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炉膛仿真过程及其其中的问题
一、（Gambit）几何建模部分
1.大体尺寸
在本次设计中，（实际标高-5=图中的标高）锅炉的尺寸为：锅炉高度为26890mm，宽度为7570mm，深度为7570mm。
燃烧器的高度为2.105m，最底层的燃烧器低端距冷灰斗距离为2.1775m。

采用四角切圆（顺时针切圆，假想切圆直径0.8m）的均等配风燃烧方式。其中一次风2层，二次风3层。由低到高燃烧器风口布置依次为二、一、二、一、二。燃烧器宽度为0.4m，一次风口高度0.2405m，二次风口高度0.352/0.315m，风口间距为0.21/0.12/0.155m。

2.简化处理
将水冷壁简化成一个恒温平面；
将燃烧器简化成一个平面，各次风口为平面中的一个矩形区域，作为速度入口；
忽略屏式过热器，将折焰角上方与水平烟道相连结的平面作为出口（outflow）。

3.几何建模过程及网格划分
为了方便锅炉的网格划分，我们将整个计算域划分为5个区域：冷灰斗下端至燃烧区域下端、燃烧区域、燃烧区上端至折焰角下端、折焰角区域、折焰角上端至炉膛出口。
3.1点线面的生成
几何建模的方法通常可以是自下而上的，即先生成体的各个点（通过坐标确定位置）；将生成的点依次连接成线；将线围成体的各个面；最后将面组合成一个实体。
当然建模时也可以通过设置实体（面）的长宽高（长宽）直接生成。
3.2实体分割
块的划分方法如下：
先产生一个面，并将该面平移至该实体要切割的位置，split volume选卡中，split with选择face（real），然后选中要切割的实体（对应split volume中的volume）以及用来切割这个体的面（对应face栏）（注意：在切割时需要选中Connected，保证切割产生的两个体之间的面是公共面，而不是两个重合的面。因为公共面可以通过物质和能量，而重合的面不加定义时是wall），最后点击APPLY确定。

根据这种方法，我们可以在Z方向将燃烧区分为很多层，方便以后设置一、二次风入口的边界条件。同时，在xy平面内燃烧区被分为8份，如图所示：

3.3网格划分
网格划分的最后记结果如图所示：

这种网格的特点是：四个角的地方网格比较密，而中间网格比较稀疏。同时网格线的方向与流动合速度方向重合度比较高。这样的网格划分可以很好的抑制伪扩散的发生。
这种网格的划分步骤如下：
在将区域分块的基础上对实体按照线、面、体的顺序进行依次划分。
Edge的划分：为了形成这种对称的网格，我们需要对edge进行划分，如图所示：

其中，soft link采用maintain形式，Spacing选用Interval count（划分数目）。在本设计中，将每条线均分为30份，即ratio为1，interval count为30，其他保持不变。
Face的划分：由于前面对每条边进行了划分，所以对面的网格划分就只需要设置网格的形式和类型如图所示：

其中，Elements采用Quad形式，Type采用Map形式（映射成结构化网格）。此时不需要对Spacing进行设置了。
Volume的划分：对volume的划分，我们采用Cooper（制桶）方式。采用这种划分方式时，有一点需要注意，就是上下两个Face的网格划分要完全一样，也就是说组成Face的Edge的划分也要一样。如图所示：

其中，Element采用Hex/Wedge形式。Sources表示需要选择制“桶”的上下两个面。Interval count表示两个面之间划分的数目。本设计中，根据风口和墙面的高度进行划分，每个网格高度在0.1m左右。
最后依照上面的方法和步骤对燃烧区的每一层进行这样的网格划分。
对于除了燃烧器区的其他区域的网格划分，要求就比较低一些了。对我们依旧采用COOPER的方式对体进行划分。不过其他地方的Sources是沿y轴方向的两个面（燃烧器区域的sources是沿z方向的）。
最后的网格为：冷灰斗30*30*30；燃烧器30*30*8*（3+2+3+1+3+1+3+2+3）；燃烧器上端至折焰角：50*50*66；折焰角：50*50*16；折焰角上方：40*50*40。最后网格数目大概在480000个，其中燃烧器区域网格为151200个。

