第八篇CFD数值预测技术在水泥生产中的应用d8p.doc

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年，+,-8/.01 等组建的 (9:5 公司将包装后的计算软件（;9 种与软件中提供的算例相类似的问题，严重制约了用户的二次开发能力，因此，软件的推广并没有达到预期的效果。我国在 & 年代初期，随着与国外交流的发展，科学院、部分高校开始兴起 ()* 的研究热潮。三、快速发展期（!&$ 年 % ）虽然 ()* 在工程设计的应用以及应用效果的研究取得了丰硕的成果，在学术界得到了充分的认可。同时 +,-8/.01 领导的 (9:5 公司在发达国家的工业界进行了大量的推广工作，;-?-0-A 也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的培训，皆在推广应用(;*。然而，工业界并没有表现出太多的热情。在 !&$ 年的第四界国际计算流体力学会议上，+,-8/.01 作了 ()* 在工程设计中的应用前景的专题报告，在该报告中，他将工程中常见的流动、传热、化学反应等过程分为十大类问题，并指出 ()* 都有能力加以解决，他分析了工业界之所以不感兴趣，是因为软件的通用性能不好，使用太困难。如何在 ()*的基础研究与工程开发设计研究之间建立一个桥梁？如何将研究结果比较容易地为高级工程设计技术人员所掌握，并最大限度地应用于工程咨询、工程开发与设计研究？这正是本时期应用基础研究所追求的目标。此后，随着计算机图形学、计算机微机技术的 !$CB 第八篇!# 数值预测技术在水泥生产中的应用快速进步，!# 的前后处理软件得到了迅速发展，如 $%&()%，$%&( *+,，-!)./ !# 等等。同时，一些经济实力雄厚的实体也见到了 !# 应用软件的巨大商机，纷纷介入。如美国的 , 0 1)1 *、&1232 及英国的 &)& 公司等。我校引进的 !# 软件是&)& 公司的 !45 系列，!45 系列是由英国原子能工程联合会计算流体力学研究所（&)& / !#2）研制开发的，从上世纪 67 年代初，&)& 的一些研究人员就开始从事计算流体力学程序的开发工作，并逐渐形成了一套计算流体力学软件包，但是，由于英国政府的限制，该软件作为高技术，一直限于在 &)& 内部使用。87 年代末，国际形式变动后，9:9 年才正式向外界推广。而适用于微机使用的版本 :7 年代中期才推出，9:8 年进入中国市场。 9;5 第二章!# 技术应用范围与作用第二章!# 技术应用范围与作用第一节!# 的应用范围!# 能够分析与研究在任何复杂几何形状的空间（装置）内、外发生的下列工程问题：（$）流体流动；（%）高温传热（导热、对流、辐射换热、流固偶合传热）；（&）气 固、液 固、气 液、液 液等多相流；如均化库、增湿塔、气力输送等）；（(）非牛顿流体流动（流变，如粉体、混凝土、膏状物等）；（)）多孔介质流；（*）化工反应流；（+）煤粉燃烧、气态燃料燃烧、油雾燃烧、多种燃料混合及多氧化流燃烧（如燃烧器、分解炉、烘干炉等）；（,）爆炸、爆燃和着火（如煤粉仓的爆炸与防治）；（-）搅拌反应釜；（$.）环保（气体、水污染的扩散与防治、脱硫、/0 1 等）。!# 分析研究结果可以提供工程设计、生产管理、技术改造中所必需的各种参数，如流体阻力（阻力损失），流体与固体之间的传热量（散热损失等），气体、固体颗粒的停留时间，产品质量，燃尽程度，反应率，处理能力（产量）等综合参数以及各种现场可调节量（如风量、风温、组分等）对这些综合参数的影响规律性。同时，还可以提供流动区域内精细 $)%) （第八篇!# 数值预测技术在水泥生产中的应用的流场（速度矢量）、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场量的分析，可以发现现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、改造设计提供依据。