卷烟烟气通过卷烟纸向外扩散的机理研究--《华南理工大学》2016年硕士论文
卷烟烟气通过卷烟纸向外扩散的机理研究
【摘要】：卷烟燃烧产生的烟气对人体健康及室内空气质量的影响日益受到大众的重视,这方面的研究也成为国内外研究人员探讨的热点课题之一。卷烟烟气是影响室内空气质量的主要污染源之一,除了刺激人的眼、鼻和咽喉外,其含有的大量有毒致癌物质也会对人们造成严重的健康威胁。因此,本文采用计算流体力学(CFD)技术和粒子图像速度仪(PIV)测量方法研究卷烟烟气透过卷烟纸向外扩散的过程,指出了卷烟烟气透过卷烟纸,以及烟气从燃烧端经由烟丝到达抽吸端的流程,揭示了烟支结构与主流烟气和侧流烟气排放过程的关联机制,为卷烟烟气的研究过程提供了一种新的研究方法、新思路,有助于烟草研究人员从卷烟烟气方面更好的理解和调控卷烟的烟支结构,对于提高卷烟企业的竞争力具有重要意义。鉴于此,本文的主要研究内容包括如下内容:1.自主研制了一套可利用PIV系统对烟气流场进行拍摄的烟气实验样机。利用该实验样机结合PIV测量系统,在烟支的不同抽吸状态下,研究烟支的侧流烟气和主流烟气向外扩散的流场;在实验机的基础上,测量了卷烟纸和烟丝的基本参数,主要包括卷烟纸的孔隙率?、平均孔径pD、烟丝孔隙率?等,为CFD数值模拟提供了输入参数及其他边界条件。2.利用烟气实验样机,在烟支的不同抽吸状态下,对烟气透过卷烟纸时的标志性产物CO含量进行测量和分析;同时在步进电机不同设定频率下,对烟支吸入端的压强进行测量。3.采用UDF程序和动网格实现烟支在不同抽吸状态下的燃烧特性;计算了作为多孔介质(Porous Media)的卷烟纸和烟丝的粘性阻力系数?1和惯性阻力系数C;在上面的基础上,采用Fluent软件的层流组分输运模型和SIMPLEC、Pressure—based算法以及二阶迎风格式对卷烟烟气在不同抽吸状态下进行CFD数值模拟,分析了卷烟纸孔隙率?、平均孔径pD、抽吸压强P对从卷烟纸外壁排出的CO气体含量影响。将采用Fluent模拟得到的烟气吸入端排出速度与PIV实验测量得到的烟气吸入端排出速度进行比较,验证CFD数值模拟的正确性。基于上面的研究内容,结果表明:1.自主研制的烟气实验机可以实现PIV系统对烟气流场的拍摄,并能配合其他手段实现CFD数值模拟的输入参数测量。2、在抽吸端的不同压强下,燃烧端的烟气扩散速度、燃烧时烟支卷烟纸测量位置产生的CO含量均随着抽吸压强的增大而增大。3、在卷烟纸孔隙率为0.415-0.482之间时,对从卷烟纸外壁排出的CO气体含量影响不明显;卷烟纸平均孔径对从卷烟纸外壁排出的CO气体含量有一定的影响,并且CO气体排放量随着卷烟纸平均孔径增大而增多,呈非线性变化规律;抽吸压强对从卷烟纸外壁排出的CO气体含量影响较大,CO气体排放量随着抽吸压强增大而增多。4、采用Fluent软件的层流组分输运模型和SIMPLEC、Pressure—based算法以及二阶迎风格式研究卷烟烟气在不同抽吸状态下的扩散规律是正确有效的。
【关键词】：
【学位授予单位】：华南理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2016【分类号】：TS411【目录】：
摘要5-7ABSTRACT7-11第一章 绪论11-20 1.1 卷烟烟气的研究进展11-15
1.1.1 卷烟的组成11-12
1.1.2 卷烟烟气12-13
1.1.3 卷烟的研究方法13-15 1.2 研究流场的技术和方法15-17
1.2.1 CFD技术在流场研究中的应用15-16
1.2.2 PIV技术在流场研究中的应用16-17 1.3 吸烟机的研究17-18 1.4 研究意义、内容和方法18-20第二章 实验吸烟机系统的研制20-27 2.1 实验吸烟机研制背景20-22 2.2 烟气实验机的介绍22-26 2.3 本章小结26-27第三章 卷烟烟气的实验与PIV技术测量27-50 3.1 卷烟纸和烟丝的参数测量27-34
