Разработка универсальной модели для численного анализа топочных процессов в теплогенерирующих установках

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.

1. Lukas Hubka. Temperature Dynamic Model of Once-through Boiler Based on Flue Gases Heat Transports // Preprints of the 18th IFAC World Congress Milano (Italy) August 28 - September 2, 2011. pp. 8265-8270.

2. Sajjad Mahmoudinezhad, Meisam Sadi, Hamed Ghiasirad, et al. A comprehensive review on the current technologies and recent developments in high-temperature heat exchangers // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023. Vol. 183. Доступно по: https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113467. Ссылка активна на 03 октября 2025.

3. Katarina Simić, Ilya T'Jollyn, Willem Faes, et al. Dynamic modelling of gas-fired condensing boiler units for the use in residential buildings. Proceedings of the 15th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. HEFAT 2021. pp. 688- 693.

4. R.S.Jha, Mandar M. Lele. Dynamic modeling of a water tube boiler // Heat Transfer. 2022. Vol. 51, №7. pp. 6087-6121. Доступно по: https://doi.org/10.1002/htj.22581. Ссылка активна на 03 октября 2025.

5. Wei Zhang, Suilin Wang, Lianbo Mu, et. al. Investigation of the forced-convection heat-transfer in the boiler flue-gas heat recovery units employing the real-time measured database // Energy. 2022. Vol. 238, Part A. Доступно по: https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121715 Ссылка активна на 03 октября 2025.

6. Марьяндышев П.А., Чернов А.А., Любов В.К. Численное моделирование топочного процесса низкоэмиссионного вихревого котла // Международный журнал экспериментального образования. 2015. № 6. С. 59-66.

7. Сабитов М.А., Ведерникова Ю.А. Спасибов В.М. Анализ тепловых процессов в котлоагрегате путем имитационного моделирования // Современные наукоемкие технологии. 2018. №10. С. 109-112.

8. Тайлашева Т.С. Моделирование топочной среды в котле типа ДКВР при сжигании природного газа // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314. №4. С. 42-47.

9. Бойко Е.А., Пачковский С.В., Вольнев В.Н. и др. Имитационный динамический тренажер для отработки процессов в топочных устройствах паровых котлов // Теплоэнергетика. 2022. №4. С. 81-92.

10. Дееб Равад. Численное исследование характеристик теплообмена и гидравлического сопротивления шахматных пучков сдвоенных труб круглой и каплевидной формы // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. №10. С. 434-444.

11. Крутова И.А., Золотоносов Я.Д. Решение сопряженной задачи теплообмена для конических теплообменных аппаратов. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2024;26(6):214-226. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2024-26-6-214-226

12. Бадретдинова Г.Р., Калимуллин И.Р., Зинуров В.Э. и др. Оценка моделей турбулентности при внешнем обтекании нагреваемой трубы. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2023;25(2):176-186. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2023-25-2-176-186

13. Блинов В.Л., Зубков И.С., Бродов Ю.М. и др. Моделирование течения в тракте комплексного воздухоочистительного устройства ГТУ // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2021;23(4):66-83. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2021-23-4-66-83

14. Вафин Д.Б., Ваньков Ю.В. Тепловой расчет камеры радиации печи пиролиза углеводородов с несеммитричным расположением настенных горелок // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2023; 25(5): 126-140. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2023-25-5-126-140

15. Вафин Д.Б., Ваньков Ю.В. Моделирование теплового состояния камер радиации печей пиролиза углеводородов с большим количеством ярусов горелок // Современные наукоемкие технологии. 2025. № 2. С. 30-35. https://doi.org/10.17513/snt.40300

16. D. B. Spalding Combustion and Mass transfer. Pergamon Press. 1979. 200 p.

17. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

18. Годунов С.К., Забродин А.В., Иванов М.Я. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1976. 400 с.

19. Wesseling P., Segal A., Kassel C.G.M. Computing flows on general threedimensional nonsmooth staggered grids // Jornal of Computational Phisics. 1999. Vol.149. pp. 333-362.