Модель турбулентности с двумя уравнениями для описания течений реагирующих газов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

156

УДК 533.6

А. С. НЕНИШЕВ А. Г. МИХАЙЛОВ С. В. ТЕРЕБИЛОВ

Омский государственный технический университет

МП г. Омска «Тепловая компания»

МОДЕЛЬ ТУРБУЛЕНТНОСТИ С ДВУМЯ УРАВНЕНИЯМИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ТЕЧЕНИЙ РЕАГИРУЮЩИХ ГАЗОВ______________________________________

Сформулирована и решена задача турбулентного теплопереноса в топке котла малого объема при сжигании газообразного топлива.

Ключевые слова: турбулентность, горение, топка, температура, конвекция.

Горение всегда сопровождается движением газов — воздуха, газообразного топлива, продуктов сгорания. Это не только химический, но и физический процесс. Точнее сказать, горение есть совокупность взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов (аэротермохимия). Температура, концентрация реагентов и другие величины изменяются как вследствие химических реакций, так и вследствие различных физических процессов: конвекции, диффузии, теплообмена излучением и прочее, поэтому химические и физические процессы нужно изучать совместно. Часто физические факторы оказывают определяющее влияние на полноту сгорания, условия воспламенения. Только при идеальном перемешивании аэродинамическими процессами можно пренебречь, полагая, что параметры одинаковы в любом месте реакционного объема [1].

Т ечения жидкостей и газов в технических устройствах, как и в природе, почти всегда турбулентны. Исследование турбулентности является сложным разделом гидрогазодинамики. В процессах горения проблема турбулентности ещё более осложнена дополнительными факторами — химическими реакциями и излучением [1—3].

В литературе описаны различные способы турбулентных течений реагирующих газов [1, 2]. Турбулентные течения могут представляться в виде совокупности стационарных ламинарных, используются также статистические модели и модели с эмпирическими коэффициентами переноса. Но все эти теоретические разработки применяются с определенными ограничениями [2].

Поэтому модель турбулентности с двумя уравнениями широко используется в последнее время, т.к. она является хорошим компромиссом между затратами на численное решение и точностью вычислений. Эта модель более сложна, чем рассмотренные ранее. Значения скорости и значения характерной длины определяются с использованием различных транспортных уравнений (отсюда термин — «два уравнения»).

Эта модель турбулентности получила название к-е с двумя уравнениями. В них используется гипотеза градиента диффузии для того, чтобы установить зависимость напряжений Рейнольдса от значений градиентов скорости и турбулентной вязкости.

Последняя моделируется как функция от турбулентной скорости и турбулентной характерной длины. В этих моделях турбулентная скорость определяется из величины турбулентной кинетической энергии, которая вытекает из решения соответствующего транспортногоуравнения. Турбулентная характерная длина оценивается двумя характеристиками турбулентной области — турбулентной кинетической энергией к и ее величиной рассеивания є (диссипации). Величина рассеивания турбулентной кинетической энергии определяется из решения соответствующего транспортного уравнения.

Рассмотрим к-є модель подробнее. Ранее было введено понятие к — турбулентной кинетической энергии, рассмотрим теперь є—турбулентное рассеивание вихря (показатель, при котором происходит диссипация флуктуаций скорости). Тогда к-є модель характеризуется следующими уравнениями [4].

Неразрывности

|Г+у(ги) = 0. (1)

Моментов

Г+у.{Ри ® и )-ч.(теґ уп ) =

= _Ур+ч.(т^п У+ в, (2)

где В — сумма всех сил, действующих на объем газа, це//—эффективная турбулентная вязкость, Р — давление.

к-є модель основывается на концепции турбулентной вязкости, поэтому

= т + т, (3)

где |1( — турбулентная кинематическая вязкость. В данной модели предполагается, что турбулентная вязкость связана с турбулентной кинетической энергией и диссипацией через выражение:

т = СтР—. (4)

Є

где С^ — справочная константа [4].

Рис. 1. Распределение температур в топочном объеме

Рис. 2. Распределение скоростей в топочном объеме

Переменные к и є являются результатом решения дифференциальных транспортных уравнений для турбулентных кинетической энергии и диссипации:

где С е1, С є2, <гк , ст—справочные константы [5]; Рк параметр турбулентности, характеризует соотношение между силами вязкости и силами выталкивающими Ркь [4]:

Рк = т*п .(уп+упт )-3 V. п (зцу п + рк)+р1Ь. (7)

Рассмотренную выше математическую модель возможно использовать при описании процессов турбулентного горения газообразного топлива. В настоящее время представленная к-є модель (уравнения (1)

— (7)) дополняется уравнениями сохранения каждого компонента, участвующего в реакциях окисления, состояния и соответствующими граничными и начальными условиями [5]. Учитываются химические реакции взаимодействия элементов топлива и окислителя. Рассмотрен механизм образования НОх.

