本發(fā)明涉及鍋爐仿真模擬
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：循環(huán)流化床鍋爐是近三十年發(fā)展起來(lái)的一種新型潔凈煤燃燒設(shè)備，在清潔燃燒特別是燃燒劣質(zhì)煤方面具有污染物排放及控制成本低、燃料適應(yīng)范圍廣、調(diào)峰能力強(qiáng)、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是潔凈煤技術(shù)中最具商業(yè)化潛力、污染排放控制成本最低的技術(shù)，同時(shí)由于煤種適應(yīng)性強(qiáng)，其也成為了消納煤炭生產(chǎn)帶來(lái)的大量煤矸石的最有效手段。由于循環(huán)流化床鍋爐復(fù)雜的流化態(tài)結(jié)構(gòu)，采用單一的實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段無(wú)法真實(shí)地了解循環(huán)流化床的三維非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，這極大地限制了現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)流化床鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行。為了解決這個(gè)問(wèn)題，隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人們開(kāi)始對(duì)循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部的燃燒過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，尤其注重于對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的污染物生成過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，以通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的整體燃燒過(guò)程和污染物生成過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。然而，傳統(tǒng)技術(shù)是基于雙流體模型來(lái)對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的污染物生成過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬的，這種雙流體模型是在將固體燃煤顆粒當(dāng)作流體來(lái)進(jìn)行處理的基本假設(shè)下進(jìn)行建立的，這導(dǎo)致基于這種模型得到數(shù)值模擬結(jié)果與循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際污染物生成過(guò)程存在較大的偏差，數(shù)值模擬效果較差，難以適應(yīng)當(dāng)下對(duì)循環(huán)流化床鍋爐越來(lái)越高的數(shù)值模擬要求。綜上所述可以看出，如何進(jìn)一步提升污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬效果是目前有待解決的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬效果。其具體方案如下：一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法，包括：預(yù)先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格建模，得到相應(yīng)的鍋爐網(wǎng)格模型；對(duì)所述鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，得到與所述鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；利用所述數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合所述循環(huán)流化床鍋爐在工作過(guò)程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)所述循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，得到與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型。優(yōu)選的，所述對(duì)所述鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解的過(guò)程，包括：利用CPFD方法，對(duì)所述流體相方程和所述顆粒相方程進(jìn)行求解。優(yōu)選的，所述流體相方程為基于納維葉－斯托克斯方程以及顆粒與流體之間動(dòng)量耦合方程得到的方程。優(yōu)選的，所述顆粒與流體之間動(dòng)量耦合方程為：Fξn+1=1VξΣkNpSξ,sk[Dsk(uf,skn+1-uskn+1)-1ρsk▿pskn+1]nskmsk]]>式中，ξ表示計(jì)算網(wǎng)格，Vξ表示計(jì)算網(wǎng)格ξ的體積，Dsk表示計(jì)算網(wǎng)格ξ中第k個(gè)計(jì)算顆粒所受到的曳力，表示流體相的速度，表示顆粒相的速度，ρsk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒的密度，表示第k個(gè)計(jì)算顆粒所受到的壓強(qiáng)，msk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒的質(zhì)量，nsk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒所代表的實(shí)際顆粒的數(shù)目，Sξ,sk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒的插值算子。優(yōu)選的，所述流體相方程為：∂θfρf∂t+▿·(θfρfuf)=ρ·sfc∂(θfρfuf)∂t+▿·(θfρfufuf)=-▿p-F+θfρfg+▿·θfτf]]>式中，uf表示流體相的速度矢量，θf(wàn)表示流體的體積分?jǐn)?shù)，ρf表示流體的密度，p表示流體的壓力，τf表示流體應(yīng)力張量，g表示重力加速度，F(xiàn)表示單位控制容積內(nèi)流體相與顆粒相動(dòng)量作用源，表示流體相單位控制容積內(nèi)質(zhì)量生產(chǎn)率。優(yōu)選的，所述顆粒相方程為基于MP-PIC方法得到的方程。優(yōu)選的，所述顆粒相方程為：dusdt=Dp(uf-us)-1ρs▿p+g-1θsρs▿τs]]>式中，us表示顆粒相的速度矢量，Dp表示顆粒所受到的曳力，uf表示流體相的速度矢量，p表示顆粒所受到的壓強(qiáng)，g表示重力加速度，ρs表示顆粒的密度，θs表示顆粒的體積分?jǐn)?shù)，τs表示顆粒的法向的應(yīng)力。本發(fā)明還公開(kāi)了一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬系統(tǒng)，包括：網(wǎng)格模型構(gòu)建模塊，用于預(yù)先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格建模，得到相應(yīng)的鍋爐網(wǎng)格模型；數(shù)學(xué)模型構(gòu)建模塊，用于對(duì)所述鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，得到與所述鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；仿真模塊，用于利用所述數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合所述循環(huán)流化床鍋爐在工作過(guò)程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)所述循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，得到與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型。