Варфоломеева Ольга Ивановна – канд. техн. наук, доцент, проректор по учебной работе
г. Ижевск
Olga I. Varfolomeeva – Kalashnikov State Izhevsk Technical University
Izhevsk
Тененев Валентин Алексеевич – д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры «Высшая математика»
г. Ижевск
Valentin A. Tenenev – Kalashnikov State Izhevsk Technical University
Izhevsk
Хворенков Дмитрий Анатольевич – канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика»
г. Ижевск
Dmitry A. Khvorenkov – Kalashnikov State Izhevsk Technical University
Izhevsk
АКТУАЛЬНОСТЬ. Достоверное математическое описание процессов, сопровождающих нестационарные течения реагирующих горючих смесей газов, актуально для широкого круга задач, связанных с топочной техникой и теплогенерирующими установками. Разработка инструмента для численного моделирования котловых процессов позволит прогнозировать режимы и условия работы их элементов для улучшения технико-экономических показателей установки в целом. ЦЕЛЬ. Разработка математической модели, описывающей трехмерные нестационарные течения реагирующей смеси газов в топочных камерах, котельных пучках и газоходах котельных агрегатов. Рассмотрена возможность применения метода С.К. Годунова к численному моделированию процессов в топочных устройствах и конвективных элементах котельного агрегата. МЕТОДЫ. Трудоемкость моделирования топочных процессов связана с их нестационарностью, сложностью конфигурации расчетной области, что требует решения задачи в трехмерной постановке, протеканием процесса горения и наличием сопряженных процессов теплообмена с элементами котла. Поэтому математическая модель, описывающая течения реагирующей смеси газов в топочных камерах, котельных пучках и газоходах котельных агрегатов включает в себя трехмерные нестационарные уравнения Навье-Стокса, энергии и турбулентности. Процесс горения природного газа в топке описывается в рамках простой химически реагирующей системы (ПХРС). Для учета процесса горения предложено добавить в уравнение переноса энергии источник, эквивалентный диффузионному горению при допущениях ПХРС. Для численной реализации математической модели процессов в элементах котла применен метод С.К. Годунова в сочетании со схемой MUSCL, обеспечивающей второй порядок аппроксимации разностных уравнений. РЕЗУЛЬТАТЫ и ОБСУЖДЕНИЕ. Разработана и численно реализована математическая модель, пригодная для расчета процессов гидродинамики и тепломассообмена в водотрубных котельных агрегатах. С помощью разработанного пакета прикладных программ выполнены ряд расчетов для водогрейного водотрубного котла марки КВ-ГМ-1,25-115. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Предлагаемый подход к решению задачи разработки модели, пригодной для численного анализа топочных процессов, позволяет получить универсальный инструмент для расчетов и проектирования теплогенерирующих установок, который может быть применен для определения параметров тепловых и газодинамических процессов в котельных агрегатах. Это позволит усовершенствовать существующие конструкции или разработать новые с улучшенными технико-экономическими характеристиками, а также выявить и разрешить локальные проблемы, которые мешают работе котла и не решаются с помощью инженерных методов расчета.
RELEVANCE. A reliable mathematical description of the processes accompanying unsteady flows of reacting combustible gas mixtures is relevant for a wide range of tasks related to furnace technology and heat generating plants. The development of a tool for numerical simulation of boiler processes will make it possible to predict the modes and operating conditions of their elements in order to improve the technical and economic performance of the installation as a whole. PURPOSE. Development of a mathematical model describing threedimensional unsteady flows of a reacting mixture of gases in combustion chambers, boiler bundles and flues of boiler units. The possibility of applying S.K. Godunov's method to numerical modeling of processes in furnace devices and convective elements of a boiler unit is considered. METHODS. The complexity of modeling furnace processes is related to their nonstationarity, the complexity of the configuration of the computational domain, which requires solving the problem in a three-dimensional formulation, the course of the combustion process and the presence of associated heat exchange processes with boiler elements. Therefore, the mathematical model describing the flows of a reacting mixture of gases in combustion chambers, boiler bundles and flues of boiler units includes three-dimensional unsteady NavierStokes equations of energy and turbulence. The process of natural gas combustion in a firebox is described within the framework of a simple chemically reactive system (SCRS). To account for the combustion process, it is proposed to add to the energy transfer equation a source equivalent to diffusion combustion under the assumptions of SCRS. To numerically implement a mathematical model of processes in boiler elements, the S.K. Godunov method was used in combination with the MUSCL scheme, which provides a second-order approximation of difference equations. RESULTS and DISCUSSIONS. A mathematical model suitable for calculating the processes of hydrodynamics and heat and mass transfer in water-tube boiler units has been developed and numerically implemented. Using the developed application software package, a number of calculations were performed for the KV-GM-1,25-115 hot water tube boiler. CONCLUSION. The proposed approach to solving the problem of developing a model suitable for numerical analysis of combustion processes makes it possible to obtain a universal tool for calculating and designing heat generating plants, which can be used to determine the parameters of thermal and gas-dynamic processes in boiler units. This will make it possible to improve existing structures or develop new ones with improved technical and economic characteristics, as well as identify and resolve local problems that interfere with boiler operation and are not solved using engineering calculation methods.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.