Fluent軟件模擬計算煤粉燃燒的機理及其模型實現的方式

丁歷威，李鳳瑞

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

0 引言

由于計算機模擬技術具有低成本、高效率以及方便快捷的優點，在工程實踐中得到越來越廣泛的應用。很多鍋爐設計及燃燒器的改造方案都已經把煤粉燃燒數值計算結果作為其重要的參考資料。目前優秀的數值計算軟件有Fluent，CFX等，其中Fluent以其豐富的模型、高效的算法、準確的計算結果，在國內外得到了普遍的應用[1-2]。

但是Fluent也具有局限性，由于適用于所有數值計算問題，其模型具有一定的通用性。所以對于一些特殊的比較專業的問題，用其自帶的模型已經不適用。比如煤粉燃燒，它所需計算的對流擴散方程很多[3-5]，采用Fluent自帶的燃燒模型、顆粒運動模型等所計算出的結果與實際有較大的出入。為解決這個問題，必須深入分析Fluent處理煤粉燃燒的機理，并在此基礎上通過用戶自定義函數（User Defined Function，UDF）進行二次開發，深入研究煤粉燃燒模型中顆粒跟蹤數計算的方法、過程之間的切換、過程與規則之間的關系、顆粒生命周期內和多調用自定義規則的數目及過程規則的調用機理。根據實際工況以及實驗數據，重新編寫部分計算程序和燃燒模型。

1 Fluent模擬計算煤粉燃燒的機理

煤粉燃燒的數值模擬計算是一個非常復雜的過程，涉及到氣體和顆粒輻射、煤粉濃淡分離、煤粉顆粒熱解、焦碳表面燃燒以及煤粉顆粒分級燃燒等情況。Fluent把模擬計算分成了4個過程[6]：煤粉顆粒的吸熱、揮發分的析出、焦炭的表面燃燒以及灰分的吸熱或者冷卻，每一個過程都有一個具體的規則去求解相應的方程，規則也可以通過UDF自定義重寫。各個過程切換在規則切換準則（Switch Law）中實現。

1.1 初始吸熱過程（First Law）

當煤粉顆粒的溫度小于揮發分熱解溫度時，該過程就會被觸發。Fluent默認執行吸熱規則（Inert Heating），顆粒的熱源來自于對流換熱和輻射換熱。

1.2 揮發份析出過程（Second Law）

當煤粉顆粒溫度大于揮發分熱解溫度，并且煤粉顆粒中含有揮發分時，該過程就會被觸發。Fluent默認采用熱解規則（Devolatilization），有多個模型可以選擇，如固定速率熱解模型、單步熱解模型、雙競爭反應模型，其中用的比較多的是單步熱解模型和雙競爭反應模型，該規則僅僅適合于煤粉燃燒顆粒。

1.3 焦炭表面燃燒模型（Third Law）

當揮發分析出完成后，煤粉顆粒只剩下焦炭和灰分時，就會觸發該過程。Fluent默認執行顆粒表面燃燒規則（Surface Combustion），也有多個表面燃燒模型可以選擇，一般采用動力—擴散限制燃燒模型，該模型分3個區域[7]：

（1）在溫度小于1000℃時，由于化學反應速率很慢，擴散過來的氧量遠遠超過反應所需的氧量，這時燃燒速率與反應有關。

（2）當溫度超過1400℃時，由于化學反應速率常數隨著溫度升高急劇增大，致使反應所消耗的氧量遠遠超過擴散過來的氧量，這時燃燒速率主要由氧氣的擴散速度決定。

（3）當溫度在1000～1400℃之間，燃燒速率受到反應速率和氧氣擴散速率雙重影響。

1.4 灰分的吸熱或者冷卻（Fourth Law）

當經歷了揮發分熱解、焦炭表面燃燒后，煤粉顆粒中只剩下灰分。這時灰分只會經歷一個吸熱或者放熱過程。該過程就被觸發，其規則求解方程與First Law一樣。

煤粉燃燒的每一個過程，都有相應規則去求解相應的方程。如果Fluent求解的方程不符合模型的實際情況，可以通過UDF二次開發重寫相應的具體執行規則。比如要把揮發分熱重曲線取代Fluent原有的可選模型，可以通過UDF把熱重曲線寫入自定義煤粉顆粒熱解模型，然后替換原來的Devolatilization。

2 顆粒跟蹤數的計算方法

在Fluent中不同的煤粉顆粒射流類型（Injection Type）就有不同的計算顆粒跟蹤數的方法。目前比較常用的Injection Type按以下幾種情況劃分： 單個顆粒（Single）、 群組（Group）和顆粒進口表面（Surface）等。通過編寫自定義UDF，掌握各個類型顆粒跟蹤數的計算方法。

2.1 Single類型

Single類型是指煤粉顆粒在入口面以單個顆粒進入計算區域的，假設煤粉中所有的顆粒都是相同的直徑和質量，這個顆粒代表了煤粉所有的信息，包括流速、質量、直徑等等。所以跟蹤1個顆粒就能反映所有煤粉的特征。Fluent中一般采用顆粒隨機軌道模型，射流的數目（Number of Tries）也決定煤粉跟蹤顆粒數。假定Number of Tries為20，其含義是把之前跟蹤的顆粒分成20個，每個顆粒占有的流量就是原來的1/20，然后對這20個顆粒賦予不同的速度脈動值，求得各自的顆粒軌跡。Number of Tries相當于用統計的方法來反應煤粉顆粒的走向，所以該類型下Fluent跟蹤的顆粒數為：

