Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное представление и уровень моделирования топочных процессов 16
1.1. Обзор работ по моделированию трехмерных течений и теплообмена в топках 19
1.2. Свойства минеральных компонентов пылевидного топлива как фактор шлакования 26
1.3. Основные задачи моделирования 30
Глава 2. Математическая модель пространственного двухфазного турбулентного потока в камере сгорания с учетом шлакования 32
2.1. Описание аэродинамики, теплообмена и горения в газовой фазе 33
2.2. Модель турбулентности 37
2.3. Представление движения и теплообмена полидисперсных частиц в топке 37
2.4. Учет влияния дисперсной фазы на несущую 40
2.5. Формулировка граничных условий (в том числе процесса шлакоулавливания) 41
2.6. Осаждение дисперсной фазы на стенки. Модифицированная модель Маршака 43
2.7. Выводы 46
Глава 3. Численный метод расчета двухфазных турбулентных потоков в областях сложной геометрии 48
3.1. Уравнение переноса для обобщенной переменной 49
3.1.1. Выбор конечно-разностной сетки 50
3.1.2. Получение дискретных аналогов дифференциальных уравнений 53
3.1.3. Аппроксимация конвективных членов уравнений 56
3.1.4. Расчет поля давления. Выбор итерационного метода для решения сеточного уравнения Пуассона 59
3.2. Метод расчета движения и тепломассообмена топливных частиц и их воздействия на движение несущей среды 68
3.3. Тестирование численной модели и метода расчета 69
3.4. Выводы 83
Глава 4. Исследование влияния условий подачи топливо-воздушной смеси, дисперсного состава топлива и геометрии топки котла БКЗ-220-100ЖШ на аэродинамику, теплообмен, горение и шлакоулавливание 85
4.1. Геометрические характеристики и условия ввода топлива и воздуха 85
4.2. Влияние условий подачи топливовоздушной смеси на процессы шлакоулавливания 87
4.2.1. Аэродинамика топки и осаждение шлака в топочной камере при изменении распределения нагрузки топлива на горелочные устройства 88
4.2.2. Аэродинамика и осаждение шлака в топочной камере при разном угле наклона горелок по отношению к горизонту 96
4.3. Влияние дисперсного состава топлива на интенсивность осаждения золовых частиц на стенах топки 103
4.4. Влияние изменения геометрии топки (установки дополнительного пережима) на шлакоулавливание 110
4.5. Выводы 117
Глава 5. Пакет прикладных программ Fire 3D для численного моделирования и визуализации результатов расчетов пространственной аэродинамики в пылеугольных топках 119
5.1. Общая характеристика пакета прикладных программ Fire 3D. 119
5.2. Режимы организации вычислений 120
5.3. Графическое представление результатов 122
5.4. Выводы 126
Заключение 127
Список литературы
- Свойства минеральных компонентов пылевидного топлива как фактор шлакования
- Представление движения и теплообмена полидисперсных частиц в топке
- Расчет поля давления. Выбор итерационного метода для решения сеточного уравнения Пуассона
- Аэродинамика и осаждение шлака в топочной камере при разном угле наклона горелок по отношению к горизонту
Введение к работе
Прогнозирование поведения минеральной части углей в трактах котельных агрегатов остается одной из актуальных задач для энергетики, так как с этим связано обеспечение надежной работы тепловых электростанций. Этот вопрос имеет особое значение при современном состоянии отечественной теплоэнергетики вследствие исчерпания расчетного ресурса основного оборудования на многих электростанциях, расширения использования непроектных или несжигавшихся ранее топлив, потребности освоения энерго-, ресурсо-, и эколо-госберегающих технологий топливоиспользования. Вместе с тем получение сведений, необходимых для предпроектной проработки технических вариантов, апробации мероприятий по реконструкции или тестированию наладочных мероприятий, путем промышленных испытаний или физического моделирования процессов имеет существенные ограничения из-за большой трудоемкости и высокой стоимости. Одним из выходов в такой ситуации является применение численного моделирования для расчета параметров и оценки конструктивных особенностей энергоустановок.
