировано как двухфазная турбулентная система течений, состоящая из газовой и дискретной фаз. Результаты. Проведено численное моделирование горения пылеугольного топлива в турбулентном потоке четырьмя разными подходами: моделями равновесной химии с одной и двумя переменными смешения; моделью «обрыва вихря» и её комбинацией с кинетической моделью горения. Сравнительным анализом результатов моделирования с экспериментально измеренными параметрами пылеугольного факела установлено, что все исследованные подходы к моделированию горения пылеугольного топлива в турбулентном потоке демонстрируют довольно хорошее совпадение с экспериментальными данными. Модель «обрыва вихря» в комбинации с кинетической моделью горения имеет преимущество в точности, а модель равновесной химии с одной переменной смешения имеет преимущество в скорости сходимости решения.

The relevance of the research is caused by the need for accurate reproduction of experimental measurements by mathematical models, since numerical simulation is widely used both for the development of new technologies for the combustion of solid fuels and for the modernization of existing boiler units. And as it is known, the parameters of a pulverized coal flame predicted by numerical simulation directly depend on the way the combustion chemistry in a turbulent flow is modeled. The main aim of the research is to study the accuracy of reproduction of experimental measurements for four approaches to the numerical simulation of ignition and burnout of combustible components of pulverized coal fuel in a turbulent flow. Objects: temperatures, concentrations of gas components (CO2, O2, CO and NOx), axial and tangential velocity components inside the IFRF 2.4 MW furnace. Methods: comparison of experimentally measured parameters of a pulverized coal flame and those predicted by numerical simulation. Numerical simulation was performed using the ANSYS FLUENT software package. The combustion of coal dust in the furnace is modeled as a two-phase turbulent flow system consisting of gas and discrete phases. Results. Numerical modeling of the combustion of pulverized coal in a turbulent flow has been carried out using four different approaches: equilibrium chemistry models with one and two mixture fractions; model of «eddy dissipation» and its combination with the kinetic model of combustion. A comparative analysis of the simulation results with the experimentally measured parameters of a pulverized coal flame established that all the studied approaches to modeling the pulverized coal combustion in a turbulent flow demonstrate a fairly good agreement with the experimental data. The «eddy dissipation» model in combination with the combustion kinetic model has the advantage in accuracy, and the equilibrium chemistry model with one mixture fraction has the advantage in the time of solution convergence.