【導(dǎo)讀】性氣體進行燃燒，回收其中的硫單質(zhì)，從而減少對環(huán)境的污染。但是，在很長時間內(nèi)，燃燒爐的設(shè)。計工作大多數(shù)是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯瓿傻模荒軌虺浞终J識燃燒爐內(nèi)流場的分布規(guī)律。論和計算流體動力學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)值模擬方法考慮了化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)對流場分布規(guī)律的影響，在一定程度上彌補了傳統(tǒng)設(shè)計計算的缺陷，成為一個重要發(fā)展趨勢?；c處理裝置水平有重要意義。的數(shù)學(xué)物理模型，湍流模型選用對旋流模擬較好的Realizable~k?雙方程模型，燃燒模型采用詳細?？紤]化學(xué)反應(yīng)機理的EDC模型，并利用SIMPLC算法進行求解。然后，計算分析了現(xiàn)。針對現(xiàn)有花墻結(jié)構(gòu)的不足，本文提出了新型中心整體邊緣散裝式的花墻。結(jié)構(gòu)具有較高的可行性，有推廣應(yīng)用的價值。

　　

【正文】 11( ) ( ) ( )rrf r f rNNir i r i r f r j r b r j rjjR v v k C k C??????? ? ? ? ? ????? （ 327） 式中 ： ,jrC —— 每個反應(yīng)物或生成物 j 在反應(yīng) r 中的摩爾濃度； ,jr? —— 反應(yīng)物或生成物的速率指數(shù)。 ,rNj r jj C???? （ 328） ② 渦耗散模型 渦耗散模型是源于 Magnussen 和 Hjertager 的工作，考慮了湍流對反應(yīng)速率的影響。一般情況下，因為燃料燃燒反應(yīng)的速率很快，總化學(xué)反應(yīng)速率 受湍流混合控制。在非預(yù)混火焰中，燃燒區(qū)域內(nèi)由于湍流所形成的燃料與氧化劑的對流混合相對燃燒過程要慢得多，該區(qū)域中它們快速的燒盡。但是在預(yù)混火焰中，反應(yīng)區(qū)域內(nèi)湍流形成的冷的反應(yīng)物和熱的生成物的對流混合相對燃燒過程也很慢，該區(qū)域中反應(yīng)進行的很快。這兩種情況下的燃燒都可看做受混合限制，而忽略復(fù)雜的化學(xué)動力學(xué)速率。 硫磺回收用燃燒爐 CFD 數(shù)值模擬及花墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 16 該模型的反應(yīng)速率 ,irR 由以下兩個表達式中較小的一個給出： 39。, , , 39。,m in Ri r i r i RR r rYR v M A k v M???? ??? ???? （ 329） 39。, , ,39。39。,pi r i r i Ni r jjYR v M A B kvM?????? ?? （ 330） 式中 ： pY —— 任意生成物 p 的質(zhì)量分數(shù) ； RY —— 某一反應(yīng) R 的質(zhì)量分數(shù)； R —— 使 ,irR 為最小時的反應(yīng)物組分； ,iM? —— 第 i 種物質(zhì)的分子量； A、 B 的經(jīng)驗值分別為 ， 。 渦耗散模型的特點是避免了 Arrhenius 化學(xué)動力學(xué)計算，同時每個反應(yīng)都有同樣的湍流速率，因此該模型只能用于單步反應(yīng)或者雙步整體反應(yīng)中。 ③ 有限速率 /渦耗散模型 渦耗散模型中，只要有湍流出現(xiàn)，燃燒即可進行，不需要設(shè)置點火源來啟動燃燒。這種情況在非預(yù)混火焰中通常是可以接受的，但在預(yù)混火焰中，反應(yīng)物一進入計算區(qū)域即開始燃燒。為修正這一點，提出了有線速 率 /渦耗散模型。在該模型中， Arrhenius 和渦耗散反應(yīng)速率都需要進行計算，凈反應(yīng)速率取其中較小的一個。 Arrhenius 反應(yīng)速率作為一種動力學(xué)開關(guān)，組織反應(yīng)在火焰穩(wěn)定器之前發(fā)生，一旦火焰被點燃，渦耗散速率通常會小于 Arrhenius 反應(yīng)速率，并且反應(yīng)是受混合限制。 ④ 渦耗散概念（ EDC）模型 渦耗散概念（ EDC）模型是渦耗散模型在細致化學(xué)反應(yīng)機制上的拓展應(yīng)用， 該模型 可 在湍流反應(yīng)流動中合并詳細的化學(xué)反應(yīng)機理。 