3.4交接面处的处理
在划分计算域的时候会涉及到interface的设置。在燃烧区的上下两个端面，我们需要分别将这个面与其相重合的那个面设置成一对interface。因为燃烧器区与相邻的两个实体并不是通过分割而来，是3个独立的实体，为了能让物质和能量通过该重合的面，需要通过设置interface来实现，如图所示：

由于燃烧器区域上端的xy平面被划分为了8块，所以需要将这8个面一起设置为interface11，然后将与燃烧器区上端重合的面设置为interface12。对于interface21和22的设置和上述一样。
4.边界条件设置
在gambit中需要预先设置边界条件。
将折焰角上方与水平烟道相连接的那个面设置为outflow边界条件。
Interface的设置上面已经说过了，下面我们进行一、二次风入口的设置。根据燃烧器的结构确定各次风口在模型中的位置，然后将边界条件的Type设置成velocity_inlet（速度入口）。名字格式为ofa/pa/sa+两位数字，数字前一位表示在xy平面所处的象限，后一位表示自高向低同类型风口的层数。如图所示：

二、Fluent仿真过程
0.网格导入、Interface设置以及网格检查
在完成Gambit中的工作后，需要将生成的.msh文件导入到Fluent中。
0.1网格导入、检查以及解法器设置
在General中点击Check完成网格检查（网格检查中不能出现网格体积为负数的情况，否则会出错，需要重新进行稽核建模）。点击Report Quality进行网格质量检查。
在解法器中选择Pressure-Based、Absolute、Steady的情况。勾选Gravity，建立重力场（z=-9.81m/s2），设置如图所示：

0.2Interface设置
点击Mesh Interfaces中的Create。在Interface Zone 1中选择interface11，在Interface Zone2中点选interface12，Mesh Interface名称为interface1，点击Create设置完成。按照同样的方法设置interface2，如图所示：

1.燃料及边界条件参数确定
1.1燃料特性及风煤计算
1.1.1燃料计算
工况
符号
单位
3#T-01
7#T-01
8#T-01
适用标准
全水分
Mt
%
9.1
8.7
8.2
GB/T211-2007
空气干燥基水分
Mad
%
2.53
1.82
2.17
GB/T212-2008
收到基灰分
Aar
%
27.87
33.22
36.39
干燥无灰基挥发分
Vdaf
%
41.01
44.00
39.92
收到基碳
Car
%
51.36
47.50
45.49
DL/T568-1995
收到基氢
Har
%
3.49
3.43
3.09
收到基氮
Nar
%
0.82
0.76
0.72
收到基氧
Oar
%
6.67
6.17
5.86
全硫
St,ar
%
0.69
0.22
0.25
GB/T214-2007
收到基高位发热量
Qgr,v,ar
MJ/kg
20.48
19.18
18.19
GB/T 213-2008
收到基低位发热量
Qnet,v,ar
MJ/kg
19.55
18.27
17.36
根据表格，我们将元素分析数据转换成干燥无灰基的挥发分的元素组成。由于干燥无灰基无水、无灰，故剩下的成分不受水分和灰分的影响，是表示碳、氢、氧、氮、硫成分百分函数最稳定额基准，所以通常选择转换为干燥无灰基来计算。
各种煤不同分析基之间的换算公式为
X=X0×K
其中，X0，X分别为某成分原基准与新基准的质量百分数，%；K为换算系数。
收到基与干燥无灰基之间的换算系数为
K=100100-Mar-Aar
利用上述公式将煤的收到基转换为干燥无灰基的元素组成，如下表所示，这些数据也是Fluent中计算PDF元素分数所需要的。
PDF中元素分析元素分数
元素
C
H
O
N
元素组成
0.820971
0.055766
0.105757
0.017506

