Использование программного комплекса ansys CFX при моделировании пылеугольной горелки

Оригинальная статья / Original article

УДК 621.928.6: 001.891.573

DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-75-80

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS CFX ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПЫЛЕУГОЛЬНОЙ ГОРЕЛКИ

© Ю.В. Жильцов1, В.В. Ёлшин2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Целью исследования является возможность использования программного комплекса ANSYS CFX при анализе распределения концентрации топливных частиц в пылеугольных горелках. МЕТОДЫ. В статье приведена методика расчета концентрации угольных частиц в горелочном устройстве энергетического котла БКЗ-420. Течение газовой смеси описывается системой стационарных уравнений сохранения массы и энергии Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу. В качестве модели турбулентности использовалась RNG разновидность модели k- е, которая позволяет более точно описывать сложные пространственные течения и оптимально подходит для моделирования потока твердых частиц. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены результаты, демонстрирующие возможность применения метода конечных элементов при расчете пылеугольной горелки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Выполнено численное моделирование пылеугольной горелки и получены полноценные картины физических процессов.

Ключевые слова: турбулентный масштаб длины, интенсивность турбулентности, динамическая вязкость, массовый расход.

Формат цитирования: Жильцов Ю.В., Ёлшин В.В. Использование программного комплекса ANSYS CFX при расчете пылеугольной горелки // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 21. № 4. С.75-80. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-75-80

ANSYS CFX SOFTWARE APPLICATION FOR PULVERIZED COAL BURNER SIMULATION Y.V. Zhiltsov, V.V. Elshin

Irkutsk National Research Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.

ABSTRACT. The PURPOSE of this study is to reveal the possibility to use ANSYS CFX software in the analysis of fuel particle concentration distribution in pulverized coal burners. METHODS. The article describes the calculation methods of coal particle concentration in the BKZ 420 power boiler burner. Gas mixture flow is described by the system of the Reynolds-averaged stationary Navier-Stokes equations of mass and energy conservation. An RNG modification of the model k - е is used as a turbulence model. It allows a more accurate description of complex spatial flows and is optimal for solid particle flow simulation. RESULTS. The results obtained demonstrate the possibility to apply the finite element method for pulverized coal burner calculation. CONCLUSION. Numerical simulation of the pulverized coal burner has been performed and the complete picture of the physical processes have been received. Keywords: turbulence length scale, turbulence intensity, dynamic viscosity, mass flow rate

For citation: Zhiltsov Y.V., Elshin V.V. ANSYS CFX software application for pulverized coal burner simulation. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 21, no. 4, pp. 75-80. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-75-80

Введение

Современные способы сжигания пы-леугольного топлива в значительной степени определяются аэродинамикой течения рабочей среды в различных элементах котельной установки. Как правило, затруднение вызывает решение вопросов, возникающих при

проектировании оборудования, работающего с неоднофазными средами. Так, применение пылеугольного способа сжигания на ТЭЦ требует особого подхода при расчете движения двухфазной пылевоздушной смеси в системе горелочных устройств, что во многом

1

Жильцов Юрий Вадимович, инженер НИЧ, e-mail: yr25m@mail.ru Yuriy V. Zhiltsov, Engineer of the Research Department, e-mail: yr25m@mail.ru Ёлшин Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор. Viktor V. Elshin, Doctor of technical sciences, Professor.

определяет надежность воспламенения и экологичность сжигания топлива.

В статье рассматривается методика расчета движения двухфазной пылевоз-

душной смеси в горелочном устройстве энергетического котла БКЗ-420 с использованием CFD пакета ANSYS СFX.

Методика моделирования

ANSYS СFX - мощный инструмент для оптимизации процесса проектно-конструкторской и технологической подготовки в области вычислительной динамики жидкостей и газов. При моделировании движения твердых частиц в потоке газа Ansys CFX, как и большинство других аналогичных программных продуктов, использует два базовых метода - Лагранжа и Эйлера [1]. Метод Лагранжа может достоверно описать движение одиночных частиц при условии их упругого соударения со стенкой расчетной области, что справедливо только для порошкового материала крупнодисперсной фракции (свыше 100 мкм). Метод Эйлера, достоинством которого является то, что разницу концентраций дисперсной фазы между 2-мя точками определяет диффузионный поток, применяется для тонкодисперсной (до 10 мкм) и мелкодисперсной (до 100 мкм) фракции пылевоз-душной смеси.

В первую очередь был определен перечень решаемых задач:

1. Создание в САПР расчетной гео-

метрии, которая является основой для сеточной математической модели.

2. Проведение расчетного исследования процесса движения пылевоздушной смеси с выбором математических моделей.

3. Сокращение натурных экспериментальных исследований при проектировании завихрителей, которые применяются в пылеугольных горелках.

4. Получение результатов расчетов в цифровом формате.