Среди моделей процессов в котле, определяемых свойствами минеральной части угля, моделирование условий шлакообразования и компьютерный расчет коэффициента шлакоулавливания являются ключевыми, поскольку от результата зависит надежность моделирования всех последующих взаимодействий минеральной составляющей топлива с поверхностями нагрева в топке и газовом тракте. Учитывая определяющую роль аэродинамики для организации пылеугольного факельного сжигания в энергетических котлах, необходимо исследовать шлакообразование в комплексе с моделированием двухфазных течений, тепло- и массообмена при горении. Предшествующими работами таких ученых как Патанкар С, Лаундер Б.Е., Сполдинг Д.Б., Дектерев А.А., Алексе-енко СВ., Ильин В.П. и др. в этом направлении применительно к топкам котлов подготовлены возможности и показана актуальность создания программных продуктов, отвечающих современным требованиям к математическому аппарату, численной методике и графическому интерфейсу, и наряду с этим простых в пользовании, наглядных в представлении результатов моделирования, удовлетворяющих по быстродействию и точности выполненных расчетов. Это соответствует основным тенденциям деятельности ведущих мировых произво- дителей прикладного программного обеспечения для персональных компьютеров.
Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями НИР Томского политехнического университета в рамках темы 6.71.02 ЕЗН Минобразования РФ и в продолжение исследований, выполненных ранее в ТПУ в соответствии с научно-техническими программами «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа на 1981-1985 годы» ГКНТ при СМ СССР, «Сибирь» СО АН СССР, государственной НТП «Экологически чистая энергетика».
Целью работы является: развитие математических моделей пространственных аэротермохимических топочных процессов, апробированных в проект-но-конструкторской практике; создание усовершенствованного пакета прикладных программ для расчета и визуализации локальных характеристик топочной среды; численное исследование влияния параметров двухфазных течений на степень улавливания шлака применительно к реальным топкам котельных агрегатов.
Для достижения данной цели сформулированы следующие основные задачи исследования: компоновка и описание математической модели поведения двухфазной среды при факельном горении полидисперсного пылеугольного топлива и осаждения минеральных остатков на ограничивающие поверхности; применение новейших вычислительных схем для повышения точности результатов и сокращения времени счета; проведение вычислительных экспериментов, позволяющих оценить влияние элементов конструкции, режимных параметров, условий ввода топлива и воздуха на аэродинамические и тепловые характеристики реальной топки; расчетное определение локального коэффициента шлакоулавливания в исследованном поле характеристик топки с использованием систематизированных данных по минеральной части углей; выявление возможностей управляющего воздействия режимно-конструктивных факторов на распределение минеральной части пылеугольного факела между шлаком и уносом на примере экспериментально [45] изученной топки; разработка пакета прикладных программ расчета и визуализации результатов вычислений для платформы WINDOWS с современным многофункциональным интерфейсом.
Научная новизна состоит в построении математической модели для исследования пространственной аэродинамики, тепломассообмена, горения и шлакования при факельном сжигании полидисперсного пылеугольного топлива в топках паровых котлов. Для численного решения задачи применен метод конечных разностей со вторым порядком аппроксимации дифференциальных уравнений. Проведены специальные исследования по выбору метода решения разностных уравнений. Значительное (до 50%) сокращение расчетного времени достигается при использовании метода минимальных невязок или метода би-сопряженных градиентов с предобуславливанием по Н.И. Булееву. Впервые для топки с жидким шлакоудалением открытого типа с прямым вдуванием угольной пыли выполнены численные исследования шлакоулавливания в комплексе с эффективностью горения, аэродинамики и теплоотдачи, на основании которых установлены особенности влияния варьируемых факторов на параметры работы топки.
Практическая значимость определяется готовым к использованию программным продуктом, пригодным при правильном задании начальных условий для вычисления результатов поведения двухфазной среды «воздух - пыле-угольное топливо», применимых при проектировании и реконструкции конкретных топочных устройств, а также систем газоочистки тепловых электростанций.
Разработанный программный комплекс FIRE 3D передан для использования в ООО «Сибтерм», в специализированную научно-исследовательскую организацию по обследованию объектов котлонадзора ООО «Теплоуниверсал». Результаты вариативных расчетов для котла БКЗ-220-100ЖШ используются ТЭЦ ОАО «Юргинский машиностроительный завод» для анализа эксплуатационных режимов и выработки наладочных мероприятий. Материалы выполненных исследований включены в лекционный курс и лабораторный практикум дисциплины учебного плана для специальности 101300 (котло- и реакторо-строение) в Томском политехническом университете. Пакет программ опробован в НИРС кафедры ПГС и ПГУ Томского политехнического университета и на занятиях по вычислительным методам студентами и преподавателями кафедры.
Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, подтверждается хорошей сходимостью результатов вычислений с экспериментальными и вычислительными данными других авторов.
Тестовые расчеты, выполненные с использованием разработанной численной модели для гидромоделей и натурных пылеугольных топок, показали хорошее воспроизведение результатов экспериментальных исследований.
На защиту выносится: математическая модель и развитый на ее основе функционирующий пакет прикладных программ для моделирования аэродинамики, горения и теплообмена в пылеугольных топках паровых котлов; результаты моделирования поведения газодисперсной смеси в топках с жидким шлакоудалением на примере котла БКЗ 220-100ЖШ.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 1998 г.), IV научно-техническом семинаре и V, VI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1998, 1999, 2000 г.г.), V областной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 1999 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы использования канско-ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000 г.), II семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Томск, 2001 г.), 10 научной конференции по двухфазным течениям «10th Workshop on Two-Phase Flow Predictions» (Merseburg, Германия, 2002 г.), XXVI Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2002 г), на научных семинарах кафедры парогенераторостроения и паро-генераторных установок Томского политехнического университета (1998 -2002 г.г.).
Данная работа представлена введением, пятью главами и заключением, в которых поэтапно прорабатывается вопрос создания программного продукта для численного моделирования процессов аэродинамики в пылеугольных топках, в том числе при двухфазных течениях с моделированием шлакоулавлива-ния.
В первой главе приведен литературный обзор по источникам за последние десятилетия, представлены физические положения поведения твердого топлива в топках котлов, рассмотрены различные численные модели и подходы к моделированию топочных процессов и шлакообразования. На основании проведенного обзора литературных источников обоснован выбранный способ моделирования динамики и горения дисперсной фазы в пылеугольных топках с факельным сжиганием, при котором аэродинамическое влияние дисперсных частиц друг на друга не учитывается. Также проведен предварительный анализ способа установления критерия осаждения частиц на стенку.
Во второй главе представлена эйлерово-лагранжева математическая модель поведения двухфазной среды, состоящей из реагирующих топочных газов и полидисперсных частиц. Описаны аэродинамические уравнения, «k-s» модель турбулентности, способ представления горения летучих, СО и другие уравнения. В рамках лагранжева подхода приведены управляющие уравнения движения частиц, учета влияния дисперсной фазы на несущую среду и формулировка граничных условий.
В третьей главе описывается итерационный численный метод решения поставленной задачи, опирающийся на метод контрольного объема, алгоритм SIMPLE. Представлены способы расчета дискретного уравнения Пуассона для поправки давления, разностных уравнений для скорости и остальных переменных. Движение, горение и тепломассообмен частиц рассчитывается методом Эйлера с автоматическим выбором шага. Представлено краткое описание этой методики. В конце главы приведены результаты тестирования численного метода на натурных экспериментах, выполненных на различных котлах отечественными исследователями, а также на данных физического моделирования.
В четвертой главе приведены результаты исследования влияния условий подачи топлива, полученные на основе численного моделирования топки котла БКЗ-220-1ООЖШ при различных ее геометрических характеристиках, аэродинамики вдува и конструктивных особенностях этого котлоагрегата.
В пятой главе описан собственно пакет прикладных программ, реализующих представленный в этой работе метод расчета и способ визуализации результирующих данных на основе COM (Component Object Model) DirectX Windows. Описан графический интерфейс и режимы организации вычислений.
В заключении приведены основные выводы по результатам диссертационного исследования.
Автором выполнены работы по созданию программного комплекса для расчета объемных топочных процессов на основе пакета прикладного программирования DELPHI. Разработаны методики проведения вычислений и обработки полученных данных, проведены вычислительные эксперименты и анализ их результатов. Разработка вычислительной задачи, постановка задач исследований, обсуждение методики вычислительных экспериментов и полученных результатов выполнены с участием научных руководителей к. т. н. Заворина А.С. и д. ф.- м. н. Старченко А.В.
