循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法及系统

摘要

本申请公开了一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法及系统，该方法包括：预先对循环流化床锅炉进行网格建模，得到相应的锅炉网格模型；对锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到与锅炉网格模型对应的数学模型；利用数学模型，并结合循环流化床锅炉在工作过程中所涉及的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，得到与污染物生成过程对应的仿真模型。本申请相比于传统的双流体模型，增加了颗粒相对循环流化床锅炉的数学模型的影响，这样使得最终得到的数学模型更加符合循环流化床锅炉的实际燃烧过程，进而提升了后续污染物生成过程的仿真效果。

说明书

技术领域

本发明涉及锅炉仿真模拟技术领域，特别涉及一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法及系统。

背景技术

循环流化床锅炉是近三十年发展起来的一种新型洁净煤燃烧设备，在清洁燃烧特别是燃烧劣质煤方面具有污染物排放及控制成本低、燃料适应范围广、调峰能力强、燃烧效率高等优点。循环流化床燃烧技术是洁净煤技术中最具商业化潜力、污染排放控制成本最低的技术，同时由于煤种适应性强，其也成为了消纳煤炭生产带来的大量煤矸石的最有效手段。

由于循环流化床锅炉复杂的流化态结构，采用单一的实验测量手段无法真实地了解循环流化床的三维非稳态流动结构，这极大地限制了现场循环流化床锅炉的优化运行。为了解决这个问题，随着当前计算机技术的高速发展，人们开始对循环流化床锅炉内部的燃烧过程进行数值模拟，尤其注重于对循环流化床锅炉的污染物生成过程进行数值模拟，以通过数值模拟来对循环流化床锅炉的整体燃烧过程和污染物生成过程进行优化。

然而，传统技术是基于双流体模型来对循环流化床锅炉的污染物生成过程进行数值模拟的，这种双流体模型是在将固体燃煤颗粒当作流体来进行处理的基本假设下进行建立的，这导致基于这种模型得到数值模拟结果与循环流化床锅炉的实际污染物生成过程存在较大的偏差，数值模拟效果较差，难以适应当下对循环流化床锅炉越来越高的数值模拟要求。

综上所述可以看出，如何进一步提升污染物生成过程的数值模拟效果是目前有待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法及系统，进一步提升了污染物生成过程的数值模拟效果。其具体方案如下：

一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法，包括：

预先对循环流化床锅炉进行网格建模，得到相应的锅炉网格模型；

对所述锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到与所述锅炉网格模型对应的数学模型；

利用所述数学模型，并结合所述循环流化床锅炉在工作过程中所涉及的化学反应式，对所述循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，得到与污染物生成过程对应的仿真模型。

优选的，所述对所述锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解的过程，包括：

利用CPFD方法，对所述流体相方程和所述颗粒相方程进行求解。

优选的，所述流体相方程为基于纳维叶－斯托克斯方程以及颗粒与流体之间动量耦合方程得到的方程。

优选的，所述颗粒与流体之间动量耦合方程为：

$F_{\xi }^{n+1}=\frac{1}{V_{\xi }}\underset{k}{\overset{N_p}{\Sigma }}{S}_{\xi ,sk}[D_{sk}(u_{f,sk}^{n+1}-u_{sk}^{n+1})-\frac{1}{{\rho }_{sk}}▿p_{sk}^{n+1}]n_{sk}{m}_{sk}$

式中，ξ表示计算网格，V_ξ表示计算网格ξ的体积，D_sk表示计算网格ξ中第k个计算颗粒所受到的曳力，表示流体相的速度，表示颗粒相的速度，ρ_sk表示第k个计算颗粒的密度，表示第k个计算颗粒所受到的压强，m_sk表示第k个计算颗粒的质量，n_sk表示第k个计算颗粒所代表的实际颗粒的数目，S_ξ,sk表示第k个计算颗粒的插值算子。

优选的，所述流体相方程为：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial {\theta }_f{\rho }_f}{\partial t}+▿·\left({\theta }_f{\rho }_f{u}_f\right)={\stackrel{·}{\rho }}_{sf}^c\\ \frac{\partial \left({\theta }_f{\rho }_f{u}_f\right)}{\partial t}+▿·\left({\theta }_f{\rho }_f{u}_f{u}_f\right)=-▿p-F+{\theta }_f{\rho }_{f}g+▿·{\theta }_f{\tau }_f\end{array}\right)$

式中，u_f表示流体相的速度矢量，θ_f表示流体的体积分数，ρ_f表示流体的密度，p表示流体的压力，τ_f表示流体应力张量，g表示重力加速度，F表示单位控制容积内流体相与颗粒相动量作用源，表示流体相单位控制容积内质量生产率。