Разработка расчетной геометрии. При разработке технического решения, направленного на обеспечение пропорционального распределения пылевоздушной смеси на выходе из горелочного устройства, была построена трехмерная модель существующей конструкции горелки. Геометрия разрабатывалась в графической CAD системе Autodesk Inventor, которая позволяет экспортировалась геометрию в ANSYS CFX в формате Parasolid (*x._t) [1]. Общий вид расчетной геометрии горелки приведен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид расчетной геометрии Fig. 1. General view of the settlement geometry

Исходные данные для выполнения расчета, представленные в табл. 1, взяты из технического отчета тепловых испытаний котла БКЗ-420-140-6 ст. № 3 НовоИркутской ТЭЦ.

Выбор математических моделей для моделирования процесса движения пылевоздушной смеси. Первый этап моделирования процесса движения пылевоздушной смеси сводится к выбору основных математических моделей, которые будут применяться в расчете. Приводим перечень основных моделей:

- модель переноса энергии;

- модель движения газообразной

среды;

- модель распределения частиц дисперсной фазы в турбулентном потоке.

Модель переноса энергии. Модель переноса энергии total energy учитывает и теплообмен, и сжимаемость [1], используется для жидкой или газообразной среды, интегрирует уравнение энергии в зависимости от заданного исходного состояния вещества в расчетной области.

Общий вид уравнения энергии для жидкого или газообразного вещества имеет вид

= V(XVT) + V(U т) + USM + SE,

где p - плотность вещества; X - молекулярная теплопроводность; U - значение скорости; P - статическое (термодинамическое) давление; htot - значение полной энтальпии; т - значение касательного напряжения; SE - объемный источник энергии; SM - величина начального импульса; Т - относительная температура.

Модель движения газообразной среды. В качестве модели турбулентности использовалась RNG разновидность модели k - £. Данную модель предложили Якхот и Орзаг в 1986 году, воспользовавшись теорией ренормгрупп (renormalization group, RNG) и создали RNG-версию модели турбулентности. Эта версия несколько отличается от стандартной модели k - £ коэффициентами. Из всего арсенала моделей турбулентности CFX данная модель позволяет более точно описывать сложные пространственные течения и оптимально подходит для моделирования потока твердых частиц в рассматриваемой расчетной геометрии [2, 4, 5].

Исходные данные

Input data

Таблица 1 Table 1

Наименование параметра / Parameter Величина / Size

о о Плотность угольной частицы, кг/м3 / Coal particle density, kg/m3 1200

о о Плотность газовой смеси, кг/м3/ Gas mixture density, kg/m3 1,185

Динамическая вязкость газовой смеси, Па'с / Dynamic viscosity of gas mixture, Pas 0,000153

Массовый расход угольной пыли, кг/сек / Coal dust mass flow, kg/m3 2

Массовый расход газовой смеси кг/сек / Gas mixture mass flow, kg/s 11,46

Начальная температура системы, K / Initial temperature of the system, К 453

Размер частиц пылеугольного топлива, мкм/ Size of pulverized fuel particles,^ 45, 90 ,200

Важно подчеркнуть, что турбулентные вихри непрерывны и постоянно соприкасаются друг с другом, причем большие вихри содержат в себе вихри меньших размеров. В результате турбулентность трактуется как каскадный процесс передачи энергии от больших вихрей к малым. В конечном счете, самые маленькие вихри, размеры которых, кстати, намного превышают длину молекулярного пробега, рассеивают энергию в теплоту посредством молекулярной вязкости.

Модель распределения частиц дисперсной фазы в турбулентном потоке. Данная модель предполагает, что частица всегда движется только в одном вихре. Каждый вихрь имеет нестабильную составляющую скорости Vf , период существования ^ и длину Le. Когда частица попадает в вихрь, нестабильная составляющая скорости для этого вихря добавляется к стабильной составляющей скорости сплошной фазы. В результате получается мгновенное значение скорости сплошной фазы. Турбулентная скорость, длина и период существования каждого вихря считаются на основании заданных граничных условий турбулентного потока и определяются следующими уравнениями [3]:

C4k 2

2 k

где k - скалярный коэффициент энергии турбулентного потока; £ - скалярный коэффициент рассеивания потока; Су - постоянная турбулентности; Г - случайная величина, которая выбирается для того,

чтобы определить случайность турбулентного потока.

Входная задаваемая степень турбулентности потока равна 0,03, а масштаб турбулентности, который определяется геометрией исследуемой области, приравнивается к диаметру горелки. Смесь подается равномерно со скоростью 25 м/с.

Весь спектр частиц топлива разбивался на N-е число групп. При этом вводилось допущение, что поведение каждой отдельной группы частиц может быть описано поведением одной частицей - маркером. Таким образом, в данной работе отслеживались траектории движения порядка 10000 частиц - маркеров.