Свойства минеральных компонентов пылевидного топлива как фактор шлакования
В расчетах использовалась «k-c» модель для того, чтобы получить распределение эффективной вязкости в зависимости от локальных значений составляющих скорости, энергии турбулентности и скорости ее диссипации. В качестве определяемой характеристики в уравнении энергии использовалась энтальпия Н. Передача тепла за счет излучения моделировалась с помощью шестипоточной модели радиационного теплопереноса [29].
В модели также учитываются выгорание угля (путем рассмотрения последовательных стадий пиролиза, выгорания летучих и остаточного кокса), моделируется образование и снижение уровня оксидов азота. В работе предполагается, что излучение не имеет влияния на температуру газа. Источником излучения в данной модели являются высокотемпературные частицы и тепловой поток от стен.
Расчетная процедура и уравнения для поправки давления вычислялись по SIMPLE-алгоритму [11]. Дискретная сетка имеет смещения на грани контрольных объемов для компонент скорости. Аппроксимация конвективных членов производилась UPWIND-методом (схемой против потока). Для дискретных аналогов всех скалярных характеристик применялся метод расчета TDMA. Программа расчета получила название FIRE-V1.0.
Приступая к разработке методики моделирования двухфазных полидисперсных потоков в данной работе, необходимо решить важный вопрос [30]: можно ли переносить закономерности, определяющие процессы тепло- и мас-сообмена между единичными частицами и газовым потоком, на развитие этих процессов в пылеугольной топке.
Концентрация угольной пыли в топках котельных установок [30] изменяется от ju = (0,5 - 1,0) кг/кг в корне факела до /и = 0,004 кг/кг на выходе из топки. Объемные концентрации угольной пыли в потоке при этом составляют (3 = (0,4-10"3 - МО"6) м3/м3, что соответствует среднему относительному расстоянию между частицами ЬС = 15 - 100.
В работе [31] обработаны экспериментальные данные по теплообмену между частицами и газом в потоке пылевзвеси. На этой основе и своих опытных данных автором показано, что при малых объемных концентрациях твер-дой фазы J3 0,4-10" число Нуссельта, характеризующее теплообмен между частицами и газом в суспензии, не зависит от объемной концентрации частиц и равно по значению числу Нуссельта, соответствующему теплообмену между единичной частицей и газовым потоком. По мнению [32], для мелких частиц, когда можно считать Nu =2, влияние стесненности в потоке пылевзвеси не будет сказываться и при значительно более высоких концентрациях /? 0,1.
Сделан вывод [31] о том, что в области малых концентраций /в (0,005 -0,01), /и (1 - 1,5) можно пренебречь влиянием стесненности на коэффициент сопротивления частиц и аэродинамические расчеты проводить по уравнениям, полученным для единичных частиц. Приведенные выше выводы имеют принципиальное значение для построения математической модели выгорания угольной пыли в топках котельных установок.
Анализ результатов, приведенных в литературе, позволяет сделать вывод, что применяемый большинством авторов алгоритм SIMPLE для решения уравнений Рейнольдса весьма эффективен в расчетах топочных процессов, которые неплохо согласуются с экспериментальными данными при применении аппроксимации конвективных членов второго порядка. Для моделирования двухфазных течений в пылеугольных топках необязательно учитывать столкновения частиц между собой, т.к. объемная концентрация угольной пыли в топке чрезвычайно мала. Хотя столкновения и присутствуют в реальных условиях, но мало влияют на структуру потока и его характеристики.
