烟气扩散数值模拟

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TheNumericalStudyOnDiffusionOfFumeInLimitedSpaceAbstract:ThearticlesimulatedthetransportationanddiffusionoffumereleasedinlimitedspacewithFLUENTcodeandshowedtheconcentrationcontourmapsoffumewithtimeandspaceandthevelocityvectordistribution,andthenstudieddeepintotheinfluenceofdifferentinfluencingfactorstothediffusionoffumeandgavetherelatedconclusions.Keywords:LimitedSpace;Diffusion;NumericalStudy;ConcentrationDistribution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1.2m，直径65mm，轴心距左侧面0.8m。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（1）受限空间内的空气作为不可压缩流体处理，呈湍流状态。（2）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。（3）假设环境温度为常温，与外界无热量交换。（4）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：0jjuxt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：iajijijijigxuxxpuuxtu)(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：TjpjjjSxTckxTuxtT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：jssjsjjsxcDxcuxtc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RNGk-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）——velocityinlet（第一类）烟囱出口（fume）——velocityinlet（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——outflow5求解计算模型在FLUENT求解器设置中采用分离式隐式求解器，时间项选取非稳态。用RNGk-ε模型描述流体的湍流流动，启用组分输运模型来对气体扩散过程进行数值模拟。控制方程的离散格式采用一阶迎风格式，压力插值格式采用标准压力插值格式，压力与速度耦合算法采用SIMPLE算法。对时间步长设置为0.1s,总计算时间为200s。6数值模拟结果及分析在本次模拟中模拟工况参数如下表1工况参数VairVfumeTair/KTfume/K工况10.53300300工况20.55300300工况333300300工况435300300分别研究在来流空气速度对气体扩散影响与烟气出口速度对气体扩散影响。6.1来流空气速度影响风向、风速、大气稳定度、气温等因素对泄漏气体的扩散都具有不同程度的影响。风向决定泄漏气运扩散的主要方向，大部分泄漏气体总是分布在下风向。风速影响泄漏气运的扩散速度和空气稀释的速度，因为风速越大，大气的湍流越强，空气的稀释作用就越强，风的输送作用也越强。经模拟研究发现，风速越大，下风扩散气体的浓度越小。通过上图工况一与工况三Z=1.2平面处CO2浓度分布云图对比可以发现，在烟气出口速度相同时，来流风速越大，下风扩散气体浓度越小。6.2烟气出口速度影响前人研究发现，泄漏源的高度、泄漏源的泄漏速度对泄漏扩散后气体的浓度分布有着重要的影响。当泄漏源位置较高时，泄漏气体扩散至地面的垂直距离较大，在相同泄漏源强度和气象条件下，扩散至地面同等距离处的气体浓度会降低。若气体向上喷射泄漏，泄漏气体具有向上的初始动量，泄漏源的泄放速率越大，下风向气体的浓度越大。通过上图工况三与工况四Z=1.2平面处CO2浓度分布云图对比可以发现，在来流空气速度相同时，烟气速度越大，下风扩散气体浓度越大。结论通过本文模拟发现，烟气速度越大，下风扩散气体浓度越大；来流风速越大，下风扩散气体浓度越小。但由于烟气扩散的复杂性，在实际情况中，地形起伏、障碍物分布、大气温度层结以及周围环境的风速，温度随高度的变化，都对其扩散有影响。因此本文模型还有待完善。