Расчетная сетка. Расчетная область является частью рассматриваемой конструкции горелки. На основе предварительного анализа сходимости в ней была построена сеточная математическая модель (рис. 2), состоящая из 2 850 000 тетраэдральных элементов. Размер элементов в пристеночных слоях задавался с учетом критерия у+, который должен удовлетворять условию 30 < у+ < 300, так как газовая смесь движется в сильно развитом турбулентном потоке.

Настройки решателя, применяемые в ANSYS CFX, приведены в табл. 2.

В задачах со сжимаемыми течениями рекомендуется на первом этапе провести решение с более устойчивой физической моделью, а затем использовать это решение как начальное условие (инициализацию) для решения физически более сложной задачи.

3

3

Рис. 2. Сеточная математическая модель Fig. 2. Grid mathematical model

Таблица 2

Настройки параметров решателя ANSYS CFX

Table 2

ANSYS CFX solver parameter settings_

Наименование параметра / Parameter Величина / Size

Схема адвекции / Advection scheme Высокое разрешение / High Resolution

Порядок турбулентности / Turbulence order Первый порядок / First Order

Максимальное число итерации / Maximum number of iterations 1000

Минимальное число итерации / Minimum number of iterations 1

Уровень невязок / Residual Level 0,00001

Уровень глобальных небалансов / Level of global imbalances 0,01

Шаг интегрирования по времени / Time integration step Автоматический / Automated

Исследование сходимости итерационного процесса в среде АМБУБ СРХ показало, что для стабилизации решения достаточно 5475 счетных итераций.

Результаты числ

Цветовые карты распределения концентраций топливных частиц в расчетной геометрии приведены на рис 3. Как видно из результатов моделирования, пыль после завихрителя движется преимущественно вдоль наружной стенки трубы. Ми-

Дальнейшее увеличение количества итераций не оказывает влияния на численный расчет.

> моделирования

нимальная концентрация частиц наблюдается в верхней части расчетной области, а максимальная - в основании. Проведенный анализ позволяет сделать вывод, что концентрация частиц на выходе из расчетной области неравномерна.

b c

Рис. 3. Цветовые карты распределения концентраций топливных частиц: a - осевое сечение; b - на выходе из расчетной области; с - стенка расчетной области

Заключение

Трехмерное моделирование на базе программного комплекса ANSYS CFX позволяет разрабатывать технические решения, связанные с модернизацией и выбором оптимальной конструкции пылеуголь-ных горелок для энергетических котлов.

Разработанная схема расчета движения твердых частиц в газовом потоке в дальнейшем может быть использована при оценке наличия конструктивных дефектов в системе пылепроводов и горелочных устройств в энергетических котлах.

Библиографический список

1. Руководство пользователя ANSYS CFX-Solver Modeling Guide. ANSYS CFX Release 14.5. Canonsburg: ANSYS, Inc., 2013.

2. Townsend A.A. The structure of turbulent shear flow (second edition) // Cambridge: Cambridge University Press, 1976. No. 3. P. 28-35.

3. Кондрашов П.В. Математическое моделирование газодинамики порошковой струи при реализации технологии «RAPID PROTOTYPING» // Восточ-

но-Европейский журнал передовых технологий, 2013. № 5/7 (65). С. 4-11.

4. Kotila J. Steel Powders for Direct Metal Laser Sintering Process-Novel Properties and Applications. // Proc. Of 2000 Powder Metallurgy World Congress, 2000. No. 8 (110), P. 801-804.

5. Syvanen T. Direct Metal Laser Sintering of Very Fine Metal Powders // Proceedings of International Congress "ICALE0'2000", 2000. No.1 (17), Р. 21-29.

References

1. User's Manual ANSYS CFX-Solver Modeling Guide. ANSYS CFX Release 14.5. Canonsburg: ANSYS, Inc., 2013.

2. Townsend A.A. The structure of turbulent shear flow (second edition). Cambridge, Cambridge University Press Publ., 1976, no. 3, pp. 28-35.

3. P.V. Kondrashov. Matematicheskoe modelirovanie gazodinamiki poroshkovoi strui pri realizatsii tekhnologii «RAPID PROTOTYPING» [Mathematical modeling of gas dynamics of powder stream in implementation of Rapid Prototyping technology]. Vostochno-Evropeiskii

Критерии авторства

Жильцов Ю.В., Ёлшин В.В. имеют равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 16.01.2017 г.

zhurnal peredovykh tekhnologii [Eastern European advanced technology magazine]. 2013, no. 5/7,

4. Kotila, J. Steel Powders for Direct Metal Laser Sintering Process-Novel Properties and Applications. Proc. Of 2000 Powder Metallurgy World Congress, 2000, no. 8 (110), pp. 801-804.

5. Syvanen, T. Direct Metal Laser Sintering of Very Fine Metal Powders T. Syvanen. Proceedings of International Congress "ICALEO'2000", 2000, no. 1 (17), pp. 21-29.

Authorship criteria

Zhiltsov Y.V., Elshin V.V. have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 16 January 2017