Như đã trình bày trong mục 3.5 – trình tự giải quyết bài toán CFD. Cũng như mọi bài toán CFD, bài toán mô phỏng quá trình cháy than trong lò hơi cũng thực hiện đầy đủ ba bước sau:
- Đặt vấn đề
- Giải quyết vấn đề - Đánh giá kết quả
Phần đặt vấn đề đã được trình bày ở trên. Trong mục này, ta sẽ tập trung vào bước thứ hai của quá trình: Giải quyết vấn đề. Và chúng ta chỉ xét các bước tiến hành và cụ thể các bước như thế nào thì có thể xem phần phụ lục.
a. Pre-processing
Bước 1: Mô hình hình học 3D – Lò hơi SG-130-40-450
Mô hình lò hơi SG-130-40-450 được vẽ bởi Design Modeler tích hợp trong gói phần mềm ANSYS và các kích thước của lò như sau:
NGUYỄN HỮU LINH 50 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
Hình 4.5. Kích thước của lò hơi và cụm vòi đốt
Đối với bài toán mô phỏng này, ta chỉ xét quá trình cháy từ buồng đốt lên vùng khói ra trước bộ quá nhiệt cấp 1, nên trong mô hình được rút gọn các chi tiết như bộ quá nhiệt, các bộ hâm nước, bộ sấy không khí và phần thải xỉ. Lò hơi có kích thước các chiều a x b x c là 6.9 x 6.6 x 26 m. Lò có bốn cụm vòi đốt đặt bốn góc buồng đốt với phương thức đốt tiếp tuyến như đã trình bày ở trên.
Để đơn giản cho quá trình tính toán cũng như hạn chế về tài nguyên của máy tính, riêng đối với cụm vòi đốt, ta tính toán các kích thước sao cho các tiết diện ra có giá trị như trong mô hình thực (Hình 4.1).Kích thước và tiết diện của từng vòi được cho dưới bảng dưới đây:
NGUYỄN HỮU LINH 51 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
Bảng 4.4. Kích thước và tiết diện của từng miệng vòi
STT Tên Kích thước
(m x m)
Diện tích tiết diện (m2)
1 Vòi phun than đậm 0.043
2 Vòi phun than loãng 0.035
3 Vòi gió cấp II trên và dưới 0.35 x 0.2 0.06 4 Vòi gió cấp III giữa 0.35 x 0.3 0.105 5 Vòi gió cấp III 0.35 x 0.26 0.091
Bước 2: Chia lưới (Meshing)
Sau khi xây dựng được mô hình hình học, ta tiến hành chia lưới cho mô hình. Lưới chia mô hình hình học thành nhiều phần tử. Chúng được sử dụng để trình giải CFD để tạo các thể tích điều khiển ( Control volume). Ứng với mỗi bài toán khác nhau mà ta lựa chọn lưới thích hợp. Có nhiều loại lưới khác nhau như lưới tứ diện (Tetrahedron), lưới lục diện (Quadrilateral)… Bài toán mô phỏng có mô hình hình học phức tạp, ta dùng mô hình chia lưới kiểu tứ diện.
NGUYỄN HỮU LINH 52 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 Thông số, chất lượng hình học của lưới được biểu thị bởi bảng số liệu dưới đây:
Bảng 4.5. Thông số, chất lượng hình học của lưới
STT Tên Giá trị 1 Dạng phần tử tetra 2 Số phần tử 532472 3 Số nút 99399 4 Skewness 0.799 5 Orthogonal Quality 0.25
Để đánh giá chất lượng của lưới là tốt hay xấu, ta đánh giá qua hai yếu tố sau: Skewness ( độ méo, độ lệch) và Orthogonal Quality ( Tính vuông góc). Về giá trị Skewness càng nhỏ thì chất lượng lưới càng tốt. Để có kết quả tương đối chính xác thì giá trị Skewness chấp nhận được là không được lớn hơn 0.85, Skewness càng gần 0 (càng bé) thì chất lượng lưới càng tốt. Ngược lại với Orthogonal Quality, giá trị càng gần 0 thì chất lượng càng xấu, và giá trị có thể chấp nhận được là không được bé hơn 0.2. Với yêu cầu chất lượng lưới như trên, thì mô hình lưới trên là tương đối nhưng có thể chấp nhận được. Sau khi chia lưới xong, ta tiến hành đặt tên cho các biên của mô hình gồm: inlet, outlet và wall. Inlet là bề mặt của các vòi phun than, vòi gió cấp II, cấp III. Outlet là bề mặt ra mô hình. Wall là tất cả bề mặt còn lại bao quanh mô hình.
