烟气扩散数值模拟.doc

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The Numerical Study On Diffusion Of Fume In Limited SpaceAbstract:The article simulated the transportation and diffusion of fume released in limited space with 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;Concentration Distribution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. 2 m 直径 65 mm，轴心距左侧面0. 8 m2 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-S tokes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- £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（£ ）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d(pc ) Cs + -dt dxjdxjDsc为组分s的体积浓度，p c是该组分s s的质量浓度， D 是该组分的扩散系数s2.3 湍流模型 在对于我们所要研究的问题中，选取RNG k-£模型对湍流进行数值模拟3网格划分j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p—p )gai针对所要解决的三维问题，在ICEM中2.2 基本控制方程 连续性方程：生+亘C）= odt dx jjp为混合物密度，片为（x,y,z）三个 方向上的速度动量守恒方程：-——+ U—ide de I de )i j j其中，卩是流体的动力粘度，g是重力 加速度， P 是绝对压力， p 是空气密度。

a能量守恒方程：如 +“uT）=S 工］+ Sdt Cx j Cx c Cx 丿 tj j p j其中 cp 是比热容， T 是温度， k 为流体 p的传热系数， S 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：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）CO+ai（rCO 质量百分比浓度为22.12%） 22烟囱壁 f umewall） all，无浓度与热量交换地面（ground） all，无浓度与热量交换其余出口面 out flow5 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-£Contours of Mass fraction of co2(Tim»=1 2000e*02) Dec 20, 2016ANSYS FLUENT 14.0 (3d. pbns. spe. mgke. transient)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200s6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丄况参数Vair通Vfume CO 浓”过上图工况一与］ 度分布云图对比可工况三Z=12平面处 '以发现fyn在烟气出工况10.53 2° □磧F/_X 74 1 N — 4 八 J 1、+相同时0 来流风:少、丿丿口 > 1-1— /'k-4 m LI J市越大300下风扩散气工况20.5口速度5 倂「之相同时，来来流风风了越小300垒越丿大，下丿风扩散300工况333 体浓度芝越小300300工况4351, ”， A 9 -if300300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 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Contours of Mass fraction of co2 2000*402) Dec 20. 2016ANSYS FLUENT 14.0 (3d. pbns, spe, mgke. transient)Colours of Mass fraction of co2(Time=1 2000e*02) Dec 20. 2016ANSYS FLUENT 14.0 (3d. pbns. spe. mgke. transient)Contours of Mass fraction of co2

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。