煙氣混合流場模擬計算

王永興

(山西國控環球工程有限公司(原山西省化工設計院)，山西 太原 030024)

本次研究的管道為加熱爐出口煙氣管道(DN1200)和引風機出口管道(DN2000)兩個管道組成的管系。兩個管道出口處壓力和溫度不同，煙氣流速相差很大，加熱爐出口支管的煙氣流速較大。通過本次研究，從理論上模擬兩股流體的流動情況及混合時兩種流體的流動狀態，避免引風機出口流體出現反混回流現象，為設計工作提供依據。

本次計算主要用到兩個軟件Gambit和Fluent。Gambit主要是通過其GUI(用戶界面)接受用戶輸入的數據，從而直接簡單的建立幾何模型、網格化模型形成有限元模型的一個軟件包，它是流體力學(CFD)計算領域一個重要的建模工具。Fluent本身帶有先進的數值計算方法、各種各樣的的物理模型以及強大的后處理性能，它的數值計算方法在計算速度、精度和穩定性等各方面均有很大的優勢，尤其在流體分析計算、熱量傳導和化學反應工程等方面具有特別顯著的優勢，因此，這個軟件的應用非常廣泛。

1 模擬軟件介紹

1.1 Fluent介紹

目前，在市面上的CFD軟件中，國內外備受推崇、使用廣泛、最流行的理論流體模擬計算軟件主要是Fluent軟件。Fluent軟件的理論模擬計算是基于“CFD軟件群”的理念，主要是針對每一種流動的流體的實際物理特征，選擇最為合適的數值計算方法對問題進行模擬求解，因而在計算速度、精度和穩定性等各個方面均達到最為理想的結果。目前Fluent軟件已經被ANSYS收購，作為ANSYS的一個模塊。

Fluent軟件主要有以下幾個特點：(1)Fluent軟件目前采用的模擬計算法為有限元體積發生，它是基于完全非結構化網格的一種方法，并且具有基于網絡單元和網格節點的梯度算法；(2)Fluent計算軟件可以用于非定常/定常流體流動的模擬，且具有快速的非定常模擬性能；(3)Fluent計算軟件含有動/變形網格劃分技術，主要用來解決運動邊界的問題，在具體使用時僅僅需要給出初始網格劃分和相關運動壁面的邊界限制條件，其剩余的網格變化則完全由計算器自動進行生成；(4)Fluent計算軟件網格支持能力十分強大，它支持邊界不連續的網格劃分、混合網格劃分、動/變形網格劃分以及滑動網格劃分等；(5)Fluent計算軟件還具有多種基于計算解的網格自適應的性能、動態的自適應性能以及網格動態自適應和動網格相結合的性能；(6)Fluent計算軟件包含三種算法：耦合顯式算法、耦合隱式算法、非耦合隱式算法，這種軟件是商用計算軟件中應用最多的；(7)Fluent計算軟件包含了豐富而先進的湍流計算模型，能夠準確地模擬處無粘型流、層流、湍流等多種流體形態。湍流模型包含了Spalart-Allmaras模型組、k-ω模型、k-ε模型、雷諾應力模型(RSM)、大渦模擬模型(LES)以及分離渦模擬(DES)等。另外它還可以根據實際的物理情況進行定制或者添加自己需要的湍流模型。

Fluent軟件的優點為：

(1)適用面廣。適用范圍很廣，Fluent計算軟件含有很多種傳熱燃燒計算模型及多相流計算模型，可應用于從可壓縮流體到不可壓縮流體、從低速流體到高速甚至超音速流體、從單相流到多相流、以及化學反應、氣固混合、燃燒等幾乎所有的和流體相關的領域。

(2)高效省時。Fluent計算軟件可以將不同領域的相關計算軟件組合起來，成為一個CFD軟件群，這些相關軟件可以方便的進行數值交換，且采用了統一的前處理、后處理工具和方法，這樣就節省了科研學者在計算方法、前后處理、模擬編程等方面投入，節省了很多寶貴的時間，大大提高了科研的效率。

(3)穩定性好且精度高。這種軟件對每一種物理問題，都會針對它的流動特點，選擇適合的數值計算方法，用戶可以選擇顯式或隱式差分格式計算方法，使得在計算精度、速度和穩定性方面均達到最佳效果。

1.2 Gambit介紹

Gambit是為了建立力學計算物理模型和網格化形成計算流體力學(CFD)模型，并且和其它軟件接軌而設計的一個軟件包。Gambit通過其用戶界面(GUI)來接收用戶的數據輸入。Gambit GUI可以簡單、直接的建立物理模型、網格化模型形成有限元模型。

Gambit建模軟件主要具有以下特點:(1)具有建立在ACIS內核基礎上全面的三維幾何建模性能，可以通過各種方式，直接或者間接建立點、線、面和體，而且它具有十分強大的布爾運算性能；(2)可以自動的對生成的Journal文件編輯，來自動控制、修改或者直接生成新的幾何與網格；(3)建立的模型可以導入PRO/E、CATIA、UG、ANSYS、SOLIDWORKS、PATRAN等大多數的CAD/CAE軟件。且導入的模型質量很高；(4)具有強大的幾何修復性能，在導入幾何模型時可以自動合并一些重合的點、線、面等；(5)網格劃分能力十分強大，可以輕松的劃分包括邊界層、具有CFD特殊性能要求的高質量計算網格；(6)Gambit獨有的六面體核心(HEXCORE)技術集成了非結構網格和笛卡爾網格的優點，從而使得網格劃分更加簡單，網格質量更高。

2 基本條件

來自加熱爐流量為30000 Nm3/h、溫度為443.15T(170℃)、壓力為5000Pa的煙氣流經直徑1.2 m的管道，與來自煙氣引風機煙氣流量為122200 Nm3/h、溫度為393.15T(120℃)、壓力2624Pa的流經直徑2m的管道的煙氣混合,混合后的溫度400.15T(127℃)。

2.1 基本數據

表 1 基本數據

2.2 質量流量

引風機出口a質量流量:

加熱爐出口b質量流量:

說明：煙氣的密度按照空氣密度估算。

3 建立模型及計算結果

圖1 實際模型

本次模擬使用質量流量邊界條件。理由為：針對本課題，在使用CFD理論進行模擬計算時，主要使用的邊界條件有壓力入口邊界條件和質量流量邊界條件。壓力入口邊界條件有其適用的區域，比如說典型的浮力驅動的流動。其具體適用范圍為：壓力已知但是流動速度未知的情況。因此使用壓力入口為邊界條件是不合理的，本項目理論計算采用的邊界條件為：質量流量邊界條件。

經過計算，得到的速度場、溫度場、壓力場的計算結果如圖2～6所示。

圖2 速度場模擬結果

圖3 溫度場模擬結果

圖4 速度矢量圖模擬結果

圖5 理論壓力場模擬結果

圖6 實際壓力場結果

4 結論及建議

(1)在建模以及進行流場模擬計算的時候，比較充分的考慮了模型的細節和各種影響因素，因此分析結果可靠；

(2)兩股流體混合后，流動情況良好，通過模擬計算，引風機口煙氣流體不會出現回流反混的現象；

(3)所有類焊接焊頭焊后應內外磨平，應對引風機出口管道與加熱爐出口管道連接三通處的應力進行計算，避免局部應力過大。