PDF中工业分析分析组分
组分
V
FC
A
M
组分分数
0.2212
0.3329
0.3639
0.082

1.1.2风煤计算

锅炉实际燃煤量
t/h
26.015
设计值

一次风流速
m/s
24.3
设计值

一次风份额
%
28.28
设计值

一次风温
K
303

温风份额
%
64.09
设计值

二次风温
K
600

一次风口面积
m2
4*0.1924

二次风口面积
m2
4*0.4075

注：由于不知道乏气送粉的位置，将乏气份额归并到二次风中，即二次风份额为71.72%。
根据克拉伯龙方程PV=nRT和表格数据可知：
标况下一次风速V10=21.894ms；
再根据一、二次风的份额和面积可以得到：
二次风速V20=V10*二、一次风份额之比*一、二次风口面积之比=26.216ms；
根据克拉伯龙方程可知：
实际二次风速V2=57.62ms；
根据煤量，可以知道每个一次风口煤的质量流量：
Qcoal=26000÷3600÷4÷2=0.903kgs
根据切圆直径和炉膛尺寸可以知道风煤的入口方向：
夹角θ=40.55°；cosθ=0.76；sinθ=0.65.

1.2边界条件设置
现以一次风pa11为例，介绍对流场数据的设置。
在Fluent中Boundary Conditions菜单下找到pa11项目，如图所示。然后这个风口进行设置。

点击Edit进入设置页面，如图所示。

在Velocity Specification Method选项中选择Magnitude and Direction（速度大小和方向）；在Velocity Magnitude中填入24.3m/s；
在Coordinate System中选择Cartesian（X,Y,Z）笛卡尔直角坐标系，然后在下面依次填入流体流动的方向（X轴为-sin40.55°，Y轴为-cos40.55°）。在第一象限的风口方向为（-sin40.55°，-cos40.55°）；在第二象限的为（cos40.55°，-sin40.55°）；第三象限的为（sin40.55°，cos40.55°）；第四象限的为（-cos40.55°，sin40.55°）。
在设置湍流参数时，我们选用Intensity and Hydraulic Diameter（湍流强度和水力直径）方式。湍流强度I我们设置成10%，为强湍流状态，水力直径D的设置根据公式D=4AL设置成0.3m（二次风口的水力直径为0.374m/0.352m）。
在Species选卡中将Mean Mixture Fraction设置为0（氧化剂入口），Mixture Fraction Variance设置为0，如图所示。

在DPM选卡中将DP BC Type设置成reflect（反射）

其他设置保持不变。
依照上面的方法，可以完成对PA和SA流场参数设置。

2.与流动和燃烧相关的模型设置
在Fluent中我们打开Models选项。在中意菜单中，我们可以设置包括流动、传热、燃烧等方面的模型。
2.1.气相流动模型
本文采用标准k-e双方程湍流流动模型，同时采用标准壁面函数处理近壁面的流动问题，其中的流动参数保持默认参数。其设置如下：

2.2气相湍流燃烧模型
模拟气相湍流燃烧过程的关键在于如何模化湍流燃烧反应率。针对扩撒火焰的模型有k-ε-g模型，混合数-概率密度函数模型。
为了减少计算量，采用但混合数PDF模型。对于煤粉燃烧，我们在Models->Species中选用Non-Premixed Combustion（非预混燃烧）模型，然后再弹出的菜单中进行相关的参数设置，如图所示。

在PDF Table Creation栏目中点击Chemistry选卡。在State Relation中选择Equilibrium（化学平衡法），Energy Treatment中选择Non-Adiabatic（非绝热）形式，Stream Options选择Empirical Fuel Stream（经验燃料流）。
点击Coal Calculator会弹出对燃料特性进行设置的对话框，根据燃料特性表的中数据，可以设置完燃料工业分析和元素分析的参数。其中物料的名称为coal-particle，HCV为1.819e+07j/kg，其他的保持默认数值，点击Apply和OK确认，我们可以看到Model Settings中的数据发生了相应的变化。如图所示。

点击Boundary选卡将燃料温度设置为303K，氧化剂的温度设置为600K。
点击Table选卡中的Calculate PDF Table进行燃烧的计算。计算完成后，我们可以点击Display PDF Table查看关于煤粉燃烧的数据，如图所示。