Поведение минеральной части в различных условиях сжигания хорошо описано в литературе [33 - 37]. Анализ на лабораторной установке [38], проведенный в Томском политехническом институте [34, 39, 40], показал, что частицы канско-ачинских бурых углей приблизительно можно классифицировать на пять составных частей: 1. частицы собственно угля с плотностью менее 1300 кг/м ; 2. частицы, содержащие внутренние химически связанные с углем минеральные вещества (Na, К, Mg, Ca, Fe и другие) с общей плотностью менее 1400 кг/м3; 3. мономинеральные частицы, состоящие из минеральных компонентов различной плотности и состава (табл. 1.2); 4. сростки различных мономинеральных компонентов между собой;
Представление движения и теплообмена полидисперсных частиц в топке
Способ задания граничных условий для системы уравнений (2.1 - 2.12, 2.15 - 2.17) определяется типом границы. Для входных границ используются известные однородные распределения для всех характеристик. На выходных границах ставятся мягкие граничные условия, причем положение выходных границ в этом случае должно быть достаточно удалено от зон возможной рециркуляции потока. Если течение является симметричным относительно некоторой плоскости, то эта плоскость симметрии выбирается в качестве границы, и на ней задаются условия симметрии (равенство потоков через эту границу и производных по нормали к ней). В качестве граничных условий на стенках топочного объема используются условия прилипания для скорости, граничные условия первого рода для температуры газа, равенство нулю производной по нормали концентраций компонент газа. Метод пристеночных функций [18] использован для определения трения на стенках топочной камеры rw, конвективной составляющей теплового потока qc"v, значений энергии турбулентности и скорости ее диссипации в пристеночной области. Применение метода пристеночных функций позволяет избежать необходимости использования большого числа точек разностной сетки для описания поведения характеристик потока вблизи твердой границы. Для условий, реализующихся в пылеугольной топочной камере (малоинерционные частицы в небольшом количестве), допустимо применение метода пристеночных функций для однофазных течений [2, 73]: где ys - расстояние от стенки до ближайшего узла расчетной сетки (предполагается, что ys находится вне вязкого подслоя); us, (juT )s, ss, (Gk )s - скорость потока, турбулентная вязкость газа, диссипация и генерация энергии турбулентности при у = ys; величина ks определяется из соответствующего уравнения «к є» модели турбулентности в предположении отсутствия диффузионного потока через грань, совпадающую со стенкой [18]. Граничные условия для уравнения (2.13, 2.14) записываются в виде [67]: где nw - координата, отсчитываемая по нормали к поверхности стенки; ЕК=БТ-Ц/ - степень черноты стенки; г, у/ - степень черноты топки и коэффициент тепловой эффективности теплообменных экранов, которые определяются на основе нормативного метода [74]. По предварительным данным расчета, сделанным по программе CHAIF [20, 75] траектории для более крупных частиц обычно обрываются столкновением со стенкой. В данной программной реализации модели осаждение происходит только, если температура частицы больше температуры плавления, задаваемой при подготовке начальных данных для расчета, или на стенке образовалась пленка шлакового расплава, иначе частицы отскакивают и падают на под топки или продолжают движение по потоку в зависимости от ее инертности. По окончании запусков частиц-маркеров определяется процентное содержание массы осевших частиц по отношению к массе запущенных частиц, что и будет являться коэффициентом шлакоулавливания пылеугольной топки. Поля интенсивности осаждения частиц в зонах, не предусматривающих шлакоудаление, можно считать зонами возможного шлакования топки котлоагрегата.
Рассмотрим следующую схему шлакового покрытия экранов. Зная физические свойства шлаковой пленки и изменение ее толщины, а также распределение температуры в ней, можно определить величину тепловосприятия топки с жидким шлакоудалением.
В соответствии с предложенной в [76] моделью образования, движения и тепломассообмена шлаковой пленки на наклонных и вертикальных поверхностях топочной камеры примем следующие предположения: движение шлака происходит в ламинарном режиме под воздействием силы тяжести, на движение шлаковой пленки оказывает влияние скорость газов в топке; в шлаковой пленке тепло передается молекулярной теплопроводностью, те-плофизические свойства пленки (вязкость, теплопроводность) зависят от температуры; расчетный участок топочных экранов (в пределах ячейки расчетной сетки) шлак покрывает равномерно, в силу малости толщины шлаковой пленки учитывается только изменение параметров по ее сечению (движение и теплообмен предполагаются одномерными).
Расчет поля давления. Выбор итерационного метода для решения сеточного уравнения Пуассона
Так как значения плотности р определены в узловых точках основной сетки, ее значения на границах (например, ре) можно рассчитать с помощью интерполяции. Независимо от применяемого способа интерполяции значения ре для двух контрольных объемов, имеющих общую грань, должны быть согласованы между собой [11].
Из (3.33) можно видеть, что член Ь уравнения для поправки давления по существу равен (со знаком минус) левой части дискретного аналога уравнения неразрывности (3.31), записанного через значения составляющих скорости с индексом . Равенство Ь = 0 показывает, что эти составляющие удовлетворяют уравнению неразрывности и не требуется никакой коррекции давления. Таким образом, член Ъ представляет собой «источник массы», который должен быть скомпенсирован поправками давления через соответствующие поправки скорости.
