锅炉集箱流动数值模拟
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摘要
锅炉运行的可靠性关系到整个火力发电厂的安全性和经济性,而再热器和过热器的超温爆管是导致锅炉停运的常见事故之一。造成局部超温的一个重要原因是集箱中涡流或集箱布置不合理所导致的各支管间蒸汽流量偏差。因此,能否正确预测并联管组流量偏差是一个重要课题。
本文从通用偏微分方程组出发,基于SIMPLEC方法,结合非重叠区域分解法和D-N交替算法,在MPI并行编程环境下自行开发了一个三维分区并行CFD程序。然后,针对一个典型的锅炉集箱流动系统的简化模型,生成了分配集箱、汇集集箱及各并联支管的分块结构化网格,实现了集箱流动的分区并行计算,得到了集箱流动的速度场、压力场及各支管的流量分配,并依此分析了集箱系统的基本流动特性,进而判断出易发生超温爆管的部位。最后,讨论了基于PC网络分区并行计算的多机并行效率,并总结了分区并行计算的某些策略。本文工作为研究集箱系统流量偏差提供了一个行之有效的方法和手段,同时也为解决其它大型复杂流动问题提供一定的参考和借鉴。
The reliability of the boiler operation is related to the security and economy of the entire power plant. One of the common accidents in the boiler operation is that the parallel tube of the pre-heater or re-heater will be broken easily because of over-temperature. An important reason of over-temperature is the flow mass deviation between parallel tubes causing by the swirl or the unreasonable structure of the header. Therefore, predicting the flow mass deviation correctly is a very important issue.
In this paper, starting from the general partial differential equations of flow problems, a 3-D partitioning parallel CFD procedure is developed under MPI environment, based on SIMPLE-C, domain decomposition method and Dirichlet-Neumann algorithm. And then, for a simplified model of a typical system of headers and parallel tube platen in a utility boiler, the partitioning structured grids of dividing header, collection header and parallel tubes are generated. Then, the partitioning parallel numerical simulation of this flow problem is realized and the results of the velocities, pressure and flow mass of each of tubes are obtained. The flow characteristics are analyzed and discussed to determine the position which will be broken easily basing on these results. Last, the efficiency of partitioning parallel calculation over a PC network is discussed and some strategies of partitioning parallel calculation are summarized. Meanwhile, an effective method is provided to solve other lager scale and complex flow problems.
本文从通用偏微分方程组出发,基于SIMPLEC方法,结合非重叠区域分解法和D-N交替算法,在MPI并行编程环境下自行开发了一个三维分区并行CFD程序。然后,针对一个典型的锅炉集箱流动系统的简化模型,生成了分配集箱、汇集集箱及各并联支管的分块结构化网格,实现了集箱流动的分区并行计算,得到了集箱流动的速度场、压力场及各支管的流量分配,并依此分析了集箱系统的基本流动特性,进而判断出易发生超温爆管的部位。最后,讨论了基于PC网络分区并行计算的多机并行效率,并总结了分区并行计算的某些策略。本文工作为研究集箱系统流量偏差提供了一个行之有效的方法和手段,同时也为解决其它大型复杂流动问题提供一定的参考和借鉴。
The reliability of the boiler operation is related to the security and economy of the entire power plant. One of the common accidents in the boiler operation is that the parallel tube of the pre-heater or re-heater will be broken easily because of over-temperature. An important reason of over-temperature is the flow mass deviation between parallel tubes causing by the swirl or the unreasonable structure of the header. Therefore, predicting the flow mass deviation correctly is a very important issue.
In this paper, starting from the general partial differential equations of flow problems, a 3-D partitioning parallel CFD procedure is developed under MPI environment, based on SIMPLE-C, domain decomposition method and Dirichlet-Neumann algorithm. And then, for a simplified model of a typical system of headers and parallel tube platen in a utility boiler, the partitioning structured grids of dividing header, collection header and parallel tubes are generated. Then, the partitioning parallel numerical simulation of this flow problem is realized and the results of the velocities, pressure and flow mass of each of tubes are obtained. The flow characteristics are analyzed and discussed to determine the position which will be broken easily basing on these results. Last, the efficiency of partitioning parallel calculation over a PC network is discussed and some strategies of partitioning parallel calculation are summarized. Meanwhile, an effective method is provided to solve other lager scale and complex flow problems.