计算结果显示燃烧形成的成分有20种，点击Control选卡可以查看成分名称，如图所示。

设置完成后点击Apply和OK。同时我们可以看出Models中的Species变成了Non-Premixed Combustion模型。

2.3煤粉燃烧模型
煤粉燃烧可分为煤粉预热、挥发分析出和燃烧过程、焦炭燃烧等过程。
在本设计中，挥发分析出模型采用单速率析出模型，焦炭燃烧模型选用扩散-动力控制模型。
在Fluent中首先需要对煤粉颗粒的喷射进行相关的设置。
在Models菜单中点击Discrete Phase，弹出对话框，如图所示。

在Interaction中勾选Interaction with Continuous Phase（对连续相的影响，但是在仿真时候需要先建立无颗粒相的流场，即在仿真开始时不勾该选项）。
在Trackking选项中，Max. Number of Steps设置为3000，勾选Specify Length Scale，其中，Length Scale设置为0.01m；
在Physical Models选项和Numerics选项中的参数和选项均为默认设置。
为了让煤粉能够喷射入炉膛，我们需要进行对颗粒相的设置，点击Discrete Phase Model中的Injections弹出对话框，如图所示。

点击Create对煤粉颗粒进行参数设置。以某一次风口进入的煤粉为例，如图所示。

在Injection Type中选择surface，然后在Release From Surface中选择相应的煤粉喷射地点。
在Particle Type中勾选Combusting（燃烧）。
在设置Diameter Distribution时，可以选择uniform（均匀）形式，当然最好选择rosin-rammler形式。
在Point Properties中设置好速度方向（与空气速度矢量一致）、颗粒直径（1e-06m）、颗粒温度（303K）、质量流量（0.903kg/s）等参数；
在Turbulent Dispersion中的Stochastic Tracking选择Discrete Random Walk Model（随机轨道模型），如图所示。

依照上述方法对其他的煤粉喷射源进行参数和模型的设置选择。
煤粉喷射设置完后可以发现Models->Materials选卡中多了Combusting Particle（coal-particle）一项。接下来我们对这个成分进行相关设置，如图所示。

在弹出的对话框中的Properties中设置Devolatilization Model（挥发分析出模型）为single-rate（单速率）；同时设置Combustion Model（焦炭燃烧模型）为kinetic/diffusion-limited（扩散-动力控制）；
对于该颗粒相的其他物性参数保持默认参数。

2.3辐射传热模型
炉内的能量主要通过辐射的形式进行传递。Fluent软件提供了多种辐射模型，在本设计中，我们选用P1模型，如图所示。

在Model中点选P1即可。
P1模型考虑了辐射散射作用，更适用于光学厚度较厚以及几何结构复杂的燃烧设备。但是该模型也有缺点，包括对来自内部热源的辐射热通量有过高估计的趋势等。
在选用P1模型后，Models中Energy选卡自动开启。

2.4边界条件的设置
在Boundary Conditions中设置Supersonic/Initial Gauge Pressure为0pascal；一次风入口温度为303K；二次风入口温度为600K；DP BC Type为reflect。
墙壁为固定无滑移壁面；热力条件为很稳壁面600K，内部发射率为1，壁厚及生热率均为0；壁面材料为Al（铝）；DPM 边界条件数类型BC Type为reflect。其他保持默认设置。
出口边界条件设置为outflow，保持默认设置。

3求解过程（Solution）
3.1Solution Methods
点选Solution->Solution Methods。
压力-速度耦合采用SIMPLE格式；
空间离散方法中，梯度采用格林-高斯单元法（Green-Gauss Cell Based）；
压力采用Standard方法；
其他均采用二阶迎风格式（Second Order Upwind）。

3.2Solution Initialization
初始化方法采用Standard Initialization方法；
初始温度为600K；
其他保持默认参数和设置，点击Initialize完成初始化，如图所示：

3.3求解
在求解时，需要先建立连续相的流场，然后再加入颗粒相耦合修正流场，即在开始时Models->Discrete Phase中不勾选Interaction with Continuous Phase，迭代100步先建立连续相流场；
迭代完成后，勾选Interaction with Continuous Phase，其他保持默认设置，然后进行迭代，如图所示：

