摘 要：采用标准k-ε双方程模型和simple算法对卧式煤无烟燃烧锅炉的炉膛冷态空气动力场进行了数值模拟，预报了炉膛冷态空气动力场的速度分布、压力分布。并对预测结果进行了定性的分析。计算结果表明采用这种偏心轴撞击流式的多孔射流二次风可以得到较了的空气动力场。
关键词：煤无烟燃烧；冷态空气动力场；撞击流；数值模拟
在我国，工业锅炉是国计民生中不可缺少的热源设备，是耗煤大户。据统计，至1998年末全国在用工业锅炉50.12万台，其中生产用锅炉23.78万台分布于全国各地企业单位［１］。但传统的工业锅炉黑烟滚滚，粉尘排放浓度大。为此，两年来我们一直在从事适用于工业锅炉煤无烟燃烧技术的研究和应用，并在工程实践中取得了一定的成果。
煤无烟燃烧技术是在总结层状燃烧技术、射流以及撞击流技术的基础上发展起来的一项适用于层状燃煤锅炉的新技术［２］。通过采用分段燃烧分级配风的多孔分层射流二次风等相应的强化燃烧措施，实现了炉内消烟除尘，彻底解决了工业锅炉黑烟滚滚、粉尘排放量高的严重污染现象。
锅炉计算机辅助优化数值试验方法，是将数值计算方法、多相流体力学、传热传质学、燃烧学及锅炉的设计运行相结合，对各种具体工程实际问题，在合适的物理模型、数理统计理论和计算设计与分析方法的指导下，进行大量的优化计算，准确模拟炉内空气动力场，从而指导工程实际［３］。近年来，数值模拟在电站锅炉中的设计和改造中发挥了重要作用，但迄今为止还未曾对这种分段燃烧分级配风的多孔分层射流式二次风的煤无烟燃烧工业锅炉炉膛的空气动力场进行模拟。
1物理模型
卧式煤无烟燃烧锅炉采用撞击流式多孔分层射流二次风来组织炉内流场，以达到适用于方型炉膛内强化燃烧的目的。这种撞击流式多孔分层射流二次风有两种布置方式即同轴撞击流式多孔分层射流二次风和偏心轴撞击流式多孔分层射流二次风。
本文以一台1t/h卧式偏心轴撞击流式的多孔射流二次风煤无烟燃烧锅炉为模拟对象，对炉膛冷态气相流场进行了数值模拟。图1给出了该锅炉炉膛总体结构示意图。炉膛深×宽×高＝1500ｍｍ×1500ｍｍ×1300ｍｍ，炉顶圆拱直径为1300mm(图中给出半拱)。锅炉炉膛两侧由φ５１mm×２．５mm的膜式水冷壁组成，在两侧膜式水冷壁上布置偏心轴撞击流式多孔分层射流二次风，并在炉膛两侧分ⅰ、ⅱ、ⅲ三层沿炉膛高度58.5mm，158.5mm，258.5mm处相向喷入炉内，在沿炉膛深度方向(x方向)也是均匀布置。
根据煤无烟燃烧锅炉的设计及运行原则，模拟的二次风以实际锅炉满负荷运行参数为基准，其布置形式的喷口尺寸及设定参数如表1：
2数学模型
在直角标系下，稳态三维气相不可压缩流体的控制方程的通用形式如下［４］：
上述各变量具体的各项意义及表达式示于表2。
对于标准的k-ε双方程模型中的常数值见表3。
3计算方法及边界条件处理
模型中对流项与扩散项构成的通量项采用幂函数差分格式，对源项进行负斜率线性化处理，采用simple算法求解离散化方程组。因标准k-ε双方程模型只适用于高雷诺数区域，而不适用于壁面附近的粘性支层中的模拟计算，所以在模拟卧式锅炉炉内流场时采用壁面函数法予以处理［４］。也就是说，采用壁面函数法时，紊流流场中采用高雷诺数k-ε模型，而在粘性支层内不布置任何节点，把第一个与壁面相邻的节点布置在旺盛紊流区域内，对近壁的第一个网格节点采用代数方法处理k和ε，不用求解k-ε方程，具体处理如下：
式中kp表示近壁点的湍流动能；τω０为该点处的剪切应力，可以用couette流动解近代替，即：
点到壁面的垂直距离，为该点速度，n=0.4为卡门系数；对于30＜y＋＜100的情况，壁面粗糙度常数e＝9.793，cμ＝0.09。用这种近似方法在绝大多数问题中都有很好的准确性，而近壁处的湍流动能耗散εp由下式求得：
利用壁面函数法，对第一个网格点一般要求y＋＞11.5。
另外，在炉膛的后部两侧布置了两个出口，模拟时出口压力设为-20pa，令通用变量在出口处沿流动方向变化率为零。一、二次风入口的湍动能和湍动能的耗散率按下式给定：各喷嘴处气流速度vin按实际工况给定，入口处湍流动能kin和湍流动能耗散率εin根据下式估算［５］：
式中：lm为特征长度；ｄdl为当量直径，对于圆形喷嘴取喷嘴直径。
模拟计算时采用非均匀交错网格，总网格数为52×37×37共71188个结点，且在二次风喷嘴处网格较密，而在其它位置网格划分相对较稀。以便相对节省计算时间。在拱形的区域边缘，采用阶梯形网格处理半圆边界，并在此区域内流动粘度设为无限大。
4模拟结果与讨论
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