引文
[1]中华人民共和国国家统计局,中国统计年鉴2007[M],北京:中国统计出版社,2007
[2]能源与环境,中国动力工程学会第三次全国代表大会学术论文集,杭州,1998
[3]曾安丰,罗永浩等,电站锅炉过热器再热器安全性能在线监视系统,锅炉技术,2001Vol.32,No.12
[4]罗永浩,杨世铭,锅炉管组集箱静压分布的离散模型,动力工程,1997,No3
[5]陈之航等,锅炉中单相流体并联管的流量分布及热偏差的分析和计算,上海机械学院1978
[6]罗永浩,杨世铭,王孟浩,T型进口三通对分配集箱流量动力工程,1998,No3
[7]魏淑贤,沈跃,黄延军,计算流体力学的发展及应用,河北理工学院学报,2005.5 Vol.27
[8]朱国林,徐庆新,计算流体力学并行计算技术综述研究,空气动力学学报,2002.3 Vol.20
[9]都志辉,高性能计算并行编程技术—MPI并行程序设计[M],清华大学出版社,2001
[10]陶文铨,数值传热学(第2版)[M],西安交通大学出版社,2001
[11] Chen C-J, Jaw S-Y, Fundamentals of turbulence modeling, Washington DC, Taylor & Franeis,1998,91-92P
[12]窦国仁,湍流力学(上册),高等教育出版社,1985
[13] Markatos NC, The mathematical modeling of turbulence flow, APPI Math Modeling, 1986,10:190-220P
[14] Orszag, S.A., Numerical Simulation of Turbulence Flows, Handbook of Turbulence, Vol.1,1977
[15] Yang, R.J. and Aung, W., Equations and Coefficients for Turbulence Modeling, Natural Convection-Fundamentals and Applications, 1985
[16] Ferziger, J.H. and Leslie D.C., Large Eddy Simulation, A collection of Technical Papers, AIAA Computational Fluid Dynamics Conference,1979
[17]章梓雄,董曾南,粘性流体力学[M],清华大学出版社,1998
[18] Launder, B.E. and Spalding, D.B., The Numerical Computation of Turbulent Flows, Comp. Methods Appl. Mech. Eng., Vol.3,1974, pp.269-289
[19] Serag-Eldin, M.A. and Spalding, D.B., Computations of Three-Dimensional Gas Turbine Combustion Chamber Flows, ASME.J.Eng. Power, vol.101,1979, pp.327-336
[20] Y.S. Chen著,黄荣国,吴国江译校,采用非正交贴体坐标系统求解三维不可压缩流动的计算机程序,1990.12
[21] Joe F. Thompson,Numerical solution of Flow Problems Using Body-Fitted Coordinate System,1987
[22]张楚华、谷传纲、苗永淼,利用非结构化网格方法对翼形绕流的数值研究,应用力学学报,2000年9月,第17卷,第3期
[23]黄荣国,李明,圆截面T形管的贴体网格生成,上海交通大学能源工程系
[24] Patankar S.V.著,郭宽良译,传热和流体流动的数值方法[M],北京,科学出版社,1984
[25] P.J.罗奇著,钟锡昌、刘学宗译,计算流体动力学[M],科学出版社1983
[26]毛小玲,黄荣国,多重网格法在CU F锅炉内流场计算中的应用,水动力学研究与进展,2002.12
[27]康立山、孙乐林等,解数学物理方程的异步并行算法[M],北京:科学出版社,1985
[28]黄荣国,张瑾,复杂三维流动数值模拟的非重叠区域分解法,水动力学研究与进展,2001.3
[29]黄荣国、李明,贴体网格生成的区域分解方法,水动力学研究与进展,1999.6
[30]吴望一,流体力学,北京大学出版社[M],1982
[31]鲁丁格,气体-颗粒流基础,国防工业出版社[M], 1986
[32]都志辉,高性能计算并行编程技术——MPI并行程序设计[M],北京:清华大学出版社,2001
[33]缪正清,组合射流与集管内流动的数学物理模型研究[D],西安交通大学博士学位论文,2004.11.