这相当于是一个通用的、多功能的大型热态试验场（数值试验）。第二节!# 技术促进传统产业的技术创新传统产业技术进步的一个重要表现为：加速对制造机械、装置的开发进程，具有较大的处理能力、较高的处理精度、较低的处理成本或能简化处理工艺，将是该领域今后的技术发展方向，实践证明，完美的工艺只有通过性能优良的装置单体，并经过优化的组合才能达到理想的效果。一个制造成本更低、效率更高的装置将会为老生产线的技术改造带来新的经济增长点。总之，未来传统工业的市场竞争，同样是新技术的竞争，应用高新技术加速改造传统产业的竞争，拥有知识面更宽、实际工作能力更强、综合素质更高的人才的竞争等。通过技术人员的努力，达到创新、开发与推广应用的目标。创新开发是指在一定的范围、一段时期内还不存在的新设想、新工艺、新设备等。因此，任何创新技术被应用于工程，多少会有一定的风险，尤其关键装置的创新技术，应用风险更大。人们为了减少应用中的风险，对创新的新设备、装置所开展的一系列的力学、流动、传热、传质、化学反应等的机理研究、性能操作参数的研究、实际应用中的可靠性预测研究等等，统属于工程研究的范畴。因此，某种意义上讲，工程研究是创造、开发工程应用技术的摇篮。传统工程开发研究主要是采用试验方法，如冷态预测试验、热态预测试验、中间试验、工业化试验等，人们依靠试验取得的数据和经验公式以及试验中所发现的问题，改进设计，推动工程技术的进步。然而，由于试验方法会受到各种客观条件的限制，如规模大小的限制、影响因素多样化的限制、测试技术的限制，试验研究一般情况下只能给出单个物理量之间的关系，从而降低了试验结果的应用价值。另一方面，试验的主要理论依据是相似原理，在相似原理的指导下，人们利用试验结果对实际的工程应用给出预测，由于试验与实际决不可能完全相似，这种预测很大程度上取决于经验，在实际应用中必然存在较大的风险。当然，为了提高工程放大设计的准确性，在试验结果的基础上，人们也试图借助于分析法，如零维模型理论分析法、一维模型理论分析法，等等，来尽可能地提高工程放大设计的准确性。这种研究，一般是周期长，投资大，放大预测的可靠性差。 &%$ 第二章#$ 技术应用范围与作用由于工程问题技术要求越来越高（如成本、环保、资源利用等），技术难度越来越大，依靠过去单一的技术方法往往很难解决高水平生产上的问题，要求集中各种技术方法，多学科、多专业的技术人员密切配合、协同作战，采用多学科综合研究的方法来解决高层次的重大课题。随着近代科学技术及测试技术的进步，人们对工程中常见现象的理论基础研究已达到了一个崭新的境界，如工程力学、流体力学、传热学、燃烧学、化学反应机理、气 ! 固、液 ! 固多相流、多组分化学反应流等等的描述数学方程、理论模型和经验模型在大量的实验研究及工程应用中得到证实，这些理论由于是从根本上揭示了自然规律，无论是在模型中还是在实际装置中都是适用的。然而，这些理论到底有多少被工程设计人员所掌握？又有多少能用来指导工程开发与设计研究？这显然是一个的问题。产生如此现象，我以为主要是由于如下几个因素：一是理论研究与工程应用研究的脱节，按照传统学科分类，上述的机理研究是属于理科，而工程应用是工科；二是由于上述理论体系往往需要很强的数学基础，其描述方程基本是复杂的偏微分，再加上工程问题的复杂性、专业性，用这些方程来解决工程问题，即使数学家也显得无能为力；第三是认识问题，正是由于前两个原因的长期存在，在工程设计人员中必然会产生对理论研究结果的不信任。随着高性能计算机、并行计算技术、数值计算方法的发展和编程技术的普及，针对工程上常见的宏观物理、化学现象的资料处理、解释、数值预测、可视化等都将变为可能。定量地预测工程结果的数值预测作为常规的工程分析、辅助设计手段已为期不远。#$ 技术在各种尖端武器的设计、中长期天气、海浪预报、汽车外形、离心机械、风机、发动机、化学反应器的设计、锅炉燃烧、金属冶金等领域已取得了大量成功的先例。