优选的，所述颗粒相方程为基于MP-PIC方法得到的方程。

优选的，所述颗粒相方程为：

$\frac{{\mathrm{du}}_s}{dt}=D_p(u_f-u_s)-\frac{1}{{\rho }_s}▿p+g-\frac{1}{{\theta }_s{\rho }_s}▿{\tau }_s$

式中，u_s表示颗粒相的速度矢量，D_p表示颗粒所受到的曳力，u_f表示流体相的速度矢量，p表示颗粒所受到的压强，g表示重力加速度，ρ_s表示颗粒的密度，θ_s表示颗粒的体积分数，τ_s表示颗粒的法向的应力。

本发明还公开了一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟系统，包括：

网格模型构建模块，用于预先对循环流化床锅炉进行网格建模，得到相应的锅炉网格模型；

数学模型构建模块，用于对所述锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到与所述锅炉网格模型对应的数学模型；

仿真模块，用于利用所述数学模型，并结合所述循环流化床锅炉在工作过程中所涉及的化学反应式，对所述循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，得到与污染物生成过程对应的仿真模型。

优选的，所述数学模型构建模块，具体用于利用CPFD方法，对所述流体相方程和所述颗粒相方程进行求解，得到所述数学模型。

本发明中，循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法，包括：预先对循环流化床锅炉进行网格建模，得到相应的锅炉网格模型；对锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到与锅炉网格模型对应的数学模型；利用数学模型，并结合循环流化床锅炉在工作过程中所涉及的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，得到与污染物生成过程对应的仿真模型。可见，本发明先对循环流化床锅炉进行了网格建模，然后对锅炉网格模型中的流体相方程和颗粒相方程进行求解，由此得到与锅炉网格模型对应的数学模型，接着结合上述数学模型以及相应的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，从而得到了与污染物生成过程对应的仿真模型，也即，本发明基于流体相方程和颗粒相方程来构建循环流化床锅炉的数学模型，相比于传统的双流体模型，本发明增加了颗粒相对循环流化床锅炉的数学模型的影响，这样使得最终得到的数学模型更加符合循环流化床锅炉的实际燃烧过程，进而提升了后续污染物生成过程的仿真效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法；

图2为本发明实施例公开的一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法，参见图1所示，该方法包括：

步骤S11：预先对循环流化床锅炉进行网格建模，得到相应的锅炉网格模型。

需要说明的是，当前存在多种网格建模的方法，可以根据实际的仿真需要以及循环流化床锅炉内部的每个构件的具体结构，来选取相应合适的网格建模方法来进行建模。本实施例中，优先对循环流化床锅炉进行正交网格建模。

步骤S12：对锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到与锅炉网格模型对应的数学模型。

其中，在不同的仿真精度要求下，上述流体相方程和颗粒相方程会有所不同。若仿真精度的要求较高，则上述流体相方程和颗粒相方程相对会比较复杂，相应的计算量也会比较大；若仿真精度的要求较低，则可对上述流体相方程和颗粒相方程进行一定程度上的简化，由此也能减少相应的计算量。

步骤S13：利用数学模型，并结合循环流化床锅炉在工作过程中所涉及的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，得到与污染物生成过程对应的仿真模型。

可以理解的是，上述化学反应式主要包括生成氮氧化物、硫化物以及一氧化碳等相关污染物的化学反应式。

本发明实施例中，循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法，包括：预先对循环流化床锅炉进行网格建模，得到相应的锅炉网格模型；对锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到与锅炉网格模型对应的数学模型；利用数学模型，并结合循环流化床锅炉在工作过程中所涉及的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，得到与污染物生成过程对应的仿真模型。可见，本发明实施例先对循环流化床锅炉进行了网格建模，然后对锅炉网格模型中的流体相方程和颗粒相方程进行求解，由此得到与锅炉网格模型对应的数学模型，接着结合上述数学模型以及相应的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，从而得到了与污染物生成过程对应的仿真模型，也即，本发明实施例基于流体相方程和颗粒相方程来构建循环流化床锅炉的数学模型，相比于传统的双流体模型，本发明实施例增加了颗粒相对循环流化床锅炉的数学模型的影响，这样使得最终得到的数学模型更加符合循环流化床锅炉的实际燃烧过程，进而提升了后续污染物生成过程的仿真效果。

本发明实施例公开了一种具体的循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

上一实施例步骤S12中，对锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解的过程，具体包括：利用CPFD方法，对流体相方程和颗粒相方程进行求解。