[34]韦晓丽,缪正清,Z型和U型集箱并联管组流动特性的实验研究,动力工程,2008/28/04
[35]张淑萍,旋风分离器内气相流场的分区数值模拟,上海交通大学硕士学位论文,2000.12
[36] S.V.帕坦卡著,张政译,传热及流体流动的数值计算[M],1984
[37] J. A. C. Humphrey, A. M. K. Taylor and J. H. Whitelaw, Laminar Flow in a Square Duct of Strong Curvature, J. Fluid Mech., Vol.83, Part 3, 1977, pp.509
[38] S. P. Vanka, Block-Implicit Calculations of Three-Dimensional Laminar Flow in Strongly Curved Ducts, AIAA J., Vol.23, No.12, December 1985, pp.443-460
[39]谭欣星、席光,多块网格技术在三维复杂流动数值分析中的作用,西安交通大学学报,2001, Vol35,No.1,pp.184-188
[40]陈洪波,连桂森,T型叉管流场的数值计算[J]水动力学研究与进展1991
[41]范卫东,章明川,周月桂,洪梅,进口弯头对分配集箱流量分配影响的试验研究[J]动力工程2003
[42]缪正清,组合射流与集管内流动的数学物理模型研究[D]西安交通大学博士学位论文2004
[43]刘平元,大容量电站锅炉复杂系统蒸汽流量分布研究[D]上海发电设备成套设计研究所硕士学位论文2003
[44]李翠凤,某船用锅炉过热器蒸汽流动与传热数值模拟[D]哈尔滨工程大学硕士学位论文2007
[45]缪正清,Z型集箱连接系统单相流体的流动特性,上海交通大学学报1998 Vol.32 No.7
[46]杨世铭,罗永浩,并联管组流动特性的研究,水动力学研究与进展,1998 Vol.13 No.2
[47]王恩禄,张海燕,罗永浩,田子平,电站锅炉分配集箱静压分布参数的确定,上海交通大学学报,2004 Vol.38 No.7
[48]罗永浩,杨世铭电站锅炉过热器_再热器分配集箱静压分布计算方法的改进,动力工程,1996 Vol.16 No.6
[49]匡江红,刘平元,陈朝松,曹汉鼎,电站锅炉过热器_再热器集箱静压分布的数值研究,动力工程,2004 Vol.24 No.2
[50]王恩禄,袁益超,刘聿拯,电站锅炉汇集集箱内流体变质量流动动量交换特性研究,上海理工大学学报,2002 Vol.22 No.1
[51]缪正清,田子平,王恩禄,电站锅炉汇集集箱系统单相流体流动特性的研究,动力工程,1998 Vol.18 No.2
[52]缪正清,电站锅炉集箱端部轴向引入引出的并联管组系统单相流体流动特性解的统一表达式,1998 Vol.18 No.6
[53]范卫东,韩小岗,郝卫东,章明川,顶棚过热器受热面管流量偏差问题的数值模拟研究,热能动力工程,2003 Vol.18 No.4
[54]王峻晔,章明川,范浩杰,吴东棣,锅炉分配集箱非线性水动力特性分析,上海交通大学学报1999 Vol. 33 No. 3
[55]缪正清,徐通模,集箱与并联管屏系统单相流体的流动特性,上海交通大学学报,2000 Vol. 34 No. 9
[56]郭红霞,潘斌,消息传递模型的并行性能研究,成都大学学报(自然科学版),2007 Vol.27 No.1
[2]能源与环境,中国动力工程学会第三次全国代表大会学术论文集,杭州,1998
[3]曾安丰,罗永浩等,电站锅炉过热器再热器安全性能在线监视系统,锅炉技术,2001Vol.32,No.12
[4]罗永浩,杨世铭,锅炉管组集箱静压分布的离散模型,动力工程,1997,No3
[5]陈之航等,锅炉中单相流体并联管的流量分布及热偏差的分析和计算,上海机械学院1978
[6]罗永浩,杨世铭,王孟浩,T型进口三通对分配集箱流量动力工程,1998,No3
[7]魏淑贤,沈跃,黄延军,计算流体力学的发展及应用,河北理工学院学报,2005.5 Vol.27
[8]朱国林,徐庆新,计算流体力学并行计算技术综述研究,空气动力学学报,2002.3 Vol.20
[9]都志辉,高性能计算并行编程技术—MPI并行程序设计[M],清华大学出版社,2001
[10]陶文铨,数值传热学(第2版)[M],西安交通大学出版社,2001
[11] Chen C-J, Jaw S-Y, Fundamentals of turbulence modeling, Washington DC, Taylor & Franeis,1998,91-92P
[12]窦国仁,湍流力学(上册),高等教育出版社,1985
[13] Markatos NC, The mathematical modeling of turbulence flow, APPI Math Modeling, 1986,10:190-220P
[14] Orszag, S.A., Numerical Simulation of Turbulence Flows, Handbook of Turbulence, Vol.1,1977
[15] Yang, R.J. and Aung, W., Equations and Coefficients for Turbulence Modeling, Natural Convection-Fundamentals and Applications, 1985