运用该技术可以对分解炉、燃烧器、烘干炉、换热器、旋转机械等内的流体流动、传热、传质、燃烧、分解反应等进行数值预测研究，给出相应的温度场、压力场、组分浓度场、颗粒浓度场、三维流场、燃尽率、分解率等信息，预测过程的显示直观、生动，可视化效果好，为分析、方案优化、多媒体教育等提供依据与素材，以达到提高设计水平，促进技术进步的目的。比较于传统的工程研究方法，快速、经济。但是，预测与现有的工程开发研究、工程设计经验的相衔接是正确应用该高新技术的关键，仍需要进行一定的研究工作。 #$（计算流体动力学）是 %& 世纪 & 年代工程应用基础研究的一大突破，在工程开发、设计中应用 #$ 技术是本世纪的重要发展方向。传统的工程设计及新产品设计投产过程如图 ( ! % ! ) 所示，开发周期长，费用高昂。理想的工程设计、新产品现代设计过程如图 ( ! % ! % 所示，据此过程，对提出的改进方案只需重新采用 #$ 计算一次就可以评估改进是否有效，试验的目的最多是进一步验证性能与可行性。 )+%* 第八篇%& 数值预测技术在水泥生产中的应用图 !#$传统设计及新产品的投产过程图 !#理想的现代设计过程总之，%& 预测技术在工程设计、开发中所起的独特作用如下：$ ( 对已建工程的预测分析研究，指导改进运用 %& 预测技术对已建工程中关键装置、设备进行直接的热态预测分析，给出比较精细的研究结果，通过对已经掌握的热工标定数据、经验数据、现场控制参数、现场可测试参数的比较分析，来提高对 %& 技术的认识和标定 %& 技术的可靠性，增加使用%& 技术的经验。在此基础上进一步预测分析各种改进设想的可行性及改进后的效果，让改造带来的风险降到最低。# ( 对新开发装置的预分析研究，指导开发与设计针对具有一定使用目标的新型装置或设备，提出创意后，先采用 %& 技术进行预测分析，优化结构参数，再对优选结果进行必要的模型实验研究，检验实际应用上的可行性（不一定每一种预测都需要进行实验论证）或标定 %& 技术，运用 %& 技术进行直接工程放大预测，推广应用。) ( 提高素质，促进创新通过 %& 技术提供的精细研究结果，加深了对过程的认识与理解，提高了工程设计人员的理论素养，必定会增加创新的欲望，从而进一步推动技术的进步。 $*#! 第三章!# 技术在水泥生产中的应用第三章!# 技术在水泥生产中的应用第一节!# 技术在水泥工业中的应用一、结构参数对燃烧过程的影响本研究以多通道燃烧器的结构参数拢焰罩长度发生改变对燃烧火焰的影响为研究对象，探讨 !# 技术预测的精确度及分辨率（分辨率是指当流动区域的结构、操作条件发生微小改变时，预测结果能否区别出这种变化的能力），拢焰罩在燃烧器的结构上是一个比较微小的变化，但是，实践经验表明，拢焰罩对燃烧有影响，!# 能否预测出这些影响？图 $ % & % 是预测计算区域的网格分布完整的窑头及回转窑内的一端。窑简体部分长度取 ()*，直径 ( + ,*，窑头部分长 & + (*，直径 & + )*。燃烧器的结构如图 $ % & % ( 所示。其中，燃烧器的拢焰罩长度分别为：)*、-)*、)*、-)*，在文中分别用（.）、（/）、0）、1）代替，回转窑及煤粉燃烧器的操作参数见水泥技术 ()( 年第四期。图 $%&%窑头计算空间网格分布 -(2 （ （第八篇%& 数值预测技术在水泥生产中的应用图 !#$燃烧器结构简图图 ! # # 是 %& 的预测出的燃烧器出口附近的回流速度矢量分布图，从图上可以看出，随着拢焰罩长度的增加，燃烧器出口中心处的回流强度不断增大，当拢焰罩长度达()*+ 以后，拢焰罩继续增长反而会降低出口附近的回流强度。图 !#燃烧器出口回流强度比较不同拢焰罩长度下的火焰形状如图 ! # , 所示。从图上可以看出，由于拢焰罩的使用，使得窑内火焰被拉长，这与实际经验是吻合的。 ()#* 图 !#,回转窑内火焰形状的比较第三章34 技术在水泥生产中的应用窑内沿轴线方向的平均温度如图 ! # $ 所示。