其 假定反應(yīng)發(fā)生在小的湍流結(jié)構(gòu)中， 也 稱為良好尺度。良好尺度的容積比率 按下式 計算 ： 342()vC k? ??? ? （ 331） 式中 ： C? — 容積比率常數(shù)， C? =； v — 運動粘度。 此模型 認為 物質(zhì)在好的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過一個時間尺度： exp( )r rr EAT RT?? ? ?? （ 332） 式中 ： rA —— 指前因子； r? —— 溫度指數(shù)； rE —— 反應(yīng)活化能； 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 17 R —— 氣體常數(shù)。 （ 2）非預(yù)混混合燃燒模型 非預(yù)混混合燃燒模型的基礎(chǔ)是在一系列簡化假設(shè)下，流體的瞬時熱化學(xué)狀態(tài)與混合分數(shù)相關(guān)?；旌戏謹?shù)可根據(jù)原子質(zhì)量分數(shù)表達如下 ： ,i i axi fuel i axZZf ?? ? （ 333） 式中 ： iZ —— 元素 i 的元素質(zhì)量分數(shù)。 若所有組分的擴散系數(shù)相等，則上式對所有元素都是相同的，而且混合分數(shù)定義是唯一的。所以混合分數(shù)就是燃料流中元素的質(zhì)量分數(shù)。此質(zhì)量分數(shù)是一個守恒的數(shù)量，所以其控制輸運方程不含源項。燃燒就簡化為一個混合問題，非預(yù)混合燃燒模型的內(nèi)容簡述如下： ① 混合分數(shù)的輸運方程在相同的擴散率假設(shè)下，組分方程可減少為一個單一的關(guān)于混合組分方程。因為刪去了組分方程里的反應(yīng)源項，所以提一個守恒量。由于相同擴散率的假設(shè)對層流流動來說還存在疑 問，所以對紊態(tài)對流超過分子擴散的湍流來說一般是可接受的?；旌戏謹?shù)的輸運方程主要包括平均混合分數(shù)方程和平均混合分數(shù)均方值的守恒方程，表達式如下所示 ： ( ) ( )t mtf u f f St ??? ???? ? ? ? ? ? ? ? ???? ?? （ 334） 39。 2 39。 2 39。 2 2 39。 2( ) ( ) ( )t g t dtf u f f C f C ftk ? ?? ? ? ????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???? ?? （ 335） 其中 ： ? 是散度符號，即 : ()yxzaaaa div a x y z???? ? ? ? ? ?? ? ? （ 336） 式中 ： t? —— 湍動粘性； mS —— 質(zhì)量由液體燃料滴或反應(yīng)顆粒傳入氣相中的源項 ； t g dCC?、 、 —— 經(jīng)驗常數(shù)，分別為 、 和 。 ② 混合分數(shù)與組分質(zhì)量分數(shù)、密度及溫度的關(guān)系 混合分數(shù)模擬方法的有利之處是 將化學(xué)反應(yīng)減少為一到二個守恒的混合分數(shù)。所有熱化學(xué)標量均與混合分數(shù)唯一相關(guān)。給定反應(yīng)系統(tǒng)得化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)，系統(tǒng)其他的特定限制，流場中任一點的瞬時守恒分數(shù)值可被用于計算每個組分摩爾分數(shù)、密度和溫度值。 如果反應(yīng)系統(tǒng)是絕熱的，對一個單一的燃料一氧化劑系統(tǒng)，質(zhì)量分數(shù)、密度和溫度的瞬時值僅依賴于瞬時混合分數(shù)： ()iif??? （ 337） 如果反應(yīng)系統(tǒng)是非絕熱的，對單一混合分數(shù)系統(tǒng)，這種關(guān)系可概括為： *( , )iifH??? （ 338） 硫磺回收用燃燒爐 CFD 數(shù)值模擬及花墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 18 其中： i? 代表瞬時組分質(zhì)量分數(shù)、密度或溫度； *H 為瞬時焓； ,*0 , , )(re f jTj j j p j j re f jTjjH m H m c dT h T??? ? ??????? ? （ 339） i? (組分質(zhì)量分數(shù)、密度和溫度 )與混合分數(shù)的函數(shù)關(guān)系細節(jié)依賴于系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)的描述?？