三、仿真结果中出现的问题
在迭代步数为2670步基础上的仿真结果
1.炉膛内切圆直径与假想切圆直径相差不大，说明有可能迭代步数不够，如图所示：

2.在燃烧器上端至出口的区域内，温度变化不大，所散点图所示：

3.现场测试数据显示乙侧温度都高于甲侧温度，根据经验表明是顺时针切圆；但在仿真中采用顺时针切圆，结果却是乙侧温度低于甲侧温度，标高24.2m处温度情况如图所示：

标高27.5m处温度情况如图所示：

4.各标高所在平面温度等值图
4.1下二次风

4.2下一次风

4.3中二次风

4.4上一次风

4.5上二次风

4.6标高24.2处温度

X=-1.685处
Y坐标（m） 温度（K）
-3.785 600
-3.6336 1449.03
-3.4822 1511.38
-3.3308 1522.37
-3.1794 1530.99
-3.028 1538.02
-2.8766 1543.94
-2.7252 1549
-2.5738 1553.35
-2.4224 1557.08
-2.271 1560.24
-2.1196 1562.91
-1.9682 1565.17
-1.8168 1567.08
-1.6654 1568.69
-1.514 1570.07
-1.3626 1571.25
-1.2112 1572.24
-1.0598 1573.07
-0.9084 1573.77
-0.757 1574.35
-0.6056 1574.83
-0.4542 1575.22
-0.3028 1575.52
-0.1514 1575.75
-7.35393e-18 1575.91
0.1514 1576
0.3028 1576.02
0.4542 1575.96
0.6056 1575.78
0.757 1575.47
0.9084 1575.04
1.0598 1574.44
1.2112 1573.63
1.3626 1572.61
1.514 1571.33
1.6654 1569.76
1.8168 1567.85
1.9682 1565.54
2.1196 1562.78
2.271 1559.53
2.4224 1555.75
2.5738 1551.37
2.7252 1546.33
2.8766 1540.57
3.028 1533.93
3.1794 1526.22
3.3308 1517.18
3.4822 1506.05
3.6336 1449.11
3.785 600
4.6标高27.5处温度

X=-1.467m处
Y坐标（m） 温度（K）
-3.785 600
-3.6336 1436
-3.4822 1491.8
-3.3308 1501.85
-3.1794 1509.57
-3.028 1515.82
-2.8766 1520.99
-2.7252 1525.29
-2.5738 1528.88
-2.4224 1531.85
-2.271 1534.32
-2.1196 1536.39
-1.9682 1538.1
-1.8168 1539.53
-1.6654 1540.73
-1.514 1541.75
-1.3626 1542.62
-1.2112 1543.36
-1.0598 1544
-0.9084 1544.56
-0.757 1545.04
-0.6056 1545.46
-0.4542 1545.85
-0.3028 1546.22
-0.1514 1546.56
4.68613e-18 1546.87
0.1514 1547.13
0.3028 1547.3
0.4542 1547.36
0.6056 1547.31
0.757 1547.13
0.9084 1546.81
1.0598 1546.32
1.2112 1545.62
1.3626 1544.7
1.514 1543.58
1.6654 1542.22
1.8168 1540.61
1.9682 1538.74
2.1196 1536.59
2.271 1534.1
2.4224 1531.21
2.5738 1527.86
2.7252 1523.98
2.8766 1519.43
3.028 1514.04
3.1794 1507.61
3.3308 1499.76
3.4822 1489.7
3.6336 1435.2
3.785 600

四、问题思考
0.Gambit中的几何建模方法和步骤是不是正确（因为从数据看，interface虽然是一个公共面，但在仿真结果中相应的两个面温度数据有偏差）。
1.迭代步数是否不够；
2.模型简化是否合理；
3.近壁面函数设置是否存在问题；
4.对于壁面的恒温为600K的设定是否合理。若用壁面热流量代替壁面恒温是否可以改进仿真结果；
5.燃烧模型的设置以及燃料特性的设置是否正确；
6.在fluent仿真中，许多参数均用了默认值，这一做法是否科学；
7.仿真模型设置时，忽略了一些小物理模型，若加入这些物理模型是否能改善结果；
8.在将出口由outflow条件改为压力出口条件时，仿真出错。