發(fā)布時間：2017-09-03 22:08

  本文關(guān)鍵詞：廢熱鍋爐傳熱及流場特性數(shù)值模擬研究

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【摘要】：在能源儲備短缺和環(huán)境污染嚴重的背景下,廢熱鍋爐作為一種回收熱量的重要設備,在化工、熱動及有余熱產(chǎn)生的系統(tǒng)中,應用越來越廣泛。與輻射式廢熱鍋爐相比,火管式廢熱鍋爐具有結(jié)構(gòu)簡單、容易清洗、可靠性高、使用壽命長的優(yōu)點,對其結(jié)構(gòu)進行設計和優(yōu)化有重要的意義。由于廢熱鍋爐蒸發(fā)器內(nèi)部復雜流場很難通過現(xiàn)場進行測試,本文通過CFD數(shù)值模擬方法對內(nèi)部流場進行模擬分析,為其結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化提供一些參考。本文以天華院提供的廢熱鍋爐為研究對象,使用ICEM軟件對廢熱鍋爐蒸發(fā)器管外殼側(cè)液態(tài)水沸騰空間和管內(nèi)建立1:1的物理模型并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格等前處理;利用Fluent軟件對管外液態(tài)水的沸騰相變換熱結(jié)果和管內(nèi)煙氣流動工況進行模擬計算。對于管殼側(cè)的沸騰相變工況,選擇標準的k-兩方程湍流模型和Mixture模型作為計算模型,結(jié)合UDF確定沸騰相變的質(zhì)量及能量傳遞的源相,建立速度進口邊界、壓力出口邊界及無滑移固體壁面邊界,進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,通過分析模擬計算得到的水蒸汽體積分數(shù)云圖、溫度場及壓力場,得出:當管壁溫度與液態(tài)水的飽和溫度存在一定的過熱度時,管殼側(cè)的液態(tài)水在流動過程中,不斷與換熱煙管產(chǎn)生熱傳遞,并發(fā)生沸騰相變,液態(tài)水變?yōu)樗羝?隨著液態(tài)水慢慢流至出口邊界。越靠近中心煙管,換熱越良好,液態(tài)水越容易沸騰,蒸汽體積分數(shù)明顯高于鍋爐外壁的空間;在換熱量基本達到平衡狀態(tài),蒸汽體積分數(shù)的分布情況趨于穩(wěn)定,空間內(nèi)水蒸汽的平均體積分數(shù)為0.3左右;以換熱煙管軸線為中心起點,向外延伸,混合相的溫度呈線性遞減趨勢,由573K逐漸減小到363K;沿Y軸正方向,壓力逐漸減小,在最底部Y=0截面,壓力達到最大值2.64×106Pa;靠近出口邊界處,由于出口設為常壓邊界,而鍋爐內(nèi)部為的運行壓力的數(shù)量級高達106Pa,壓力差值較大,導致壓力分布不均;水蒸汽的出口管徑對含氣率的影響很大;液態(tài)水的進口水溫以及煙管的管徑都會影響換熱系數(shù)的大小,從而影響水蒸汽的產(chǎn)生量,因此,從安全和經(jīng)濟性兩方面考慮,當換熱煙管管徑為48mm、蒸汽出口管徑為60mm時,液態(tài)水的進口水溫設定373K為最佳選擇。對于管內(nèi)的煙氣流動,選擇標準的k-兩方程湍流模型及DOM輻射模型作為計算模型,壁面采用無滑移邊界條件和標準壁面函數(shù),對單根煙管管內(nèi)的溫度場進行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,通過分析模擬的溫度分布,得出:在列管式廢熱鍋爐換熱過程中以對流換熱為主,輻射換熱量在總換熱量中所占的比例最大值也不會超過30%;換熱煙管的管徑越大,進口煙氣流速越大,溫降越迅速,但是流速增加對余熱鍋爐的使用壽命造成很大的影響,因此在設定煙氣流速時,要考慮到其臨界值,設定恰當?shù)臒煔饬魉�。從模擬結(jié)果來看選擇的最佳值為:煙氣流速v=10m/s。
【關(guān)鍵詞】：廢熱鍋爐 數(shù)值模擬 兩相流 沸騰相變 輻射換熱
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK229
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 緒論11-16
• 1.1 擬選課題的背景11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.1 國外研究動態(tài)12-13
• 1.2.2 國內(nèi)研究動態(tài)13-14
• 1.3 擬選課題的目的及意義14
• 1.4 論文主要的研究內(nèi)容14-16
• 2 數(shù)值模擬理論16-23
• 2.1 計算流體力學的發(fā)展及應用16
• 2.2 數(shù)值模擬的求解過程16-17
• 2.3 空間區(qū)域以及控制方程的離散17-19
• 2.3.1 空間區(qū)域以及控制方程的離散17-18
• 2.3.2 控制方程的離散18-19
• 2.4 數(shù)值計算方法19-21
• 2.5 邊界條件及網(wǎng)格生成21-22
• 2.5.1 邊界條件21
• 2.5.2 初始條件21
• 2.5.3 網(wǎng)格生成技術(shù)21-22
• 2.6 本章小結(jié)22-23
• 3 數(shù)學模型及方法23-34
• 3.1 沸騰傳熱和氣液兩相流概述23
• 3.2 湍流模型23-27
• 3.2.1 直接數(shù)值模擬法24-25
• 3.2.2 大渦模擬方法25
• 3.2.3 雷諾平均法25-27
• 3.3 氣液兩相流模型27-31
• 3.3.1 氣液兩相流物理模型28-29
• 3.3.2 氣液兩相流計算模型29-31
• 3.4 沸騰相變的傳熱分析31-33
• 3.4.1 沸騰相變的傳熱過程31-32
• 3.4.2 蒸汽量的計算32-33
• 3.4.3 傳熱系數(shù)的計算33
• 3.5 本章小結(jié)33-34
• 4 氣液兩相流的數(shù)值模擬34-45
• 4.1 幾何模型的建立34-36
• 4.2 網(wǎng)格劃分36-39
• 4.3 計算模型的選取39-43
• 4.3.1 混合湍流模型39-40
• 4.3.2 沸騰相變傳熱40-43
• 4.4 邊界條件及初始條件的設置43
• 4.4.1 邊界條件的設置43
• 4.4.2 初始條件的設置43
• 4.5 離散方程的求解43-44
• 4.6 控制參數(shù)的設置44
• 4.7 結(jié)果輸出44
• 4.8 本章小結(jié)44-45
• 5 沸騰相變模擬結(jié)果的分析45-60
• 5.1 沸騰流場特性模擬結(jié)果分析45-56
• 5.1.1 蒸汽體積分數(shù)的模擬結(jié)果分析45-52
• 5.1.2 溫度場的模擬結(jié)果分析52-54
• 5.1.3 壓力場的模擬結(jié)果分析54-56
• 5.2 不同參數(shù)對含氣率的影響56-58
• 5.2.1 進口溫度的影響56
• 5.2.2 蒸汽出口管徑的影響56-57
• 5.2.3 煙管直徑對含氣率的影響57-58
• 5.3 本章小結(jié)58-60
• 6 管內(nèi)煙氣的模擬分析60-65
• 6.1 數(shù)學模型的選取60
• 6.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件60-61
• 6.3 材料物性參數(shù)61
• 6.4 模擬結(jié)果討論61-64
• 6.5 本章小結(jié)64-65
• 7 結(jié)論及展望65-67
• 7.1 結(jié)論65
• 7.2 展望65-67
• 參考文獻67-71
• 攻讀學位期間的研究成果71

【參考文獻】

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本文編號：787606