梢赃x擇平衡化學(xué)反應(yīng)模型來描述這種關(guān)系。 ③平衡化學(xué)反應(yīng)模型 平衡模型假設(shè)對于化學(xué)平衡來說，為了使其總存在于分子水平上，化學(xué)反應(yīng)足夠迅速。依據(jù)最小吉布斯自由能法則，可用 f 來計算組分摩爾分數(shù)。由于能夠預(yù)測中間組份的生成而不需要詳細的化學(xué)動力學(xué)比率數(shù)據(jù)方面的知識，所以平衡模型非常有效。取代定義一個專門的多級反應(yīng)機 制，能夠簡單的定義系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)的重要化學(xué)組分。 非預(yù)混合模型現(xiàn)已被用于模擬進行快速化學(xué)反應(yīng)的紊態(tài)擴散火焰方面的研究。非預(yù)混合模型可預(yù)測中間組分、溶解效應(yīng)及嚴格的紊流化學(xué)耦合。由于不需要解大量的組分輸運方程，該方法在計算上還是很有效的。在潛在的假設(shè)有效時，非預(yù)混合模型要優(yōu)先于通用有限速率模型。但非預(yù)混合模型僅能用于當(dāng)反應(yīng)流動系統(tǒng)滿足以下幾個要求時 ：首先 流動是湍流； 其次 反應(yīng)系統(tǒng)包括一個燃料流、一個氧化劑流，并且隨意包括一個次要流。最后化學(xué)動力學(xué)必須迅速以使流動接近化學(xué)平衡。 控制方程的離散 為了求解 帶有旋流燃燒反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)湍流運動問題，首先必須設(shè)置合理的邊界條件，使其封閉的基本方程組能夠在數(shù)學(xué)計算上產(chǎn)生定解，隨后，為了使定解有實際應(yīng)用價值，必須采用正確合理數(shù)值方法進行計算求解。因此，下面主要介紹適合于硫磺回收用燃燒爐三維湍流反應(yīng)流的數(shù)值計算方法 [41]。 網(wǎng)格劃分 由于網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到問題能否得到解決，而網(wǎng)格質(zhì)量主要受節(jié)點分布、光滑性以及歪斜角度的影響，所以在選擇網(wǎng)格的時候必須從以下兩方面進行綜合考慮：（ 1）初始化的時間；（ 2）計算花費和數(shù)值耗散。實際應(yīng)用中，二維計算主要采用四邊形網(wǎng) 格和三角形網(wǎng)格，三維計算主要采用四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、金字塔形網(wǎng)格以及楔形網(wǎng)格。 離散格式 在進行流體動力學(xué)計算前，首先必須對計算區(qū)域進行離散化處理，也就是在連續(xù)空間上劃分計算區(qū)域，生成多個流體子區(qū)域，并確定每個區(qū)域的節(jié)點，進而生成計算網(wǎng)格。然后在計算網(wǎng)格上對控制方程進行離散處理，也就是將控制方程有偏微分格式簡化為在網(wǎng)格節(jié)點上的代數(shù)方程組。根據(jù)不同的離散方程推導(dǎo)方法以及各節(jié)點之間應(yīng)變量分布假設(shè)，離散化方法主要可以分為有限差分法、有限元法和有限元體積法三大類，其中，有限體積法在流體動力學(xué)計算中是 應(yīng)用的最為廣泛的。有限體積法在流體區(qū)域離散方式上是把原來的連續(xù)空間離散處理到有限個離散點上進行計算。 差值方式在建立離散方程過程是必不可少的，目前常用的離散格式有以下七種：中心差分格式、混合格式、指數(shù)格式、一階迎風(fēng)格式、乘方格式、二階迎風(fēng)格式以及 Quick 格式。 FLUENT 程序中主要提供了以下四種計算格式：一階迎風(fēng)格式、指數(shù)格式、二階迎風(fēng)格式以及 Quick格式，它們的優(yōu)缺點如下： （ 1）一階迎風(fēng)格式減少了中心差分格式中 Pe2 限制，考慮了流動方向?qū)﹄x散結(jié)果的影響，在任何條件下解都不會發(fā)生振蕩；但是，當(dāng) Pe 值較大時，對于擴散值的計算可能會偏高。