Bước 3: Thiết lập các mô hình vật lý
Trong phần này, ta lựa chọn các mô hình vật lý cho mô hình bao gồm: -Mô hình rối
-Mô hình sự cháy -Mô hình bức xạ
-Mô hình pha phân tán -Mô hình NOx
Ở đây, em chỉ mô tả các bước, các thông số đặt cho từng mô hình. Và cụ thể sẽ được trình bày trong phần phụ lục.
NGUYỄN HỮU LINH 53 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
1. Kích hoạt phương trình năng lượng
Models→ Energy→Edit...
2. Mô hình rối
Models→ Viscous→Edit...
- Chọn k-epsilon (2eqn) trong Model - Chọn Realizable trong k-epsilon Model
3. Mô hình bức xạ
Models→ Radiation→Edit...
- Chọn Discrete ordinates (DO) trong mô hình Radiation - Nhập giá trị 1 cho Energy Iterations per Radiation Iteration - Nhập giá trị 4 cho Theta Divisions và Phi Divisions
- Nhập giá trị 3 cho Theta Pixels và Phi Pixel
4. Mô hình vận chuyển chất (Species Transport)
Models→ Species→Edit...
- Chọn Species Transport trong Models - Kích hoạt Volumetric
- Chọn Eddy Dissipation
- Click vào Coal Calculator…
Coal Caculator là một công cụ để chuyển đổi các số liệu đầu vào sẵn có như các phân tích Proximate và Ultimate, và nhiệt trị của nhiên liệu thành các số liệu đầu vào mô phỏng như các hệ số cân bằng phản ứng hóa học, entanpy của chất bốc, tỷ lệ chất bốc và chất có thể cháy được trong than… Sự biến đổi này diễn ra nhanh và chính xác, vì vậy có thể tránh được các lỗi tính toán thông thường.
NGUYỄN HỮU LINH 54 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
5. Mô hình pha phân tán
Models→ Discrete phase →Edit...
- Nhập 40000 cho Max.Number of Steps
- Nhập 0.0025 cho Length Scale
Bước 4: Phun hạt ( Injections)
Ở bước này, ta tiến hành đặt các thông số phun than cho từng vòi phun nhiên liệu.