優(yōu)選的，所述數(shù)學(xué)模型構(gòu)建模塊，具體用于利用CPFD方法，對(duì)所述流體相方程和所述顆粒相方程進(jìn)行求解，得到所述數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明中，循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法，包括：預(yù)先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格建模，得到相應(yīng)的鍋爐網(wǎng)格模型；對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，得到與鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；利用數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐在工作過(guò)程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，得到與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型。可見(jiàn)，本發(fā)明先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了網(wǎng)格建模，然后對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型中的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，由此得到與鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，接著結(jié)合上述數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，從而得到了與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型，也即，本發(fā)明基于流體相方程和顆粒相方程來(lái)構(gòu)建循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型，相比于傳統(tǒng)的雙流體模型，本發(fā)明增加了顆粒相對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型的影響，這樣使得最終得到的數(shù)學(xué)模型更加符合循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際燃燒過(guò)程，進(jìn)而提升了后續(xù)污染物生成過(guò)程的仿真效果。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法；圖2為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法，參見(jiàn)圖1所示，該方法包括：步驟S11：預(yù)先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格建模，得到相應(yīng)的鍋爐網(wǎng)格模型。需要說(shuō)明的是，當(dāng)前存在多種網(wǎng)格建模的方法，可以根據(jù)實(shí)際的仿真需要以及循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部的每個(gè)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)，來(lái)選取相應(yīng)合適的網(wǎng)格建模方法來(lái)進(jìn)行建模。本實(shí)施例中，優(yōu)先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行正交網(wǎng)格建模。步驟S12：對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，得到與鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。其中，在不同的仿真精度要求下，上述流體相方程和顆粒相方程會(huì)有所不同。若仿真精度的要求較高，則上述流體相方程和顆粒相方程相對(duì)會(huì)比較復(fù)雜，相應(yīng)的計(jì)算量也會(huì)比較大；若仿真精度的要求較低，則可對(duì)上述流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化，由此也能減少相應(yīng)的計(jì)算量。步驟S13：利用數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐在工作過(guò)程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，得到與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型?？梢岳斫獾氖?，上述化學(xué)反應(yīng)式主要包括生成氮氧化物、硫化物以及一氧化碳等相關(guān)污染物的化學(xué)反應(yīng)式。本發(fā)明實(shí)施例中，循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法，包括：預(yù)先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格建模，得到相應(yīng)的鍋爐網(wǎng)格模型；對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，得到與鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；利用數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐在工作過(guò)程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，得到與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型?？梢?jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了網(wǎng)格建模，然后對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型中的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，由此得到與鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，接著結(jié)合上述數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，從而得到了與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型，也即，本發(fā)明實(shí)施例基于流體相方程和顆粒相方程來(lái)構(gòu)建循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型，相比于傳統(tǒng)的雙流體模型，本發(fā)明實(shí)施例增加了顆粒相對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型的影響，這樣使得最終得到的數(shù)學(xué)模型更加符合循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際燃燒過(guò)程，進(jìn)而提升了后續(xù)污染物生成過(guò)程的仿真效果。