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(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州，221116）摘要：針對(duì)受限空間中煙氣的釋放，運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)其輸運(yùn)和擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到煙氣濃度的時(shí)空分布，并分析了不同影響因素對(duì)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TheNumericalStudyOnDiffusionOfFumeInLimitedSpaceAbstract:ThearticlesimulatedthetransportationanddiffusionoffumereleasedinlimitedspacewithFLUENTcodeandshowedthecon

2、centrationcontourmapsoffumewithtimeandspaceandthevelocityvectordistribution,andthenstudieddeepintotheinfluenceofdifferentinfluencingfactorstothediffusionoffumeandgavetherelatedconclusions.Keywords:LimitedSpace;Diffusion;NumericalStudy;ConcentrationDistribution引言大氣污染一直是人們關(guān)注的問(wèn)題，特別是對(duì)于工礦、鋼鐵、電廠等擁有大型燃燒設(shè)備的

3、企業(yè)。研究煙氣擴(kuò)散的規(guī)律、控制大氣質(zhì)量，對(duì)日益緊迫的環(huán)境問(wèn)題有直接的指導(dǎo)作用。對(duì)氣體擴(kuò)散過(guò)程的研究有三種方法：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件與真實(shí)場(chǎng)景一致，因此能夠得到真實(shí)數(shù)據(jù)與特殊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但耗資巨大，時(shí)間長(zhǎng)，可重復(fù)性差。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M法可以方便調(diào)控某些試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)可重復(fù)性大，但其難點(diǎn)在于要確定氣體原形與模擬試驗(yàn)的無(wú)量綱相似常數(shù)，而且只能對(duì)大氣流動(dòng)狀況進(jìn)行部分模擬。而數(shù)值模擬由于成本低且場(chǎng)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FLUENT軟件模擬煙氣的擴(kuò)散問(wèn)題。1幾何模型運(yùn)用縮小實(shí)驗(yàn)尺寸模擬，空間尺寸為4.5mX3.6mX2.5,煙囪高度1.2m直徑65mm，軸心距左

4、側(cè)面0.8m。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(yùn)動(dòng)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(dòng)的描述中將方程組進(jìn)行雷諾近似,并采用k-£方程來(lái)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(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、湍流動(dòng)能（k）方程和耗散率（£）方程。將這些控制方程在計(jì)算域上采用一定的離散方法和數(shù)值格式離散后，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(diǎn)上的物理量的值，再采用合適的插值算法即可算出整個(gè)流場(chǎng)的任意點(diǎn)出的物理量

5、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(dòng)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(wú)熱量交換。（4）假設(shè)在煙氣排放過(guò)程中排放速度不變。d(pc)Cs+-dtdxjdxjDsc為組分s的體積濃度，pc是該組分ss的質(zhì)量濃度，D是該組分的擴(kuò)散系數(shù)。s2.3湍流模型在對(duì)于我們所要研究的問(wèn)題中，選取RNGk-£模型對(duì)湍流進(jìn)行數(shù)值模擬。3網(wǎng)格劃分j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。+(pp)gai針對(duì)所要解決的三維問(wèn)題，在ICEM中2.2基本控制方

6、程連續(xù)性方程：生+亙C）=odtdxjjp為混合物密度，片為（x,y,z）三個(gè)方向上的速度。動(dòng)量守恒方程：-+UidedeIde)ijj其中，卩是流體的動(dòng)力粘度，g是重力加速度，P是絕對(duì)壓力，p是空氣密度。a能量守恒方程：如+“uT）=S工+SdtCxjCxcCx丿tjjpj其中cp是比熱容，T是溫度，k為流體p的傳熱系數(shù)，S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(shí)簡(jiǎn)稱為粘性耗散項(xiàng)。由于本文研究不可壓縮流動(dòng)，不考慮溫度對(duì)擴(kuò)散的影響，故熱交換量很小可以忽略不計(jì)，因此可以不予考慮能量守恒方程。組分質(zhì)量守恒方程：4物理模型及邊界條件設(shè)置自然風(fēng)入口（air）velocityinl

7、et（第一類）煙囪出口（fume）velocityinlet（第一類）CO+ai（rCO質(zhì)量百分比濃度為22.12%）22煙囪壁fumewall）all，無(wú)濃度與熱量交換地面（ground）all，無(wú)濃度與熱量交換其余出口面outflow5求解計(jì)算模型在FLUENT求解器設(shè)置中采用分離式隱式求解器，時(shí)間項(xiàng)選取非穩(wěn)態(tài)。用RNGk-£ContoursofMassfractionofco2(Tim»=12000e*02)Dec20,2016ANSYSFLUENT14.0(3d.pbns.spe.mgke.transient)前人研究發(fā)現(xiàn)，泄漏源的高度、泄漏源的泄漏速度對(duì)泄漏擴(kuò)散后

8、氣體的濃度分布模型描述流體的湍流流動(dòng)，啟用組分輸運(yùn)模型來(lái)對(duì)氣體擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。控制方程的離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(duì)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1s，總計(jì)算時(shí)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丄況參數(shù)Vair通VfumeCO濃”過(guò)上圖工況一與度分布云圖對(duì)比可工況三Z=12平面處'以發(fā)現(xiàn)fyn在煙氣出工況10.532°磧F/_X741N4八J1、+相同時(shí)0來(lái)流風(fēng):少、丿丿口>1-1/'k-4mLIJ市越大300下風(fēng)擴(kuò)散氣工況20.5口速度5倂之相同時(shí)，來(lái)來(lái)流風(fēng)風(fēng)了

9、越小300壘越丿大，下丿風(fēng)擴(kuò)散300工況333體濃度芝越小300300工況4351,”，A9-if300300與煙氣出口速度對(duì)氣體擴(kuò)散影響。6.1來(lái)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(duì)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(yùn)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(yùn)的擴(kuò)散速度和空氣稀釋的速度，因?yàn)轱L(fēng)速越大，大氣的湍流越強(qiáng)，空氣的稀釋作用有著重要的影響。當(dāng)泄漏源位置較高時(shí)，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(huì)降低。若氣體向上噴射泄漏，泄漏氣體具有向上的初始動(dòng)量，泄漏源的泄放速率越大，下風(fēng)向

10、氣體的濃度越大。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。ContoursofMassfractionofco22000*402)Dec20.2016ANSYSFLUENT14.0(3d.pbns,spe,mgke.transient)ColoursofMassfractionofco2(Time=12000e*02)Dec20.2016ANSYSFLUENT14.0(3d.pbns.spe.mgke.transient)ContoursofMassfractionofco2<Time=1.2000«*02)Dec20.2016ANSYSFLUENT14.0(3d.pbns.spe.rngke,transient)通過(guò)上圖工況三與工況四Z=1.2平面處co2濃度分布