Cài đặt Injection cho vòi đậm
- Chọn inlet _d1 (Vòi đậm 1)
- Chọn Combusting cho Particle Type - Đặt 9e-5 cho Diameter (m)
- Đặt 245 cho Temperature (oC)
- Đặt 18 cho Velocity Magnitude (m/s) - Đặt 0.5076 cho Total Flow Rate (kg/s) - Đặt h20 cho Evaporating Species
Cài đặt Injection cho vòi loãng
- Chọn inlet _l1 (Vòi loãng 1)
- Chọn Combusting cho Particle Type - Đặt 1e-4 cho Diameter (m)
- Đặt 245 cho Temperature (oC)
- Đặt 20 cho Velocity Magnitude (m/s) - Đặt 0.0546 cho Total Flow Rate (kg/s) - Đặt h20 cho Evaporating Species
Cài đặt Injection cho vòi cấp III
- Chọn c31 (Vòi cấp III)
NGUYỄN HỮU LINH 55 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 - Đặt 1e-5 cho Diameter (m)
- Đặt 90 cho Temperature (oC)
- Đặt 40 cho Velocity Magnitude (m/s) - Đặt 0.062 cho Total Flow Rate (kg/s) - Đặt h20 cho Evaporating Species
Bước 5: Cài đặt các thông số cho vật liệu (Materials)
Xác định các thông số vật lý cho hỗn hợp Coal-Volatiles-air và Coal- Particle
Các thông số được cho dưới bảng sau:
Bảng 4.6. Thông số vật lý cho hỗn hợp Coal-Volatiles-air
Bảng 4.7. Thống số vật lý Coal-particle
STT Thông số Giá trị
1 Cp 1100
2 Vaporization (oC) 127 3 Binary Diffusivity 3e-5 4 Swelling Coefficient 2 5 React. Heat Fraction Absorbed
by Solid
50
6 Combustion Model Chọn Kinetics/diffusion-limited
STT Thông số Giá trị
1 Thermal Conductivity Chọn Polynomial
Các hệ số nhiệt độ thứ nhất và thứ hai tương ứng là 0.01006 và 5.413e-5 2 Viscosity Chọn Polynomial
Đặt 9.18e-6 và 3.161e-8 cho các hệ số nhiệt độ tương ứng
3 Absorption Cofficient Chọn wsggm-domain-based 4 Scattering Cofficient Chọn constant với giá trị 0.5
NGUYỄN HỮU LINH 56 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 Mass Diffusion limited rate =5e-12 Kinetics limited rate pre-Exponential factor=6.7
Kinetics limited rate Activation Energy =1.138e8
Bước 6: Đặt các điều kiện biên
Đặt điều kiện biên cho inlet vòi đậm
Bảng 4.8. Điều kiện biên vòi đậm
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 0.62 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic Diameter
3 Hydraulic Diameter 0.23 m
4 Temperature 245oC
5 Species Mass Fractions O2=0.23 6 Discrete Phase BC Type escape
Đặt điều kiện biên cho inlet vòi loãng
Bảng 4.9. Điền kiện biên vòi loãng
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 0.62 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic Diameter
3 Hydraulic Diameter 0.21 m
4 Temperature 245oC
5 Species Mass Fractions O2=0.23 6 Discrete Phase BC Type escape
NGUYỄN HỮU LINH 57 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
Bảng 4.10. Điều kiện biên vòi gió cấp III
STT Thông số Giá trị
1 Mass Flow rate 3.8 kg/s
2 Specification Chọn Intensity and Hygraulic Diameter
3 Hydraulic Diameter 0.3 m
4 Temperature 90oC
5 Species Mass Fractions O2=0.23 6 Discrete Phase BC Type escape
Đặt điều kiện biên cho outlet
Bảng 4.11. Điều kiện biên cho outlet
STT Thông số Giá trị
1 Gauge Pressure 0 pa
2 Blackflow Total temperature 1000oC 3 Species Mass Fractions O2=0.23
b. Processing
Ở bước này, ta thiết lập bộ giải cho các bài giải sau: - Dòng không phản ứng - Khởi tạo dòng phản ứng - Dòng phản ứng - Dòng phản ứng bao gồm bức xạ - Dòng phản ứng bao gồm sự tương tác hạt – bức xạ Dòng không phản ứng Tắt Volumetric reactions
Đặt 0 cho Number of Continuous Phase Iterations per DPM Iteration
để tránh sự phun hạt trong bước này
NGUYỄN HỮU LINH 58 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 - Chọn Coupled
- Chọn PRESTO!
- Kích hoạt Set All Species Discretization Together.
