炉膛烟气流动状态数值模拟及其应用

研究与开发I工业偽好D0I：10.16558/j.cnki.issn1004-8774.2021.02.003炉膛烟气流动状态数值模拟及其应用马晓飞1 ,于丽丽2 ,李之光3 ,喻孟全4 ,钱林峰5 ,于在海6（1.大连铁联铁路器材制造有限公司，辽宁瓦房店116300；2.辽宁昌盛节能锅炉有限公司，辽宁营口 115000；3.北京盛昌之光锅炉研发中心，北京100055）；4.国家工业锅炉质量监督检验中心（广东），广东顺德528300；5.中国特种设备检测研究院，北京100029；6.辽宁省安全科学研究院，辽宁沈阳110004）第一作者：马晓飞（1983-）男，工气流速分布状态。分析了烟气流动产生的旋涡特性、烟气充满度与主旋涡流量占烟 程师。毕业于辽宁工业大学。任气总流量的份额。最后进行了多种炉膛结构方案的对比分析。 职于大连铁联铁路器材制造有限关键词:数值模拟;烟气流动;旋涡特性;方案对比 公司;兼任北京之光锅炉研究所数值计算中心工程师、辽宁工业大学 中图分类号:tk222 文献标识码:A 机械工程与自动化学院精密机电摘 要:对锅炉炉膛烟气流动状态进行了数值模拟，以详细了解炉膛内部的烟

装备设计研究所工程师。Numerical Simulation and Application of Flow

Status of Smoke in FurnaceMA Xiaofei1 ,YU Lili2 , LI Zhiguang3, YU Mengquan4 , QIAN Linfeng5, YU Zaihai6(1.Dalian Tielian Railway Equipment Co., Ltd., Wafangdian 116300, Liaoning, China ；Liaoning Changsheng Energy Saving Boiler Co., Ltd., Yingkou 115000, Liaoning, China ；2.

Beijing Shengchang Zhiguang Boiler Research Institute, Beijing 100055, China；3.

National Industrial Boiler Quality Supervision and Inspection4.Center( Guangdong) , Shunde 528300, Guangdong, China；China Special Equipment Inspection and Research Institute， Beijing 100029， China；5.Liaoning Academy of Safety Science, Shenyang 110004,Liaoning, China)6.Abstract: The flow status of smoke in the furnace is simulated numerically , so as to understand the velocity distribu­

tion in detail. The vortex characteristics of smoke flow are also analyzed, and the smoke filling degree, main vortex velocity and its flow rate of total smoke flow are obtained. The comparison results of many furnace structure schemes are also ob­

tained.Keywords: numerical simulation；smoke flow；swirl characteristics；scheme comparison0前言长期以来，锅炉设计一般按标准方法进行，研究

于实施便捷、成本低、耗时短，必然会在设计、研究中

加以应用，尤其在改变方案和优化设计时,更需要采

工作采用理论分析并辅之以物理模拟（模型试验）

进行验证⑴。随着计算机应用的发展，数值模拟由用数值模拟方法。对于颇为复杂的现象或重要问题研究，当数值

模拟遇到困难或需要校核时，也应用物理模拟建模

收稿日期:2021-01-27

试验加以解决。此外，物理模拟所积累的经验对数

13GONGYE GUOLU工业偽好 2021年第2期（总第186期）值模拟也有借鉴作用。本文应用数值模拟计算方法分析炉膛结构设

计，以及烟气出口由常规上部改在下部的可行性。1数值模拟的简化炉膛烟气流动属于粘性不可压缩流体的强迫流

动,炉膛烟气流动的自然对流成分相对很弱,一般不 予考虑，需要研究的是稳定状态的流动情况。决定

这种流动状态的关键因素为雷诺数屁-吧。雷诺V数不同时，流动状态亦不相同。但是，当屁大于某

—数值后（屁〉屁临界）,流动状态不再变化，即屁继

续变化对流动状态已无影响作用，称进入“自模状

态”,即此种流动在一定条件下具有“自模性”［2-4］。

则烟速力八当量直径dd或运动粘度V变化后的屁 只要仍能大于屁临界，流动状态就会保持不变。物理 模拟曾普遍应用这种“自模性”，给模型设计与试验

带来很大方便。数值模拟亦应利用这种“自模性”， 使计算明显简化。例如，炉膛各处烟温不同，运动粘 度V亦不同，就可以利用自模性输入同一温度下的

V值，只要屁大于屁临界即可。锅炉炉膛烟气流动 状态数值计算时，即按平均温度1 200 °C的V值处 理，但必须校核屁已大于屁临界。另外,70%负荷与

额定负荷的流动状态彼此相同，因为两种负荷下各

截面的屁皆大于屁临界。2炉膛烟气流动方案在新型91 MW燃煤大容量组合螺纹烟管热水

锅炉初步设计时，如按传统设计方法，炉膛烟气出口

设在后墙上部（见图1）。但是，如果把出口位置改

在后墙下部,不仅可省去高温下行烟道,也使后部对

流受热面（高低温烟管筒）形成结构（见图2）, 还便于安装、维护与检修。_____________________下行烟道然而，把烟气出口改在炉膛后墙下部的结构,需