3.1.1 卷烟纸孔隙率实验27-28
3.1.2 侧流烟气CO含量检测28-30
3.1.3 抽吸压强与烟丝透气率测量30-34 3.2 PIV对烟气流场的测量34-49
3.2.1 PIV测量烟气流场的实验原理34-37
3.2.2 PIV系统组成37-38
3.2.3 PIV实验方法38-39
3.2.4 PIV实验测主流烟气流场39-44
3.2.5 PIV系统测定燃烧端烟气44-49 3.3 本章小结49-50第四章 烟支燃烧模型建立与流场求解前处理50-67 4.1 建立烟气向卷烟纸外壁扩散物理模型50-52 4.2 烟气流场求解基本理论与前处理52-63
4.2.1 烟气在烟支中控制方程52-53
4.2.2 多组分输送模型53-55
4.2.3 多孔介质模型55-63 4.3 基于动网格和UDF技术实现烟支动态燃烧63-65
4.3.1 动网格原理64
4.3.2 UDF编写方法64-65 4.4 本章小结65-67第五章 烟支燃烧模型的数值模拟研究及PIV实验验证67-91 5.1 烟支几何建模与网格划分67-68 5.2 模拟的数值计算方法68-71
5.2.1 基本模型设置68-69
5.2.2 边界条件的设置69
5.2.3 动网格设置69-70
5.2.4 求解器设置70
5.2.5 流场模拟残差分析与收敛标准确定70-71 5.3 模拟数值结果与讨论71-87
5.3.1 卷烟烟支吸燃时的速度矢量图71-73
5.3.2 卷烟在吸燃和阴燃时CO从卷烟纸向外扩散情况73-80
5.3.3 卷烟纸平均孔径PD对CO从卷烟纸向外扩散的影响80-83
5.3.4 卷烟纸空隙率 ? 对CO从卷烟纸向外扩散的影响83-85
5.3.5 抽吸压强P对CO从卷烟纸向外扩散的影响85-87 5.4 基于PIV技术的实验验证87-89 5.5 本章小结89-91结论91-92本论文的主要创新点92研究工作展望92-93参考文献93-100攻读硕士学位期间取得的研究成果100-101致谢101-102附件102
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京公网安备75号电站锅炉省煤器磨损分析与数值模拟--《华北电力大学》2014年硕士论文
电站锅炉省煤器磨损分析与数值模拟
【摘要】：煤粉在炉膛内燃烧后,产生的烟气冲刷尾部受热面管道,烟气中夹带的飞灰颗粒撞击到管子壁面上,对管子造成磨损。磨损会导致管子强度降低,引发省煤器爆管。和其他受热面相比,省煤器布置在炉膛的尾部烟道下部,烟气温度较低,夹带的飞灰颗粒硬度较大,由于重力的作用,速度也比较快,由此造成省煤器的磨损量比过热器等要大很多。
造成省煤器磨损的因素众多,如颗粒的物理性质(成分、粒径、形状、硬度)、烟气速度等,省煤器的布置方式也会对磨损有影响。
本课题借用Fluent模拟软件,考虑到烟气和飞灰颗粒属于气固两相流,并结合模型适用范围,最终选择离散相模型来模拟,湍流模型则选择RNG k-ε模型,对省煤器部分管排进行数值模拟。重点研究省煤器弯管与炉墙之间烟气走廊的形成,以及顺列和错列管排不同的布置方式对于烟气、飞灰颗粒流场的影响,以此判断磨损的大小。
通过模拟,得到烟气走廊的形成及流场特点。烟气进入省煤器管排区域,因为弯管与炉墙之间缝隙的阻力系数比管子的阻力系数小,在缝隙处产生低压区,部分烟气流向发生改变,向缝隙处靠拢,因此形成“烟气走廊”。通过模拟发现,烟气走廊处的烟气、飞灰颗粒的速度一直增加,到了流场出口边界时,速度几乎是入口速度的2倍,同时,可以观察到走廊处的烟气平均速度大于直管段的烟气速度,在弯管处的烟气、飞灰颗粒速度较大,磨损速率增加,再加上弯管本身的结构特点,使得弯管成为需要重点防磨的区域。