Solution Controls
- Bỏ chọn Discrete Ordinates trong danh mục các phương trình
Khởi tạo bộ giải
- Chọn Standard initialization
- Đặt 0.23 cho o2
- Đặt 100 cho Turbulent Dissipation Rate (m2/m3) - Đặt 500 cho Temperature
- Bấm Initialize
Chạy bộ tính toán với 300 vòng lặp
Khởi tạo dòng phản ứng
Thay đổi cài đặt trong Discrete Phase Model
- Đặt 1 cho Number of Continous Phase Iterations per DPM Iteration
- Kích hoạt Pressure Dependent Boiling trong Physical Models trong thanh Numerics
- Kích hoạt Enable Node Based Averaging - Nhập 6 cho Gaussian factor
Kích hoạt Volumetric reactions
Tạo vùng phản ứng
- Chọn vùng phản ứng từ 8-11m
- Bán kính vùng phản ứng là 1.5 m
Patch nhiệt độ cao và tỷ lệ các chất cho vùng phản ứng Giá trị nhiệt độ và tỷ lệ các chất được cho dưới bảng sau:
NGUYỄN HỮU LINH 59 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
Thông số Giá trị
Nhiệt độ 1000oC H20 0.01 CO2 0.01
Thay đổi một số giá trị trong Solution Controls - Đặt 0.95 cho Species
- Đặt 0.95 cho Energy
- Đặt 1 cho Discrete Phase Sources
Tính toán với một vòng lặp
Dòng phản ứng
Thay đổi Number of Continous Phase Iteration per DPM Interation
thành 25
Thay đổi Vaporization Temperature thành 500oC cho Coal-particles
Đặt 0.5 cho Discrete Phase Sources
Chạy 1300 vòng lặp
Dòng phản ứng bao gồm bức xạ
Chọn Discrete Ordinates trong danh mục các phương trình
Chạy 600 vòng lặp
Dòng phản ứng bao gồm sự tương tác Hạt-bức xạ
Kích hoạt Particle Radiation Interation từ Physical Models trong Discrete Phase
Thay đổi 0.25 cho Discrete Phase Source
Chạy 1000 vòng lặp
Mô hình NOx
Trong phần này, ta sẽ sử dụng FLUENT để dự đoán sự hình thành NOx. Đầu tiên, ta sẽ tính toán cho sự hình thành của cả ba: NOx nhiệt, NOx tức thời,
NGUYỄN HỮU LINH 60 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55 NOx nhiên liệu. Sau đó, ta tiến hành tính toán cho riêng từng cái để đánh giá sự phân bố của từng cơ chế.
Kích hoạt Thermal NOx, Prompt NOx, Fuel NOx
Trong thanh Turbulence Interaction Mode, chọn Temperature từ PDF Mode.
Điều này sẽ kích hoạt sự tương tác rối-hóa học.
Trong thanh Thermal NOx, chọn Partial – equilibrium từ [O] Model và
[OH] Model
Mô hình Partial-equilibrium được sử dụng để dự đoán nồng độ oxi gốc được yêu cầu cho sự dự đoán NOx nhiệt.
Trong thanh Prompt, nhập 2.8 và 0.685 cho Fuel Cacbon Number và
Equivalance Ratio.
Trong thanh Fuel: - Chọn Solid từ Fuel type
- Nhập 0.9 cho HCN, 0.1 cho NH3
- Chọn hcn/nh3/no cho N Intermediate
- Chọn no cho Char N Conversion
Đặt 0 cho Number of Continous Pharse Iterations per DPM Iteration
Thay đổi Pollutant no, Pollutant hcn, Pollutant nh3 thành 1
Bỏ kích hoạt các phương trình trừ Pollutant no, Pollutant hcn, Pollutant nh3 trong danh sách phương trình
Chạy tính toán 100 vòng lặp
NOx nhiệt
Bỏ kích hoạt Prompt NOx và Fuel NOx để chỉ tính toán cơ chế Thermal NOx.
NGUYỄN HỮU LINH 61 KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH 2 – K55
NOx tức thời
Bỏ kích hoạt Thermal NOx và Fuel NOx để chỉ tính toán cơ chế hình thành Prompt NOx.
Chạy tính toán 100 vòng
NOx nhiên liệu
Bỏ kích hoạt Thermal NOx và Prompt NOx để chỉ tính toán cơ chế hình thành Fuel NOx.
Chạy tính toán 100 vòng.