本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種具體的循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法，相對(duì)于上一實(shí)施例，本實(shí)施例對(duì)技術(shù)方案作了進(jìn)一步的說(shuō)明和優(yōu)化。具體的：上一實(shí)施例步驟S12中，對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解的過(guò)程，具體包括：利用CPFD方法，對(duì)流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解。需要說(shuō)明的是，上述CPFD方法中，流體相和顆粒相均在同一個(gè)求解器中進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)相間插值算子來(lái)保證計(jì)算的穩(wěn)定性和切換的守恒性。CPFD方法中創(chuàng)造性地提出了“計(jì)算顆?！钡母拍睿^“計(jì)算顆?！笔窃诶窭嗜辗椒ㄌ峁┑幕镜摹傲黧w微團(tuán)”概念之上，拓展到顆粒相而形成的“顆粒微團(tuán)”，也即，在一個(gè)“計(jì)算顆?！敝邪硕鄠€(gè)真實(shí)的燃煤顆粒，并且一個(gè)“計(jì)算顆?！敝械乃姓鎸?shí)燃煤顆粒具有相同的物質(zhì)屬性、物理運(yùn)動(dòng)及化學(xué)變化規(guī)律。本實(shí)施例中，優(yōu)先采用Barracuda軟件中提供的CPFD數(shù)值方法來(lái)對(duì)流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解。進(jìn)一步的，上述流體相方程具體是基于納維葉－斯托克斯方程以及顆粒與流體之間動(dòng)量耦合方程得到的方程。其中，上述顆粒與流體之間動(dòng)量耦合方程為：Fξn+1=1VξΣkNpSξ,sk[Dsk(uf,skn+1-uskn+1)-1ρsk▿pskn+1]nskmsk]]>式中，ξ表示計(jì)算網(wǎng)格，Vξ表示計(jì)算網(wǎng)格ξ的體積，Dsk表示計(jì)算網(wǎng)格ξ中第k個(gè)計(jì)算顆粒所受到的曳力，表示流體相的速度，表示顆粒相的速度，ρsk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒的密度，表示第k個(gè)計(jì)算顆粒所受到的壓強(qiáng)，msk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒的質(zhì)量，nsk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒所代表的實(shí)際顆粒的數(shù)目，Sξ,sk表示第k個(gè)計(jì)算顆粒的插值算子。具體的，上述基于納維葉－斯托克斯方程以及顆粒與流體之間動(dòng)量耦合方程得到的流體相方程為：∂θfρf∂t+▿·(θfρfuf)=ρ·sfc∂(θfρfuf)∂t+▿·(θfρfufuf)=-▿p-F+θfρfg+▿·θfτf]]>式中，uf表示流體相的速度矢量，θf(wàn)表示流體的體積分?jǐn)?shù)，ρf表示流體的密度，p表示流體的壓力，τf表示流體應(yīng)力張量，g表示重力加速度，F(xiàn)表示單位控制容積內(nèi)流體相與顆粒相動(dòng)量作用源，表示流體相單位控制容積內(nèi)質(zhì)量生產(chǎn)率。進(jìn)一步的，本實(shí)施例中的顆粒相方程為基于MP-PIC(即MultiphaseParticle-in-cell)方法得到的方程。具體的，上述基于MP-PIC方法得到的顆粒相方程為：dusdt=Dp(uf-us)-1ρs▿p+g-1θsρs▿τs]]>式中，us表示顆粒相的速度矢量，Dp表示顆粒所受到的曳力，uf表示流體相的速度矢量，p表示顆粒所受到的壓強(qiáng)，g表示重力加速度，ρs表示顆粒的密度，θs表示顆粒的體積分?jǐn)?shù)，τs表示顆粒的法向的應(yīng)力。相應(yīng)的，本發(fā)明實(shí)施例還公開(kāi)了一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬系統(tǒng)，參見(jiàn)圖2所示，該系統(tǒng)包括：網(wǎng)格模型構(gòu)建模塊21，用于預(yù)先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格建模，得到相應(yīng)的鍋爐網(wǎng)格模型；數(shù)學(xué)模型構(gòu)建模塊22，用于對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型內(nèi)部三維空間的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，得到與鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；仿真模塊23，用于利用數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐在工作過(guò)程中所涉及的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，得到與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型。其中，上述數(shù)學(xué)模型構(gòu)建模塊，具體用于利用CPFD方法，對(duì)流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，得到數(shù)學(xué)模型。關(guān)于上述各個(gè)模塊更加具體的工作過(guò)程可參考前述實(shí)施例中的相關(guān)內(nèi)容，在此不再進(jìn)行一一贅述。可見(jiàn)，本發(fā)明實(shí)施例先對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了網(wǎng)格建模，然后對(duì)鍋爐網(wǎng)格模型中的流體相方程和顆粒相方程進(jìn)行求解，由此得到與鍋爐網(wǎng)格模型對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，接著結(jié)合上述數(shù)學(xué)模型以及相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐在燃燒時(shí)的污染物生成過(guò)程進(jìn)行仿真，從而得到了與污染物生成過(guò)程對(duì)應(yīng)的仿真模型，也即，本發(fā)明實(shí)施例基于流體相方程和顆粒相方程來(lái)構(gòu)建循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型，相比于傳統(tǒng)的雙流體模型，本發(fā)明實(shí)施例增加了顆粒相對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的數(shù)學(xué)模型的影響，這樣使得最終得到的數(shù)學(xué)模型更加符合循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際燃燒過(guò)程，進(jìn)而提升了后續(xù)污染物生成過(guò)程的仿真效果。最后，還需要說(shuō)明的是，在本文中，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種循環(huán)流化床鍋爐污染物生成過(guò)程的數(shù)值模擬方法及系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3