Процедура, разработанная в [11] и основанная на расчете поправки давления вышеприведенным способом, получила название SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations), что означает полунеявный метод для уравнений, связанных давлением.
Последовательность операций при расчете данным методом следующая. 1. Задание поля давления р . 2. Решение уравнений движения, таких, как система уравнений (3.22), для получения и , v 3. Решение уравнения для р . 4. Расчет р из уравнения (3.23) путем добавления р к р . 5. Уточнение компонент скорости с помощью формул для поправки скорости (3.29). 6. Решение дискретных аналогов для других Ф (таких, как температура, концентрация и турбулентные характеристики), если они влияют на поле течения через физические свойства жидкости, источниковые члены и т.д. (если какое-то определенное Ф не влияет на поле течения, лучше рассчитать его после получения сходимости решения для поля течения). 7. Представление скорректированного давления р как нового р , возвращение к пункту 2 и повторение всей процедуры до тех пор, пока не будет получено сходящееся решение.
Как указывается в литературных источниках [11, 81, 83], наиболее трудоемким (по времени) является решение дискретного уравнения для поправки давления. В этом случае необходимо решать разреженные системы линейных алгебраических уравнений большой размерности.
Решение систем линейных алгебраических уравнений высокого порядка: Ах = Ъ, (3.34) - классическая задача вычислительной математики, сохраняющая свою актуальность на любом уровне развития компьютерных технологий. Особое место здесь занимают проблемы с разреженными матрицами специальной структуры, возникающими из сеточной аппроксимации многомерных краевых задач и предъявляющими особенно жесткие требования к быстродействию и оперативной памяти ЭВМ [86].
Как это ни парадоксально на первый взгляд, появление ЭВМ и рождение все новых и новых поколений, отнюдь не снижает остроты ситуации в этой области, поскольку непрерывный рост вычислительных мощностей современных компьютеров мгновенно (и даже опережающими темпами) порождает новые требования к размерности систем уравнений, точности и оперативности их решения. Неслучайно поэтому и такое тонко подмеченное явление: как ни растут скорости ЭВМ в последние годы и десятилетия, машинное время решения практических задач остается примерно на одном уровне [86].
Наиболее сложные системы уравнений все более высокого порядка возникают в задачах математической физики, а точнее говоря - в сеточных методах решений уравнений в частных производных. К ним относятся, в первую очередь, методы конечных разностей и методы конечных элементов. Основанные на разных методологических принципах они имеют и много общего: дискретизацию расчётной области, аппроксимацию исходных данных сеточными функциями и сведение поставленной дифференциальной задачи к алгебраической. С этой точки зрения наиболее простыми и точными являются итерационные методы [86, 87].
Применение итерационных процессов сводит, в основном, решение систем уравнений к последовательным умножениям матриц на векторы, что даёт особые преимущества методам конечных разностей и конечных элементов. В этой области достигнуты значительные успехи как теоретического, так и практического плана. Было предложено, исследовано и оптимизировано большое количество алгоритмов, ставших классическими: различные варианты поточечной и блочной последовательной верхней релаксации, неявные и явные методы переменных направлений, методы симметричной последовательной верхней релаксации, попеременно треугольные методы. Этим вопросам было посвящено большое количество статей и монографий, например [19, 86, 87]. Одновременно с построением конкретных алгоритмов сформулирована и достаточно развита современная теория итерационных процессов с различными предобу-славливающими матрицами и ускорением сходимости с помощью чебышев-ских параметров или сопряжённых градиентов.
Следует отметить важную роль в теории итерационных методов такого фундаментального понятия как предобуславливающая матрица. Не вдаваясь в детали, её можно определить так [86]: это некоторая невырожденная матрица К, причём легко обратимая, такая, что после умножения исходного уравнения (3.34) получаемая система K- Ax = K \f, (3.35) решается более легко. Под этим понимается, что алгоритм затрачивает меньше вычислительных ресурсов и проводит меньшее число итераций при решении систем (3.35), чем при решении системы (3.34).