[16] Ferziger, J.H. and Leslie D.C., Large Eddy Simulation, A collection of Technical Papers, AIAA Computational Fluid Dynamics Conference,1979
[17]章梓雄,董曾南,粘性流体力学[M],清华大学出版社,1998
[18] Launder, B.E. and Spalding, D.B., The Numerical Computation of Turbulent Flows, Comp. Methods Appl. Mech. Eng., Vol.3,1974, pp.269-289
[19] Serag-Eldin, M.A. and Spalding, D.B., Computations of Three-Dimensional Gas Turbine Combustion Chamber Flows, ASME.J.Eng. Power, vol.101,1979, pp.327-336
[20] Y.S. Chen著,黄荣国,吴国江译校,采用非正交贴体坐标系统求解三维不可压缩流动的计算机程序,1990.12
[21] Joe F. Thompson,Numerical solution of Flow Problems Using Body-Fitted Coordinate System,1987
[22]张楚华、谷传纲、苗永淼,利用非结构化网格方法对翼形绕流的数值研究,应用力学学报,2000年9月,第17卷,第3期
[23]黄荣国,李明,圆截面T形管的贴体网格生成,上海交通大学能源工程系
[24] Patankar S.V.著,郭宽良译,传热和流体流动的数值方法[M],北京,科学出版社,1984
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[26]毛小玲,黄荣国,多重网格法在CU F锅炉内流场计算中的应用,水动力学研究与进展,2002.12
[27]康立山、孙乐林等,解数学物理方程的异步并行算法[M],北京:科学出版社,1985
[28]黄荣国,张瑾,复杂三维流动数值模拟的非重叠区域分解法,水动力学研究与进展,2001.3
[29]黄荣国、李明,贴体网格生成的区域分解方法,水动力学研究与进展,1999.6
[30]吴望一,流体力学,北京大学出版社[M],1982
[31]鲁丁格,气体-颗粒流基础,国防工业出版社[M], 1986
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[33]缪正清,组合射流与集管内流动的数学物理模型研究[D],西安交通大学博士学位论文,2004.11.
[34]韦晓丽,缪正清,Z型和U型集箱并联管组流动特性的实验研究,动力工程,2008/28/04
[35]张淑萍,旋风分离器内气相流场的分区数值模拟,上海交通大学硕士学位论文,2000.12
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[39]谭欣星、席光,多块网格技术在三维复杂流动数值分析中的作用,西安交通大学学报,2001, Vol35,No.1,pp.184-188
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[41]范卫东,章明川,周月桂,洪梅,进口弯头对分配集箱流量分配影响的试验研究[J]动力工程2003
[42]缪正清,组合射流与集管内流动的数学物理模型研究[D]西安交通大学博士学位论文2004
[43]刘平元,大容量电站锅炉复杂系统蒸汽流量分布研究[D]上海发电设备成套设计研究所硕士学位论文2003
[44]李翠凤,某船用锅炉过热器蒸汽流动与传热数值模拟[D]哈尔滨工程大学硕士学位论文2007
[45]缪正清,Z型集箱连接系统单相流体的流动特性,上海交通大学学报1998 Vol.32 No.7
[46]杨世铭,罗永浩,并联管组流动特性的研究,水动力学研究与进展,1998 Vol.13 No.2
[47]王恩禄,张海燕,罗永浩,田子平,电站锅炉分配集箱静压分布参数的确定,上海交通大学学报,2004 Vol.38 No.7
[48]罗永浩,杨世铭电站锅炉过热器_再热器分配集箱静压分布计算方法的改进,动力工程,1996 Vol.16 No.6
[49]匡江红,刘平元,陈朝松,曹汉鼎,电站锅炉过热器_再热器集箱静压分布的数值研究,动力工程,2004 Vol.24 No.2
[50]王恩禄,袁益超,刘聿拯,电站锅炉汇集集箱内流体变质量流动动量交换特性研究,上海理工大学学报,2002 Vol.22 No.1
[51]缪正清,田子平,王恩禄,电站锅炉汇集集箱系统单相流体流动特性的研究,动力工程,1998 Vol.18 No.2
[52]缪正清,电站锅炉集箱端部轴向引入引出的并联管组系统单相流体流动特性解的统一表达式,1998 Vol.18 No.6
[53]范卫东,韩小岗,郝卫东,章明川,顶棚过热器受热面管流量偏差问题的数值模拟研究,热能动力工程,2003 Vol.18 No.4
[54]王峻晔,章明川,范浩杰,吴东棣,锅炉分配集箱非线性水动力特性分析,上海交通大学学报1999 Vol. 33 No. 3
[55]缪正清,徐通模,集箱与并联管屏系统单相流体的流动特性,上海交通大学学报,2000 Vol. 34 No. 9
[56]郭红霞,潘斌,消息传递模型的并行性能研究,成都大学学报(自然科学版),2007 Vol.27 No.1