2.2 Group 類型

Group類型是指煤粉顆粒按照直徑分成多股煤粉流，每股煤粉流之間直徑、質量、流量、位置都各不同，然后每股煤粉流按照1個Single類型來處理，所以該類型下Fluent跟蹤的顆粒數為：

2.3 Surface類型

Surface類型是指煤粉顆粒根據入口面網格分成多股煤粉流。每1個面網格相當于1個Group，所以該類型Fluent跟蹤的顆粒數為：

3 過程切換的方式

通過自編UDF，掌握Fluent軟件中過程切換的方式。在煤粉燃燒過程中，Fluent對各個過程的切換是在Switch Law中進行的。比如顆粒溫度達到了揮發分熱解溫度時，過程從First Law切換到Second Law是由Switch Law控制的，而不是由First Law中的規則Inerting heating或者是Second Law中的規則Devolatilization，也不是自定義規則確定。而Switch Law中的默認規則（Default）已經根據煤粉燃燒的特點把切換條件寫入其中。

所以當需要修改揮發分熱解模型或者表面燃燒模型時，并不需要修改Switch Law，只需要重寫Second Law或者Third Law中的具體規則。除非增加燃燒過程，或者需要修改燃燒過程切換條件，才需要重寫Switch Law中的規則。

4 過程與規則之間的關系

過程與規則在Fluent計算中的調用關系是UDF二次開發的關鍵。在UDF中，獲取當前顆粒所處過程[8]的索引號是：

判斷當前過程對應的換熱規則是：

式中：p為Fluent求解器中的顆粒指針。每個跟蹤顆粒都有1個指定的指針來定位它。

規則是過程具體的執行代碼。默認的規則有多個模型可以選擇，也可以通過自定義UDF來重寫規則。

在Fluent中過程是從0開始計數，比如Fisrt Law代表著0，Second Law代表著1等，而各個規則是保存在p結構體數組heat_mass_laws中。

5 煤粉燃燒過程規則模型的調用方式

通過重寫Switch Law，發現每1個煤粉顆粒在其生命周期內最多只能執行4個自定義規則。如果超過4個，顆粒跟蹤迭代就會報錯。具體的說就是可以編寫4個以上的自定義規則導入Fluent中，也可以在Injection中設置4個以上的自定義規則。但是顆粒生命周期內調用的自定義規則最多4個，多設置的自定義規則調用不到，就不會報錯，如果調用到了，顆粒跟蹤迭代就會報錯。如果自定義了1個規則，但是在多個過程中被設置，那么這個規則也要重復被計數，而自帶規則沒有此限制，如表1所示。

從表1可以看出，DEFINE_DPM_LAW自定義的規則[8]在Fluent內部編號從7開始的。而且最多只能定義4個。

通過編寫大量的UDF，給出了Fluent對煤粉燃燒過程規則模型的關系，如圖1所示。對于UDF二次開發而言，就是用自定義的規則來取代Fluent默認的規則。同時理論上可以增加煤粉燃燒過程，此時就需要重寫Switch Law，把增加過程的觸發條件加入其中。

6 結論

在詳細說明Fluent中煤粉燃燒每一步過程的含義以及每一步過程切換的條件后，通過自編UDF掌握了Fluent處理煤粉燃燒過程的機理。通過分析可以清楚地理解Fluent處理煤粉燃燒的機理以及各個過程規則算法的調用方式，從而為重寫煤粉燃燒模型提供了基礎。

（1）顆粒跟蹤數的計算和Injection Type有關，不同的類型有不同的計算方法。

（2）過程之間的切換是由Switch Law來控制的。過程切換的觸發條件在Switch Law中的Default規則中寫入。如果只是重寫已有的過程，就不需要重寫Switch Law。如果需要增加過程，或者更改過程觸發條件，需要重寫Switch Law。

（3）過程與規則在Fluent計算中的調用關系是UDF二次開發的關鍵，規則是過程具體的執行代碼。默認的規則有多個模型可以選擇，也可以通過自定義UDF來重寫規則。

（4）每一個煤粉顆粒在其生命周期內最多只能執行4個自定義規則。如果超過4個，顆粒跟蹤迭代就會報錯。如果自定義了1個規則，但是在多個過程中被設置，那么這個規則也要重復被計數。

[1]王培萍，岳希明，趙世偉，等.雙強少油煤粉點火燃燒技術在 600MW 鍋爐上的應用[J].鍋爐技術，2009，40（4）∶49-52.

[2]閻維平，劉亞芝.300 MW四角切圓煤粉鍋爐燃燒工況的數值模擬及優化研究[J].鍋爐技術，2007，38（6）∶14-19.

[3]李路明，陳力哲，孫銳，等.水平濃淡微油點火煤粉燃燒器燃燒過程數值模擬及工業應用[J].電力建設，2008，29（8）∶7-12.

[4]郭建民，劉石，姜凡.300 MW 旋流對沖燃煤鍋爐燃燒與排放數值模擬[J].鍋爐技術，2006，37（4）：44-48，54.

[5]申春梅，孫悅，吳少華.1 GW單爐膛雙切圓爐內煤粉燃燒過程的數值模擬[J].中國電機工程學報，2006，26（15）∶51-57.

[6]Fluent Inc.Fluent6.2 User′s Guide[M].2005

[7]徐旭常，周力行.燃燒技術手冊[M].北京：化學工業出版社.2008.

[8]Fluent Inc.Fluent6.2 UDF Manual[M].2005.