煙氣擴(kuò)散數(shù)值模擬

1、煙氣擴(kuò)散的數(shù)值模擬及分析王祥 魏昌興（中國礦業(yè)大學(xué) 電力工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116）摘要：針對受限空間中煙氣的釋放，運用FLUENT軟件對其輸運和擴(kuò)散過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到煙氣濃度的時空分布，并分析了不同影響因素對煙氣擴(kuò)散的影響。關(guān)鍵詞：受限空間；擴(kuò)散；數(shù)值模擬；濃度分布The Numerical Study On Diffusion Of Fume In Limited SpaceAbstract:The article simulated the transportation and diffusion of fume released in limited space with

2、 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

3、;Concentration Distribution引 言大氣污染一直是人們關(guān)注的問題，特別是對于工礦、鋼鐵、電廠等擁有大型燃燒設(shè)備的企業(yè)。研究煙氣擴(kuò)散的規(guī)律、控制大氣質(zhì)量，對日益緊迫的環(huán)境問題有直接的指導(dǎo)作用。對氣體擴(kuò)散過程的研究有三種方法：現(xiàn)場試驗、風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬。現(xiàn)場試驗條件與真實場景一致，因此能夠得到真實數(shù)據(jù)與特殊實驗現(xiàn)象，但耗資巨大，時間長，可重復(fù)性差。風(fēng)洞試驗?zāi)M法可以方便調(diào)控某些試驗參數(shù)，試驗可重復(fù)性大，但其難點在于要確定氣體原形與模擬試驗的無量綱相似常數(shù)，而且只能對大氣流動狀況進(jìn)行部分模擬。而數(shù)值模擬由于成本低且場景設(shè)置方便等成為研究氣體擴(kuò)散的重要手段。故本文采用FLUE

4、NT軟件模擬煙氣的擴(kuò)散問題。1幾何模型運用縮小實驗尺寸模擬，空間尺寸為4.5mX3.6mX2.5，煙囪高度1. 2 m，直徑65 mm，軸心距左側(cè)面0. 8 m。2數(shù)學(xué)模型煙氣在受限空間內(nèi)釋放以后形成的氣云運動規(guī)律滿足一般Navier-Stokes方程組所描述的流體力學(xué)基本方程組，在湍流流動的描述中將方程組進(jìn)行雷諾近似，并采用k-方程來封閉方程組。結(jié)合氣體自身性質(zhì)即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程，構(gòu)成了不可壓縮粘性流的CFD模型。最終氣體釋放后數(shù)值模擬的CFD模型包含連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、湍流動能（k）方程和耗散率（）方程。將這些控制方程在計算域上采用一定的離散方法和數(shù)值格式離散后，

5、加上初始條件及邊界條件以后，進(jìn)行迭代求解即可得到離散點上的物理量的值，再采用合適的插值算法即可算出整個流場的任意點出的物理量的值。2.1基本假設(shè)（1） 受限空間內(nèi)的空氣作為不可壓縮流體處理，呈湍流狀態(tài)。（2） 空氣和煙氣的混合氣體視作理想氣體，遵循理想氣體狀態(tài)方程，煙氣和空氣在流動中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。（3） 假設(shè)環(huán)境溫度為常溫，與外界無熱量交換。（4） 假設(shè)在煙氣排放過程中排放速度不變。2.2基本控制方程連續(xù)性方程： 為混合物密度，uj為（x,y,z）三個方向上的速度。動量守恒方程： 其中，µ是流體的動力粘度，g是重力加速度，P是絕對壓力，a是空氣密度。能量守恒方程： 其中cp是比熱容

6、，T是溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為流體的內(nèi)熱源以及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，有時簡稱為粘性耗散項。由于本文研究不可壓縮流動，不考慮溫度對擴(kuò)散的影響，故熱交換量很小可以忽略不計，因此可以不予考慮能量守恒方程。組分質(zhì)量守恒方程： cs為組分s的體積濃度，cs是該組分的質(zhì)量濃度，Ds是該組分的擴(kuò)散系數(shù)。2.3湍流模型在對于我們所要研究的問題中，選取RNG k-模型對湍流進(jìn)行數(shù)值模擬。3網(wǎng)格劃分針對所要解決的三維問題，在ICEM中建模后，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，基本單元為六面體單元，如圖所示。4物理模型及邊界條件設(shè)置自然風(fēng)入口（air）velocity inlet（第一類）煙囪出口（fu

7、me）velocity inlet（第一類）CO2+air（CO2質(zhì)量百分比濃度為22.12%）煙囪壁（fumewall）wall，無濃度與熱量交換地面（ground）wall，無濃度與熱量交換其余出口面outflow5求解計算模型在FLUENT求解器設(shè)置中采用分離式隱式求解器，時間項選取非穩(wěn)態(tài)。用RNGk-模型描述流體的湍流流動，啟用組分輸運模型來對氣體擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬?？刂品匠痰碾x散格式采用一階迎風(fēng)格式，壓力插值格式采用標(biāo)準(zhǔn)壓力插值格式，壓力與速度耦合算法采用SIMPLE算法。對時間步長設(shè)置為0.1s,總計算時間為200s。6數(shù)值模擬結(jié)果及分析在本次模擬中模擬工況參數(shù)如下 表 1工況參

8、數(shù)VairVfumeTair /KTfume /K工況 10.53300300工況20.55300300工況333300300工況 435300300分別研究在來流空氣速度對氣體擴(kuò)散影響與煙氣出口速度對氣體擴(kuò)散影響。6.1來流空氣速度影響風(fēng)向、風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、氣溫等因素對泄漏氣體的擴(kuò)散都具有不同程度的影響。風(fēng)向決定泄漏氣運擴(kuò)散的主要方向，大部分泄漏氣體總是分布在下風(fēng)向。風(fēng)速影響泄漏氣運的擴(kuò)散速度和空氣稀釋的速度，因為風(fēng)速越大，大氣的湍流越強(qiáng)，空氣的稀釋作用就越強(qiáng)，風(fēng)的輸送作用也越強(qiáng)。經(jīng)模擬研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速越大，下風(fēng)擴(kuò)散氣體的濃度越小。通過上圖工況一與工況三Z=1.2平面處CO2濃度分布云圖對比可以發(fā)現(xiàn)，在煙氣出口速度相同時，來流風(fēng)速越大，下風(fēng)擴(kuò)散氣體濃度越小。6.2煙氣出口速度影響前人研究發(fā)現(xiàn)，泄漏源的高度、泄漏源的泄漏速度對泄漏擴(kuò)散后氣體的濃度分布有著重要的影響。當(dāng)泄漏源位置較高時，泄漏氣體擴(kuò)散至地面的垂直距離較大，在相同泄漏源強(qiáng)度和氣象條件下，擴(kuò)散至地面同等距離處的氣體濃度會降低。若氣體向上噴射泄漏，泄漏氣體具有向上的初始動量，泄漏源的泄放速率越大，下風(fēng)向氣體的濃度越大。通過上圖工況三與工況四Z=1.2平面處CO2濃度分布云圖對比可以發(fā)現(xiàn)，在來流空氣速度相同時，煙氣