需要说明的是，上述CPFD方法中，流体相和颗粒相均在同一个求解器中进行计算，通过相间插值算子来保证计算的稳定性和切换的守恒性。CPFD方法中创造性地提出了“计算颗粒”的概念，所谓“计算颗粒”是在拉格朗日方法提供的基本的“流体微团”概念之上，拓展到颗粒相而形成的“颗粒微团”，也即，在一个“计算颗粒”之中包含了多个真实的燃煤颗粒，并且一个“计算颗粒”中的所有真实燃煤颗粒具有相同的物质属性、物理运动及化学变化规律。

本实施例中，优先采用Barracuda软件中提供的CPFD数值方法来对流体相方程和颗粒相方程进行求解。

进一步的，上述流体相方程具体是基于纳维叶－斯托克斯方程以及颗粒与流体之间动量耦合方程得到的方程。

其中，上述颗粒与流体之间动量耦合方程为：

$F_{\xi }^{n+1}=\frac{1}{V_{\xi }}\underset{k}{\overset{N_p}{\Sigma }}{S}_{\xi ,sk}[D_{sk}(u_{f,sk}^{n+1}-u_{sk}^{n+1})-\frac{1}{{\rho }_{sk}}▿p_{sk}^{n+1}]n_{sk}{m}_{sk}$

式中，ξ表示计算网格，V_ξ表示计算网格ξ的体积，D_sk表示计算网格ξ中第k个计算颗粒所受到的曳力，表示流体相的速度，表示颗粒相的速度，ρ_sk表示第k个计算颗粒的密度，表示第k个计算颗粒所受到的压强，m_sk表示第k个计算颗粒的质量，n_sk表示第k个计算颗粒所代表的实际颗粒的数目，S_ξ,sk表示第k个计算颗粒的插值算子。

具体的，上述基于纳维叶－斯托克斯方程以及颗粒与流体之间动量耦合方程得到的流体相方程为：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial {\theta }_f{\rho }_f}{\partial t}+▿·\left({\theta }_f{\rho }_f{u}_f\right)={\stackrel{·}{\rho }}_{sf}^c\\ \frac{\partial \left({\theta }_f{\rho }_f{u}_f\right)}{\partial t}+▿·\left({\theta }_f{\rho }_f{u}_f{u}_f\right)=-▿p-F+{\theta }_f{\rho }_{f}g+▿·{\theta }_f{\tau }_f\end{array}\right)$

式中，u_f表示流体相的速度矢量，θ_f表示流体的体积分数，ρ_f表示流体的密度，p表示流体的压力，τ_f表示流体应力张量，g表示重力加速度，F表示单位控制容积内流体相与颗粒相动量作用源，表示流体相单位控制容积内质量生产率。

进一步的，本实施例中的颗粒相方程为基于MP-PIC(即Multiphase Particle-in-cell)方法得到的方程。

具体的，上述基于MP-PIC方法得到的颗粒相方程为：

$\frac{{\mathrm{du}}_s}{dt}=D_p(u_f-u_s)-\frac{1}{{\rho }_s}▿p+g-\frac{1}{{\theta }_s{\rho }_s}▿{\tau }_s$

式中，u_s表示颗粒相的速度矢量，D_p表示颗粒所受到的曳力，u_f表示流体相的速度矢量，p表示颗粒所受到的压强，g表示重力加速度，ρ_s表示颗粒的密度，θ_s表示颗粒的体积分数，τ_s表示颗粒的法向的应力。

相应的，本发明实施例还公开了一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟系统，参见图2所示，该系统包括：

网格模型构建模块21，用于预先对循环流化床锅炉进行网格建模，得到相应的锅炉网格模型；

数学模型构建模块22，用于对锅炉网格模型内部三维空间的流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到与锅炉网格模型对应的数学模型；

仿真模块23，用于利用数学模型，并结合循环流化床锅炉在工作过程中所涉及的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，得到与污染物生成过程对应的仿真模型。

其中，上述数学模型构建模块，具体用于利用CPFD方法，对流体相方程和颗粒相方程进行求解，得到数学模型。

关于上述各个模块更加具体的工作过程可参考前述实施例中的相关内容，在此不再进行一一赘述。

可见，本发明实施例先对循环流化床锅炉进行了网格建模，然后对锅炉网格模型中的流体相方程和颗粒相方程进行求解，由此得到与锅炉网格模型对应的数学模型，接着结合上述数学模型以及相应的化学反应式，对循环流化床锅炉在燃烧时的污染物生成过程进行仿真，从而得到了与污染物生成过程对应的仿真模型，也即，本发明实施例基于流体相方程和颗粒相方程来构建循环流化床锅炉的数学模型，相比于传统的双流体模型，本发明实施例增加了颗粒相对循环流化床锅炉的数学模型的影响，这样使得最终得到的数学模型更加符合循环流化床锅炉的实际燃烧过程，进而提升了后续污染物生成过程的仿真效果。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种循环流化床锅炉污染物生成过程的数值模拟方法及系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。