在顺列管排和错列管排的流场分析中,：我们发现,顺列管排的最大磨损一般发生在第一排的位置,而错列管排则发生在中间管排,二者结构的不同造成易磨损部位发生改变。错列管排的磨损比顺列管排的磨损大。
本课题模拟内容基本符合事实,对于理论研究有所帮助,对电厂的实际运行可以提供指导性意见。
【关键词】：
【学位授予单位】：华北电力大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM621.2【目录】：
摘要5-6Abstract6-9第1章 绪论9-15 1.1 课题的研究背景和意义9-10 1.2 国内外研究现状与成果10-13
1.2.1 国内外磨损理论研究10-12
1.2.2 国内外关于磨损的数值模拟12-13 1.3 课题研究内容13-15第2章 省煤器磨损因素分析15-27 2.1 省煤器介绍15-16 2.2 磨损原因16-17 2.3 影响磨损的主要因素17-22
2.3.1 飞灰颗粒速度17-19
2.3.2 撞击角度19
2.3.3 飞灰颗粒性质19-21
2.3.4 飞灰浓度21-22
2.3.5 管束布置方式22 2.4 磨损方程22-26
2.4.1 Tabakoff模型22-23
2.4.2 E/CRC模型23
2.4.3 Oka模型23-25
2.4.4 Lee模型25
2.4.5 Mbabazi模型25-26 2.5 本章小结26-27第3章 数学模型介绍27-31 3.1 湍流模型选择27-28 3.2 多相流模型28-30
3.2.1 Euler-Euler模型28-29
3.2.2 Euler-Lagrange模型29
3.2.3 烟气-飞灰颗粒(气-固)两相流模型选择29-30 3.3 离散相模型30 3.4 本章小结30-31第4章 模拟及结果分析31-46 4.1 烟气走廊形成三维模拟31-39
4.1.1 几何模型31-33
4.1.2 流场几何模型的简化33
4.1.3 网格划分33
4.1.4 数值模拟边界条件设定33-34
4.1.5 物质属性34-35
4.1.6 模拟结果分析35-39 4.2 顺列和错列管排的二维模拟分析39-43
4.2.1 几何模型及网格划分39-40
4.2.2 边界条件40
4.2.3 模拟结果分析40-43 4.3 磨损量计算43-45
4.3.1 磨损方程选择43-44
4.3.2 e_(max)函数的建立及分析44
4.3.3 顺列管排和错列管排磨损量比较44-45 4.4 本章小结45-46第5章 结论与展望46-48 5.1 全文总结46-47 5.2 展望与不足47-48参考文献48-51攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果51-52致谢52
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Numercial simulation of the process of desulfurization and dechloriantion in a flue gas quench tower烟气急冷塔塔内脱硫脱氯过程的数值模拟
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以FLUENT为计算工具，通过数值模拟的方法，研究了烟气急冷塔内的浆滴干燥、脱硫脱氯过程。塔内烟气流场分布的数值模拟以标准k－ε方程为基础，石灰浆滴的运动轨迹跟踪采用拉格朗日离散相模型。建立烟气冷却净化模型研究塔内气液两相之间的相间作用，通过模拟，最终得到急冷塔流场、温度场以及相关组分场的分布情况。模拟结果表明，计算得到的脱酸效率与实际情况吻合。该模型可以为急冷塔的设计和运行提供参考。
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