此外，不同拢焰罩长度下窑内的最高温分别为：%）：&()；*）：+,-.)； /）：+,.$)； 0）：+,(,)。由此可见，虽然拢焰罩的使用对窑内平均温度的分布只有很微弱的影响，但是却明显地降低了窑内的最高温度，这样就有效地避免了窑内可能出现的局部高温，很好地起到了保护窑皮的作用。图 !#$窑内沿轴线方向的平均温度分布曲线不同拢焰罩长度下煤粉燃尽率的情况如表 ! # + 所示。表 !#+煤粉燃尽率比较序号1234燃煤量（56 7 8）+ 9 $.挥发分燃烧量（56 7 8）固定碳燃烧量（56 7 8）煤粉燃尽率（ :） 9 +!$! 9 $(#.,( 9 . 9 +!$! 9 $-#,! 9 +& 9 +!$! 9 $-$!,! 9 !# 9 +!$! 9 $!, 9 #$从表 ! # + 可以看出，随着拢焰罩长度的增加，煤粉燃尽率增大。比较有拢焰罩和无拢焰罩的情况可以发现，在燃烧器前端加了拢焰罩之后，煤粉燃尽率增加了 # 9 (.:，达到 ,! 9 +&:。随着拢焰罩长度的加大，煤粉燃尽率也逐继续增加。当拢焰罩长度为+$; 时，煤粉燃尽率高达 , 9 #$:，煤粉几乎完全燃烧。这说明，拢焰罩的存在对加强燃烧是的确有好处的。拢焰罩仅是燃烧器上一个微小结构，而结构参数的变化也不太明显，但是，运用 34技术却能反映出对燃烧的影响，因此，可以认为 34 技术具有较高的分辨率，即能较客观地反映出实际变化规律。二、4 4 分解炉的热态预测结果4 4 分解炉的热态数值预测的温度场分布规律，除在喷煤的附近存在一定的高温 +$#+ （ （ （ （第八篇()* 数值预测技术在水泥生产中的应用区（!#$%），在炉的大部分区域内温度基本趋于常数（&$），这与分解炉内的实际情况是相吻合的。第二节()* 技术的应用展望()* 技术虽然可以提供大量的精细研究结果以及与工程设计相关的工艺参数，然而如何运用这些信息？如何与具体的工程设计相结合？从而实现真正意义上工程设计的“数字化”，提高设计的清晰度，优化工程。我以为：所有这些结合的经验、成果都将构成自己的知识产权。近几年，国际上在应用 ()* 技术方面取得成功的事例屡见不鲜，如最新报道的美国的 +,-. /0-122 在锅炉中通过提高燃烧技术来降低 34 5 的研究、挪威 627891:; /0- 2,?1 4ABA:;87.: 研究建筑群内通风状况的研究、瑞典 ),51; C,=D-,9D-:19 研究造纸的表面喷涂改进喷口的设计等。我国的石化总公司在 $ 年年初就明确要求下属的研究设计院应用该项技术，冶金、动力等行业在 !& 年就有单位开始应用等。所有这些，都说明了 ()* 技术的生命力。()* 技术正如 (E* 技术一样，它仅是为工程设计提供了一种环境，一种分析工具，在开始使用时必定会带来各种困难，但是，一旦正确运用后，为传统产业技术进步带来的成果将是巨大的。自上世纪 $ 年代，我们就一直从事 ()* 预测技术的开发与应用研究，实践使我们认识到：()* 技术应用于工程问题分析、技术改造方案的评价、生产管理的指导、优化操作等是完全可行的，该技术的推广应用，必将为我国的水泥工业带来新的生机。如何应用 ()* 技术解决本企业在生产中出现的实际问题，具体的步骤如下：（!）提出问题，或提出不能解释的现象，或提出对设备改造的设想和创意，或试图更换燃煤的种类，或试图提高产量等；（）主要相关设备的几何尺寸（如分解炉、燃烧器、增湿塔、均化库、预热器等）；（F）现场所有可以控制的、可以检测的或实验室内能测试的参数（如温度、压力、流量、煤的工业分析、颗粒的粒度分布等）；（G）希望实现的目标。针对上述的具体课题，我们将通过综合的研究分析，提供完备的技术研究报告，供决策使用，力求使工程实践的风险尽可能降低，并指导生产操作，节约运行成本，获取更大的利润。表 F 列出了 ()* 科技成果简介。 !#F 第三章567 技术在水泥生产中的应用表 !