要利用模拟方法预先了解是否会引起烟气短路和炉 膛上部烟气充满度下降等问题。多年前曾采用1 :

50的水介质模型进行物理模拟，对电站锅炉炉膛烟

GONGYE GUOLU14炉膛烟气流动状态数值模拟及其应用气流动状态进行模拟试验研究⑶，效果明显。但该

方法需制造小尺寸相似模型、设置管路系统、大量的

流速测量等，完成整个物理模拟所需时间约为一个 月，而此次利用相关计算程序进行数值模拟，在较短

时间内就完成了选型工作。3.1有限元计算程序计算采用ANSYS 11.0/FLOTRAN CFD流场分

析软件［5-7］。针对炉膛纵向各剖面烟气流动基本相

同的特点,计算模型采用2D平面结构，单元类型选

2,节点142个，网格类型为结构化⑻。过程处理采

用命令流模式，整体计算耗时约28 min。3.2边界条件与相关数据（1）入口流速按平均烟温1 200 C ,炉膛入口 （与炉排平面 处）额定负荷运行时的烟气流速为：Vy（273+1 200）/273式中Vy——标准状态下炉膛额定负荷运行烟气流

量，148 000 m3/h（标态）F——炉排面积，139.5 m2（2） 烟气密度

按平均烟温 1 200 C :P1 200 -PnX］ 200+273273

3-0.25式中pN-----标准状态下烟气密度，1.34kg/m3（标态）（3） 烟气动力粘度按平均烟温1 200 C，烟气动力粘度：

M = vp1200 = 55.8x10-6 Pa • s式中 V——烟气运动粘度,223xl0-6 m2/s（4） 炉膛出口烟气表压炉膛出口烟气表压关系到炉内的压力分布,p g- 0 MPa。（5） 雷诺数炉膛烟气流动状态数值模拟及其应用Ke = 'v ~8.5x 104式中dd—-—当量直径ddd =

4FU=11.8 m式中U——炉排面周长,47.3 m(6)自模区参照文献[3],锅炉炉膛烟气流动的临界雷诺

值衣临界为(3〜4)x104。由上述衣-8.5X104可知： 炉膛其它各截面的雷诺值衣皆会明显大于衣临界,

70%负荷时的炉膛各截面的雷诺值衣亦皆大于Re临界。4有限元计算结果模型A 烟气出口设在后墙上部，结构尺寸

见图3,有限元模型见图4o流速矢量计算结果见图

5o可见，炉膛内呈现3个旋涡区：后拱上部一个主 旋涡、炉膛左上角与右下角各一个小旋涡。出口'(6N00图3模型A结构与尺寸ELEMENTSANFluid-9LMW-Al图4模型A有限元网格划分模型B------后墙下部出口 ,带垂直隔墙，模型C 后墙下部出口，模型C0.7 后墙下部出口 ,

70%负荷。流速分布分别见图6-图8o仍出现3个旋涡区:后拱上部一个主旋涡、炉膛左上角与右上角各一个小旋涡研究与开发工业锯好图5模型A烟气流速图图6模型B烟气流速图图7模型C烟气流速图VECTORAN0

1.638

3.276

4.913

6.551

8.1

9.827

11.465

13.10214.74nuid-C0.7图8模型C0.7烟气流速图15GONGYE GUOLUX 业偽好 2021年第2期(总第186期)5计算结果分析炉膛烟气流动状态数值模拟及其应用速变化趋势与主漩涡相似。A3、A4因贴近壁面，故 流速较低。E5-E1为烟气出口处的流速，出口处

5.1流速分布与旋涡边界提取模型A不同位置(见图9)的流速，其值见

E1点达到最大值18.2 m/s。C6 C5 C4 C3 C2 Cl E5 E4 E3 E2 El表1。表中A1、B1、C2、D6流速均在7.4 m/s左右，

此几点连线构成等值曲线。曲线以内的C1、D5流 速均小于该曲线上对应值。由此可确定该曲线为主 旋涡的边界。表1模型A各提取点流速值提取点编号流速/(m • s-1)A1A27.59.3A3A43.63.2B1B27.410.110.1图9模型A流速提取点5.2烟气充满度与主旋涡流量份额(1)烟气充满度B3B48.5烟气充满度:FqA-FxA-0.58qAB58.2C1C22.97.39.7C3C4C5式中FqA——纵向剖面全面积，101.4 m27.22.40.3FxA-----纵向剖面各旋涡总面积,42.6 m2旋涡面积计算方法为将流速矢量图导入AUTO