Данная система уравнений в трехмерной постановке решается с использованием программы ЛЫЯУЯ

СБХ [4]. Результаты расчетов представлены на рис. 1, 2. Объект исследования — топка котлоагрегата небольшой производительности цилиндрической формы размером 0,5 х 1,0 метр. В правой вертикальной плоскости располагается вход (горелка), в левой — выход для продуктов сгорания. В качестве топлива используется природный газ с преобладанием метана (98 %), окислитель-воздух. Расход топливовоздушной смеси — 0,06 кг/с. Фронт горения кинетический. На представленных иллюстрациях отчетливо видно, что температурные возмущения в топке (рис. 1) сопровождаются конвективными возмущениями (рис. 2).

Очевидно, что данная математическая к-е модель горения позволяет моделировать не только суммарный и локальный теплообмен, но и структуру потоков излучения в топочном пространстве, а также соотношение лучистой и конвективной составляющих теп-лопереноса к каждому участку стен, помогает отыскать оптимальные значения при выборе размеров и формы топочной камеры и расположение горелок.

Библиографический список

1. Пашков, Л.Т. Основы теории горения /Л.Т. Пашков.—М.: МЭИ, 2002. — 136 с.

2. Госмен, А.Д. Численные методы исследования течений вязкой жидкости / А.Д. Госмен, В М. Пан, А.К. Ранчел. — М.: Мир, 1972. — 328 с.

3. Алексеев, Б.В. Физическая газодинамика реагирующих сред /Б.В. Алексеев, А.М. Гришин. —М.: Высшая школа, 1985. — 464 с.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

4. ANSYS CFX-SolverTheory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. — Canonsburg: PA 15317, 2006. - 312 p.

5. Михайлов, А.Г. Расчет процессов переноса теплоты в топке котла/А.Г. Михайлов, С.В. Теребилов//Омский научный вестник. - 2009. - № 1 (77). - С. 151 - 152.

НЕНИШЕВ Анатолий Степанович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теплоэнер-

гетики Омского государственного технического университета.

МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики Омского государственного технического университета. ТЕРЕБИЛОВ Сергей Викторович, инженер МП «Тепловая компания», г. Омск.

Адрес для переписки: 644050, Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 03.06.2010 г.

© А. С. Ненишев, А. Г. Михайлов, С. В. Теребилов

УДК 620.9.001.12/18 в. П. АНУФРИЕВ

В. Е. СИЛИН Г. И. УСОВА

Уральский центр энергосбережения и экологии, г. Екатеринбург

Уральский государственный технический университет-УПИ им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, г. Екатеринбург

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ_____________________________________________

В статье представлены результаты исследований и технико-экономических проработок, проведенных в ООО «УЦЭЭ» и на теплоэнергетическом факультете УГТУ по двум инновационным проектам. Рассмотрены современные технологии использования древесных отходов в качестве экологически безопасного альтернативного источника энергии: технологический процесс производства жидкого котельного топлива из древесных отходов и получение энергии из отработанных деревянных шпал.

Ключевые слова: древесные отходы, биомазут, отработанные деревянные шпалы, газификация.

Введение

Древесные отходы — естественный и неизбежный продукт биологического круговорота жизненных материалов и энергии. В условиях неантропогенного природного биоценоза этот продукт «нарабатывается» с течением времени и непосредственно участвует в его формировании. В «точках взаимодействия» техно-и биоценозов (парковые зоны в городе, деревообрабатывающие предприятия, подразделения железной дороги, городские свалки) нарушается (под воздействием человеческого фактора) естественный баланс и образуются несвойственные концентрации древесных отходов. Это приводит к специфическим последствиям, неблагоприятным в первую очередь для человека и разрушительным для природы [1].

Наиболее очевидные негативные факторы накопления древесных отходов:

— отчуждение территорий под складирование древесных отходов;

— пожароопасность древесных отходов.

Для исключения этих факторов древесные отходы необходимо максимально полно вовлекать в технологический оборот, в пределе стремясь к стопроцентному использованию древесины. Это особенно

актуально в настоящее время в связи с широким развитием ресурсосберегающих методов энергопроизводства и природопользования.

Инновации в области использования древесных отходов. Древесная биомасса, будучи, вероятно, первым топливом человеческой цивилизации, к середине ХХ века была вытеснена более качественными ископаемыми топливами — углем, а затем нефтью и газом. Однако сейчас она испытывает «ренессанс», вновь вовлекаясь в энергетику [2]. Энергетическое использование древесных отходов является обширным направлением их утилизации и обеспечивает такие положительные моменты, как экономия кондиционного топлива и улучшение экологии энергоисточника в сравнении с углями, мазутом [3].

Современной сырьевой базой для производства биотоплив в России являются отходы лесопромышленного комплекса и деревообработки (20 млрд т у.т. — всего; ежегодно можно производить до 1 млрд т у.т.).

Можно выделить ряд инновационных направлений использования древесных отходов, получивших развитие за рубежом в настоящее время:

— получение различных видов жидкого топлива;

— получение энергии кондиционного качества из