Comsol烧锅炉
1. 火力发电
1.1 火力发电厂
火力发电厂简称火电厂，是利用可燃物（例如煤）作为燃料生产电能的工厂。它的基本生产过程是：燃料在燃烧时加热水生成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。
火力发电厂最主要的设备是锅炉、汽轮机和发电机，它们安装在发电厂的主厂房内。主变压器和配电装置一般装放在独立的建筑物内或户外，其他辅助设备如给水系统、供水设备、水处理设备、除尘设备、燃料储运设备等，有的安装在主厂房内，有的则安装在辅助建筑中或在露天场地。火电厂基本生产过程是，燃料在锅炉中燃烧，将其热量释放出来，传给锅炉中的水，从而产生高温高压蒸汽；蒸汽通过汽轮机又将热能转化为旋转动力，以驱动发电机输出电能。到80年代为止，世界上最好的火电厂的效率达到40%，即把燃料中40%的热能转化为电能。
火力发电是现代社会电力发展的主力军，在提出建设和谐社会、发展循环经济的大背景下，我们在提高火电技术的方向上要着重考虑电力对环境的影响，对不可再生能源的影响。虽然在中国已有部分核电机组，但火电仍占领电力的大部分市场。近几年电力发展滞后经济发展，全国上了许多火电厂，但火电技术必须不断提高发展，才能适应和谐社会的要求。
图1. 火力发电厂
1.2锅炉
锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能，锅炉输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。
锅炉的主要工作原理是一种利用燃料燃烧后释放的热能或工业生产中的余热传递给容器内的水，使水达到所需要的温度或一定压力蒸汽的热力设备。锅炉在“锅”与“炉”两部分同时进行，水进入锅炉以后，在汽水系统中锅炉受热面将吸收的热量传递给水，使水加热成一定温度和压力的热水或生成蒸汽，被引出应用。在燃烧设备部分，燃料燃烧不断放出热量，燃烧产生的高温烟气通过热的传播，将热量传递给锅炉受热面，而本身温度逐渐降低，最后由烟囱排出。
图2. 发电厂锅炉
2. 物理建模
大型锅炉的三维模型如图3所示。仿真过程设置锅炉蒸汽、底座的比热容、导热系数、密度和动力粘度，为保证结果准确性，以上材料参数均从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图4所示。
图3. 几何模型
图4. 材料参数
3. 物理边界条件
流体场边界条件；（1）入口设为速度0.1m/s；（2）出口设置压力出口；（3）其余边界设为壁条件。
温度场边界条件：（1）初始温度设293.15K；（2）锅炉内部高温蒸汽设为流体材料，其余部分为固体导热材料，蒸汽入口温度设373.15K；（3）外部边界与空气进行对流换热，换热系数取15W/(m2*K)，详细物理场边界条件如图5所示。
多物理场耦合条件：所有边界均设为非等温流边界。
图5. 物理场边界条件
根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用三角形结构化网格和边界层网格对锅炉模型进行划分，具体网格分布如图6所示。
图6. 计算网格
4. 结果展示
锅炉计算模型采用稳态全耦合求解器进行求解，通过计算得到锅炉稳态温度场和流体场分布如下所示。
图7. 温度场分布
图8. 速度分布
图9. 压力分布
图10. 流线分布
图11. 截面温度和速度分布
END
供稿：热流Es
编辑：小苏
审核：赵佳乐