一階迎風(fēng)格式雖然在任何條件下都接都不會產(chǎn)生振蕩，但是其計算精度有限，所以計算有較大的計算誤差，這是因為在離散處理中截差等級比較低的造成的； （ 2）指數(shù)離散格式考慮了擴散對流對解的影響，可以得到一維穩(wěn)態(tài)問題的精確解，但是當(dāng)處理有源項問題以及二、三維問題時，其求解結(jié)果是不準確的； 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 19 （ 3）二階迎風(fēng)格式通過上游最近一個單元節(jié)點的物理量來確定控制體積界面的物理量，這與一階迎風(fēng)格式是一致的；但二階迎風(fēng)格式還需要上游另一個節(jié)點的值。通過二階迎風(fēng)格式的離散化處理，降低了一階迎風(fēng)格式擴散 誤差，因此具有二階截差等級迎風(fēng)格式具有更高的計算精度。 （ 4）在離散處理流動方向?qū)R的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格時， Quick 格式比指數(shù)格式以及一、二階迎風(fēng)格式具有更高的計算精度，這是因為 Quick 格式中對流項具有三階截差精度，擴散項具有二階截差精度。但由于 Quick 格式只能使用在 Pe≤ 8/3 且條件穩(wěn)定的條件下，因此其主要應(yīng)用在六面體網(wǎng)格或四邊形網(wǎng)格離散處理中。 算法 經(jīng)過離散化處理后，燃燒爐內(nèi)湍流反應(yīng)流的基本方程就可以簡化為相對應(yīng)的差分方程組，并且需要求解的未知量與差分方程數(shù)量是一致的，整個問題也是封閉的，但這 并不代表每一個未知量都有以它為中心的函數(shù)方程。比如說，壓力是非零級化學(xué)反應(yīng)速率大小的重要影響因素，直接影響著速度場的分布，但在動量方程中，壓力不是直接求解，而是在源項中進行處理。因此，在進行燃燒爐冷態(tài)流場以及熱態(tài)流場計算時，壓力分布正確與否直接影響計算結(jié)果的正確性。在具體計算過程中，壓力場一般是由連續(xù)方程計算間接確定的，也就是說，當(dāng)速度場通過壓力場代入動量方程計算出來以后，該速度場必須是滿足連續(xù)性方程。如果不滿足，則需要對壓力場進行修正出路，直到滿足上述條件為止。在工程計算中，分離式解法中的壓力修正法是使用 得最為廣泛的，而 FLUENT 程序主要提供了 SIMPLE、 SIMPLCE 以及 PISO 算法三種壓力 /速度耦合算法。 迭代方法及松弛因子 選擇一個合理的欠松弛因子對計算效率的提高是至關(guān)重要的，這是因為過大欠松弛因子，會使計算結(jié)果震蕩或者發(fā)散，計算無法繼續(xù)進行，而過小的欠松弛因子又會增加計算時間，雖然收斂相對穩(wěn)定但速度很慢。在實際計算中，因為所給定的條件都是不確定，所以最佳的欠松弛因子都是通過不斷試算來確定的。 本章小結(jié) 本章通過對流體流動數(shù)學(xué)模型、湍流模型、燃燒反應(yīng)模型以及控制方程離散方法的介 紹建立了硫磺回收用燃燒爐爐內(nèi)組分燃燒數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型 ： 除了要遵守質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒等基本方程外，氣相湍流計算選用對旋流模擬比較好的 Realizable ~k ? 雙方程模型， 而湍流 /燃燒則 采用EDC 渦耗散概念模型 以此 來考慮詳細的化學(xué)反應(yīng)機理。 硫磺回收用燃燒爐 CFD 數(shù)值模擬及花墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 20 第 4 章 燃燒爐數(shù)值模擬 為充分了解 酸氣 燃燒 反應(yīng) 對爐內(nèi) 速度場 、溫度場 壓力場 及組分分布的影響，本 章 將 對 現(xiàn)役燃燒爐結(jié)構(gòu) 進行合理簡化， 建立燃燒爐 流體域 模型， 并 對燃燒爐 內(nèi) 冷態(tài) 流場 、熱態(tài)流場進行計算，得到爐內(nèi)速度場 分布、溫度場 分布及組分濃度 場 分布等結(jié)果，為 進行 燃燒爐結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化 奠定基礎(chǔ) 。 計算 工況 本文模擬對象是重慶 某 天然氣凈化廠 生產(chǎn) 中所使用的燃燒爐 ， 其結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。 圖 41 硫磺回收用燃燒爐實體模型 燃燒爐爐體部分 總長 為 ，最大爐膛直徑為 ，爐內(nèi)流體通過區(qū)域體積約為 。 燃