Simulazione CFD del sistema di combustione

CFD simulazione

Sistema di combustione


A causa del problema dell’instabilità del flusso di massa di aria calda e del risultato proveniente dall’indagine (articoli sulla bassa velocità attraverso il bruciatore) viene eseguita un’analisi dinamica del fluido preliminare utilizzando il solutore commerciale Comsol Multiphysic ©.

L’analisi del sistema di combustione dal punto di vista fisico è molto complessa e molto difficile perché coinvolge molti fenomeni, flusso turbolento di aria umida e secca, reazione chimica, convezione forzata, irradiazione, diffusione. Anche dal punto di vista geometrico è molto complesso da analizzare perché esiste un diverso ordine di grandezza delle dimensioni dei diversi dispositivi da modellare. Ad esempio, la scala dei condotti è dell’ordine dei metri, ma la sala del bruciatore (aria di combustione e gas metano in uscita) è dell’ordine di pochi millimetri. Lo scopo della presente analisi è di mostrare la distribuzione di temperatura e velocità vicino al bruciatore e vicino alla ramificazione dei condotti umido-secco. Quindi non è importante la temperatura e la velocità come valori assoluti, ma il tipo di profili e il comportamento del flusso. Con questo punto di vista abbiamo semplificato il modello fisico reale. Di seguito sono riportate tutte le semplificazioni effettuate.

CFD Modello geometrico

Come spiegato durante l’introduzione, l’entità del problema è molto complicata. Le condotte hanno un ordine di grandezza di metri ma il foglio di bruciatore, raddrizzatore d’aria e griglia hanno uno spessore di millimetri. Il presupposto fatto per il disegno della geometria 3D per lo scopo dell’analisi computazionale fluidodinamica è che la dimensione minima del problema è di 6 mm. Questo presupposto ha un impatto sullo spessore del bruciatore e sui fori dell’aria di combustione. Il grande spessore significa che la velocità dell’aria di combustione all’interno del bruciatore è maggiore del reale. Ma non ci interessa il calcolo della velocità e della caduta di pressione dell’aria di combustione all’interno dei condotti del bruciatore. Inoltre creiamo slot distribuiti uniformemente sulla superficie frontale del bruciatore. Altri dispositivi coinvolti in questo presupposto sono il raddrizzatore e la griglia. Fortunatamente la mesh esistente del raddrizzatore è molto grande, quindi il grande spessore non ha alcun impatto sull’analisi del flusso. A proposito della griglia cambiamo il numero di fori che fissano la superficie libera uguale a quella reale. La griglia è molto piccola, quindi dal punto di vista globale l’effetto sul risultato globale non è influenzato dal presupposto.

Modello di turbolenza del flusso

Il modello K-ω è uno dei modelli di turbolenza più comunemente usati. Si tratta di un modello a due equazioni, ciò significa che include due equazioni di trasporto aggiuntive per rappresentare le proprietà turbolente del flusso. Ciò consente a un modello a due equazioni di tenere conto degli effetti della storia come la convezione e la diffusione di energia turbolenta. La prima variabile trasportata è l’energia cinetica turbolenta Ƙ. La seconda variabile trasportata in questo caso è la dissipazione specifica, ω. È la variabile che determina la scala della turbolenza, mentre la prima variabile, Ƙ, determina l’energia nella turbolenza. Per il modello di flusso, la velocità di ingresso dell’aria di processo e dell’aria di combustione viene imposta in base ai dati di rilevamento e alla scheda tecnica della ventola di processo. Per l’aria di processo abbiamo imposto un profilo di velocità di ingresso secondo la distribuzione di Maxwell Boltzmann descritta nel paragrafo relativo alle ventole di processo di questo documento.

Trasferimento del calore cogniugato e flusso non isotermico

Il modulo di trasferimento di calore presente nel software contiene funzionalità per modellare il trasferimento di calore coniugato e gli effetti del flusso non isotermico. La transizione di temperatura all’interfaccia fluido-solido viene gestita automaticamente mediante la continuità. Sono le condizioni termiche, la temperatura di ingresso imposta per l’aria di processo 300 ° C e l’aria di combustione imposta di 1300 ° C. L’alto valore imposto per l’aria di combustione rispetto a quello reale di 200 ° C è dovuto al raggiungimento di una temperatura dell’aria di processo di 370 ° C al termine della miscelazione. L’ipotesi è molto forte e non tiene conto del contributo di irradiazione della fiamma. La radiazione termica nel bruciatore a griglia (senza camera di combustione) è di un ordine o grandezza inferiore all’effetto di convezione, quindi per un’analisi preliminare fatta al fine di ottenere una risposta rapida questa ipotesi potrebbe essere appropriata.

Risultato proveniente dalla simulazione

Configurazione esistente

Segue i risultati provenienti dalla geometria esistente dell’apparato del sistema di combustione come nella figura 12

Segue i parametri valutati sulla superficie di uscita dei condotti umidi e asciutti:

ParametriBagnatoAsciutto
Velocità media sulla superficie [m / s] 20,613,2
Temperatura media sulla superficie [° C] 351357
Portata massica [kg / h] 3901320818

Il profilo di velocità e temperatura sono valutati come segue:

La tabella 14 mostra che nella configurazione esistente esiste una differenza di temperatura media tra gradi umidi e secchi dei gradi visti e una differenza nel flusso di massa alla stessa condizione di pressione di 16.854 kg / h.


Sarà meglio indagare cosa accadrà se la velocità dell’aria di processo attraverso il bruciatore aumenterà al valore raccomandato di 15 m / s. La seguente simulazione viene eseguita aggiungendo un telaio laterale sul condotto del bruciatore.

Configurazione modificata con telai laterali

La geometria 3D con la cornice laterale è mostrata di seguito.

Seguire il risultato proveniente dalla geometria modificata dell’apparato del sistema di combustione come nella figura seguente.


Segue i parametri valutati sulla superficie di uscita dei condotti umidi e asciutti:

ParametriBagnatoAsciutto
Velocità media sulla superficie [m / s] 2013,5
Temperatura media sulla superficie [° C] 348379
Portata massica [kg / h] 3834621492

I profili di velocità e temperatura valutati nelle stesse linee della configurazione precedente sono i seguenti:

La differenza della temperatura media tra umido e secco è aumentata rispetto alla configurazione originale. L’aumento della velocità dell’aria di processo attraverso il bruciatore non è raccomandato per questo particolare layout perché non c’è abbastanza spazio perché l’aria si mescoli dopo il bruciatore, la ramificazione bagnato-secco è molto vicina all’uscita del bruciatore.