Аэродинамика и осаждение шлака в топочной камере при разном угле наклона горелок по отношению к горизонту
Здесь ярко выражено увеличение коэффициента осаждения частиц на стенки из-за низкой длины пробега частиц «горелка - столкновение с противоположной стенкой», соответственно большой недожог топлива, большие концентрации кислорода на выходе и низкая температура газов на выходе из топочной камеры. Как следствие, скорее всего большие затраты на очистку поверхностей нагрева.
Остальные варианты перенаправления топлива (кроме одногорелочных вариантов) - результат комбинации симметричных вариантов «горелка 1-4» и «горелка 2-3» и имеют некоторую степень осреднения характеристик между ними. В общем случае получается, что качество горения угольной пыли от распределения топлива по горелкам в топке с призматической геометрией и фронтальным расположением горелок зависит от величины «свободного» пробега горючего от горелки до столкновения с противоположной стенкой. При увеличении пробега качество горения улучшается, и наоборот, при уменьшении пробега увеличивается недожог и ухудшается качество теплоотдачи горючей смесью.
На рисунках 4.6, 4.7 показаны графические цветные характеристики осаждения частиц на противоположную от горелочных устройств стенку в трехмерном виде и концентрация частиц в струях горения на уровне нижнего яруса горелок. Из рисунка 4.6 видно, что наименьшее осаждение частиц достигается при основной работе крайних горелок и комбинациях работы этих горелок с остальными (варианты «горелка 1-3, 1-4, 1-3-4, 2-3-4, 1-2-3-4»). Наименьшее осаждение шлака на стенки камеры, как уже оговаривалось, достигается перенаправлением топлива на крайние от центра горелки. На рисунке 4.7 показано, что наибольший пробег недогоревших частиц происходит при включенных одиночных горелочных устройствах. Это происходит из за плохого перемешивания топлива с окислителем.
На рисунке 4.8 показано температурное ядро для разных ситуаций включенных горелок. Из рисунков видно, что в вариантах «горелка 1», «горелка 2», «горелка 1-2» ядро имеет очень высокую температуру, больше чем номинальная для базового варианта. На остальных рисунках, кроме варианта «Горелка 1 -4», расчетная температура приблизительно одинакова, различия состоят только в месте расположения ядра горения. Во всех вариантах ядро располагается напротив горелок основного вдува топлива.
Так как в модели столкновение частиц не учитывается, видимо, из-за уровня спекания частиц кокса недожог будет еще выше, и общая характеристика горения будет хуже показанной на рисунках. Вариант «горелка 1 -4» неплох еще тем, что горелки направлены в центр противоположной стенки в горизонтальной плоскости и за счет внутренних горелок происходит лучшее перемешивание струй топлива через наружные горелки со струями окислителя через внутренние горелки. Причем это происходит на стадии хорошего прогрева частиц топлива на конечном участке полета у противоположной стенки до столкновения этих частиц со шлаковой пленкой. Соответственно по центру внутренних струй окислителя и на участках их распространения происходит более лучшее выгорание топлива при больших избытках воздуха.
Здесь описывается поведение горения аэротопливной смеси при разном угле наклона горелок по отношению к горизонту. Исследовались углы наклона 10, 15, 20, 25 и 30 книзу от горизонта при базовом сочетании горелок (1-2-3-4).
На рисунках 4.9 - 4.11 показаны, как и в предыдущем разделе главы, следующие характеристики на выходе из топки: концентрация частиц, концентрация летучих, концентрация угарного газа, концентрация кислорода, температура газов.
Графики соответствующих интегральных характеристик по высоте топочной камеры даны в приложении 2. На рисунке 4.12 показан коэффициент шлакоулавливания для разных вариантов.
По рисункам видно, что в отличие от предыдущего вычислительного эксперимента по установлению зависимости от порядка включенных горелок, ситуация с изменением угла наклона несколько обратная, т.е. улучшение степени выгорания топлива не зависит от увеличения длины пробега топлива от горелки до задней стенки, а наоборот, увеличение длины пробега по сути ухудшает горение. Так, на графике 4.10 видно незначительное возрастание уровня кислорода на выходе для вариантов между 10 и 30 по причине его неполного сгорания, а на графике 4.11 соответственно падение температуры на выходе из топочной камеры для этих вариантов.