C6D1D20.20.61.22.3CAD程序进行描点测算。(2)主旋涡流量份额主旋涡面积份额：D3D4D5FxzAxAD6D7D84.37.19.510.418.2x100%-91%式中FxzA——纵向剖面主旋涡面积,38.8 m2主旋涡流量:273x3 600FxzA力y-xAy-xAE1E2E317.813.511.2273+1 200

=67 000 m3/h(标态)E4E5式中 wy-xA——D1-D6点流速平均值,2.6 m/s

10.5主旋涡流量占整体流量的份额:Vy主旋涡中心D1至边界D6流速值由0.2 m/s递

增至7.1 m/s,由边界往外D6、D7、D8至E5逐渐递

厂 x100%-45%

增至10.5 m/s。另两处B1〜B3、C1〜C3也呈现同样

重复上述计算，得到模型A-C以及模型C°.7的

计算数据，见表2。规律。C5、C6为炉膛左上角部小旋涡处的流速，流表2 三种方案四个模型计算数据对比烟气充满度模型 A主旋涡流速平均值 主旋涡流量 /(m3 - h-1)(标态)主旋涡流量占整体

/(m • s-1)2.6流量的份额0.5867 00036 00032 00045%模型 B模型 C0.660.720.722.124%21%21%

1.91.3模型C0.722 000GONGYE GUOLU16炉膛烟气流动状态数值模拟及其应用研究与开发工业锯好气导向耐火隔墙。旋涡占据烟气流通面积,使烟气

由以上分析可知：（1） 模型C的炉膛烟气充满度最大，即烟气在 炉膛内的停留时间长，有利于传热与灰尘重力沉降。

停留于炉膛的时间减少，不利于传热与灰尘沉降，应

尽量减小旋涡尺寸、提高炉膛烟气充满度。流体数

值模拟由于实施简易、耗时颇短,是一种便于应用的

因此，新型91 MW热水锅炉采用炉膛后墙下部出口 不仅可行，而且还优于传统的上开口。（2） 模型C与模型C（,7的无因次量（烟气充满 度、主旋涡流量占整体流量的份额）彼此相等，表明

研究与设计手段，宜在锅炉业界广为应用。Q 参考文献[1] [俄]M.B.KupnuqeB , M .A . MuxeeB . MogenupoBaHue

二者皆进入自模区。（3） 主旋涡的切向流速值不大,惯性分离灰尘 的作用小于重力分离。TennoBbix ycraHOBOK . H3g . AHCCCP , 1 9 3 6.[2] 李之光.热力设备模型试验基础[M].北京：国防工业出

版社,1973.[3 ]李之光.相似理论与模化（理论及实用）[M].北京：国防

5.3应用实例在设计新型35 t/h组合螺纹烟管蒸汽锅炉时 也遇到相似问题。原设计为烟气出口在后墙上部,

因改造要求，需将炉膛烟气出口改在后墙下部，同时 并未采取任何烟气导向措施。在采用了与模型C

工业出版社，1982.[4] [俄]C . C . KyraTenag3e u gp . . MogenupoBaHue

TennosHepreTUTecKoro o6opygoBaHu£ . M3g .《3Hepru^》

,1966.[5] W. B. baker, P. S. westine, F. T. dodge. Similarity methods in

所示结构相同的炉膛改造后,运行实践表明,燃尽程 度与灰尘分离效果颇佳，未出现任何不良后果。由

于上述91 MW锅炉数值计算与35 t/h锅炉运行实

engineering dynamics.Hayden book Cop.In, 1978.[6] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京:北京理工大学

出版社,2008.9.[7] 许洋,党沙沙,胡仁喜，等.ANSYS11.0/FLOTRAN流场分

践皆证实采用后墙下部出口的结构可行,鉴于此，已 开始推广应用。6结语在我国应用广泛的带长后拱炉膛结构,如根据

析实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2009.1.[8] 朱红钧，林元华,谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真实用

教程[M].北京:人民邮电出版社,2010.4.[9] 温正.FLUENT流体计算应用教程[M].（第2版）.北京：

需要把烟气出口设置在后墙下部，无需增设任何烟

清华大学出版社,2013.1.广告索引封面封二封三德国麦克斯威索有限公司利雅路热能设备（上海）有限公司前插 5意大利CIB优尼瓦斯股份有限公司宜宾市信通电子器材厂前插6前插 7上海嘉颉环境科技有限公司奥林（中国）有限公司杭州伯勒计算机技术有限公司西门子（中国）有限公司封底前插8、9前插1前插2前插 3前插 4阿里斯顿集团燃烧器中国支持中心意大利百得有限公司上海代表处瑞沃德热力科技（无锡）有限公司前插10~13上海焱晶燃烧设备检测有限公司前插14.15中国科学院广州能源研究所前插 16上海工业锅炉研究所有限公司《工业锅炉》公益广告扎克能源技术设备（上海）有限公司前插17GONGYE GUOLU