烟气扩散数值模拟.doc

烟气扩散的数值模拟及分析 王祥 魏昌兴 （中国矿业大学 电力工程学院，江苏 徐州，221116） 摘要：针对受限空间中烟气的释放，运用FLUENT软件对其输运和扩散过程进行了数值模拟，得到烟气浓度的时空分布，并分析了不同影响因素对烟气扩散的影响。 关键词：受限空间；扩散；数值模拟；浓度分布 The Numerical Study On Diffusion Of Fume In Limited Space Abstract:The article simulated the transportation and diffusion of fume released in limited space with FLUENT code and showed the concentration contour maps of fume with time and space and the velocity vector distribution,and then studied deep into the influence of different influencing factors to the diffusion of fume and gave the related conclusions. Keywords:Limited Space;Diffusion;Numerical Study;Concentration Distribution  引 言 大气污染一直是人们关注的问题，特别是对于工矿、钢铁、电厂等拥有大型燃烧设备的企业。研究烟气扩散的规律、控制大气质量，对日益紧迫的环境问题有直接的指导作用。对气体扩散过程的研究有三种方法：现场试验、风洞试验和数值模拟。现场试验条件与真实场景一致，因此能够得到真实数据与特殊实验现象，但耗资巨大，时间长，可重复性差。风洞试验模拟法可以方便调控某些试验参数，试验可重复性大，但其难点在于要确定气体原形与模拟试验的无量纲相似常数，而且只能对大气流动状况进行部分模拟。而数值模拟由于成本低且场景设置方便等成为研究气体扩散的重要手段。故本文采用FLUENT软件模拟烟气的扩散问题。 1几何模型 运用缩小实验尺寸模拟，空间尺寸为4.5mX3.6mX2.5，烟囱高度1. 2 m，直径65 mm，轴心距左侧面0. 8 m。 2数学模型 烟气在受限空间内释放以后形成的气云运动规律满足一般Navier-Stokes方程组所描述的流体力学基本方程组，在湍流流动的描述中将方程组进行雷诺近似，并采用k-ε方程来封闭方程组。结合气体自身性质即应力应变关系的本构方程，构成了不可压缩粘性流的CFD模型。最终气体释放后数值模拟的CFD模型包含连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍流动能（k）方程和耗散率（ε）方程。将这些控制方程在计算域上采用一定的离散方法和数值格式离散后，加上初始条件及边界条件以后，进行迭代求解即可得到离散点上的物理量的值，再采用合适的插值算法即可算出整个流场的任意点出的物理量的值。 2.1基本假设 受限空间内的空气作为不可压缩流体处理，呈湍流状态。 空气和烟气的混合气体视作理想气体，遵循理想气体状态方程，烟气和空气在流动中不发生化学反应。 假设环境温度为常温，与外界无热量交换。 假设在烟气排放过程中排放速度不变。 2.2基本控制方程 连续性方程： ρ为混合物密度，uj为（x,y,z）三个方向上的速度。 动量守恒方程： 其中，μ是流体的动力粘度，g是重力加速度，P是绝对压力，ρa是空气密度。 能量守恒方程： 其中cp是比热容，T是温度，k为流体的传热系数，ST为流体的内热源以及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称为粘性耗散项。由于本文研究不可压缩流动，不考虑温度对扩散的影响，故热交换量很小可以忽略不计，因此可以不予考虑能量守恒方程。 组分质量守恒方程： cs为组分s的体积浓度，ρcs是该组分的质量浓度，Ds是该组分的扩散系数。 2.3湍流模型 在对于我们所要研究的问题中，选取RNG k-ε模型对湍流进行数值模拟。 3网格划分 针对所要解决的三维问题，在ICEM中建模后，采用结构化网格划分，基本单元为六面体单元，如图所示。 4物理模型及边界条件设置 自然风入口（air）——velocity inlet（第一类） 烟囱出口（fume）——velocity inlet（第一类） CO2+air（CO2质量百分比浓度为22.12%） 烟囱壁（fumewall）——wall，无浓度与热量交换 地面（ground）——wall，无浓度与热量交换 其余出口面——outfl