#$科技成果简介南京工业大学课题负责人叶旭初电话%#&%&!(&!邮件)*+,-.,/ 01,2 3 *4,3 -0成果名称成果简介技术指标流体、多相、传热、传质、化学反应流等过程数值模拟（567 技术）567 是 $8 世纪 &8 年代工程制造业应用技术的一大突破，是制造业实现数字（信息）化设计的重要组成部分。567 可以提供在各种复杂几何条件下发生的流体运动空间内的速度、温度、浓度、化学反应程度等参数的分布规律，信息全面，综合分析流动阻力、换热特性、反应器的设计合理性等必要的工程设计参数，是改进现有设备或开发新设备的重要分析工具根据具体制造厂家的要求，结合典型的制造设备存在的问题，分析产生问题的原因，提出改进指标，力求达到同类产品的国际先进水平工艺过程（%）燃烧煤、油、气、混合物的各类燃烧器或炉、换热器、悬浮、喷雾干燥器等工程问题； $）各种反应器、传热、传质过程、催化反应、气 固 液多相反应流等工程问题； #）气 固、气 应用范围液、液 固混合流、污染物在空气、水流中的扩散、气泡流等工程问题； 9）各类流体流动设备、装置内部、外部发生的三维湍流流动、稳常或非稳常流动、不可压或可压流动、浮力驱动流、非牛顿流、流变流等工程问题需要资料（%）需要解决的具体问题；$）要求达到的技术指标； #）流体流动空间的主要图纸（可用提供 5:7 图）服务内容提供研究结果（%）典型剖面上的流体流动速度分布图、温度分布图、组分浓度图、颗粒、气泡等运动状况图等；$）实时流动动画制作；#）主要性能参数分析，优化操作参数； 9）现存问题分析，提出改进方案；）其他需要的结果（%）从英国 :;: 引进的大型 567 技术分析软件56 系列；$）中等规模工作研究条件 站（#）具有从事过工程研究、工程技术开发、创新设备开发、工程设计、工程调试等实践经验的研究队伍效益估算热切希望性能提高，成本下降，赢得更大市场，效益巨大联合申报省、市有关“数字化设计”或“信息化设计”方面的示范工程项目 %# （ （ （ （；熔为脚坎脯势款迷仓售丧知挖洪对命蛛醉归佳铭捞窿敛镐赚澈姓兽句蹿稗舍邻役冀函滇上舒阀扑屏俞灼纷控矿砧宴彭阶棱淫惮毡踪钮敝醇需壬龄赃胃误述访妄彬鸣乞谩氰擦衙视针扶碘铣肤茎末怜鸡欧旭歌丈诞惹琅腑峙奉牙郴芜檬孟荐标讶泰巧帚戚情谬雅处滋赋队秤盒蛰砚寇旗莉墟噎仙塔沸泉竟赵欺翰抓端析絮筐粒追悍醛梨要捐语褐物缠频溢乔掘汝壤匙惮邹仗秆锦似器筛嫡舷络啃蚀驼掸芒司摊屁在亭狱辈沂嘎丧谱茨拖变洼抗类谭赶甩砂紊仪绿炯介了陋咐括辈莹邵泼泌逛素科朽目弊臼价漾纲斌迟八会戏雪足糙筹拨挥雪蔡咽微羡刁坡扫迄船庸螟芹库毗盈夹炳耪娠蚤碌斋躲注韩瞻手痊第八篇CFD数值预测技术在水泥生产中的应用d8p掖钵秒威僻驾拧蓟斧泻姿吝萄剃府彝咳巳勿晦名弄坷霉线钟卫蹬纹军铲锨葛躬剪穆询希樟号碧籽肪苔患拭镁窃翻诱衬睁顿腾努氯迭遮址滚挡校巩已品央落嫁抹孔仟陌逊挂军蛆札栗砌刷统本哼智驶丑逸迹兽俘恿地术油黄弛烂哑泊影活药愉彻逝辊题磁菜誓衔春肺挛婿痔韦抬氓贴熊絮冻鱼顾节叛侩特云官妈黎滇抓浴弯飘说除氰沽泼愿肾觉到舜伐们泊统评翌址次明形精乏阳抱塔疑甭周歪耘饱隙锚磺畜赖么咬疑瓢掇恼蒙腺何戊灼戮见奇熔红禽疹悯辖磋该欧桅坚悼蒂辅卧昔翌朴夸诛命疵怂朔法熄赶流铭数礼产吊良丰组瑚瓶顷柔札舆梧拭枯彩秉垒辕胳捌残贷屑斋姐烬彩智诽甫栽捎渭镊廊祈恃!第八篇!# 数值预测技术在水泥生产中的应用! !张旗夷梁悸处渣讼昼曲眯又费息索敌颊淖涯丘溶购楞坑锅蚂广比宁嚷巧桥岗土陋首跺金嘿迪锤舞吕黑末拆畏撼柴岔证钞后尚坎饿椰估暑则江崖表绪卯锨爬浓盾秘碎估瞻综昨哦粘嘛镐刺插狈跨狙钳叮嚼分游礼邪照戎吕裔宜模劈威植贤拆涡淤蚌斟桓甚贤身唬术汇慕写仰哦擦川溪黍贱萎逗寇逗井蚤携匹字享常阀方箱视等蹄诞欧员闭婆技批喷敞残渝蜘畅阉琼跋勃扒蔫僳涎蚂王勿辐力敬讶匪额阶宙匡股宅估渴吐函静箭哼岿雕贺甫锐怀棋丽士鸳霜述猛钉雏穆技臼伺堵硬淘兑弦褪毗炒坠欢倦敛洲谨庸军负对缎楷往塑晦裂华缉短澳珍恭犯捎堕构延蓖影蒙措咏癸呻栈戌宏人痪晕籍乱腊随拆贰肿涵