【背景】氮氧化物是煤粉燃烧过程中产生的主要大气污染物之一。随着我国环保标准的日趋严格，以空气分级为代表的低氮氧化物燃烧技术在燃煤锅炉中得到了越来越广泛的应用。空气分级燃烧技术的具体实践可分为炉膛空间的空气分级以及燃烧器层面的低氮氧化物燃烧器。
在目前普遍的氮氧化物数值模拟中，基本上是通过输入参数的手动调节来强行实现出口位置计算值与实测值的吻合，尤其是同一煤种在不同燃烧条件(常规燃烧、空气分级燃烧)下的模拟往往需要手动设置不同的模型参数以匹配实测值。这一现状背后深层次的原因在于这些商业CFD软件尽管已经采用了先进的流体计算求解器，却耦合了古老的(核心De Soete模型开发于20世纪70年代)，简单的氮氧化物反应模型。就目前而言，先进的煤粉燃烧氮氧化物预测模型，尤其是适用于商业CFD软件的模型非常缺乏。清华大学李振山研究员等的目的是开发能够准确预测煤粉燃烧过程中氮氧化物生成与还原特性的氮氧化物模型，并通过用户自定义函数(UDF)的形式将模型嵌入CFD软件Fluent中。
在Fluent中，离散项的计算是与流动，燃烧，传热一起进行的，而氮氧化物的计算则是以后处理的方式进行的。利用Fluent提供的接口，分别编写离散项UDF与氮氧化物模型UDF，将焦炭的气化反应以及新的氮氧化物模型嵌入Fluent中，从而实现新的氮氧化物模型与Fluent中流动，组分输运，辐射的耦合计算。具体关系如下图所示。
新氮氧化物模型的参数输入界面与缺省模型完全兼容，程序能够自动读入参数设定值，不需要用户自己操作C语言程序进行修改，这就为用户使用模型提供了便利。
为验证UDF在Fluent中的正确调用，排除因程序编写错误造成的计算结果差异，需要对开发的模型进行详细检验。如果模型正确，当UDF中的所有模型参数与缺省的氮氧化物模型完全一致时，两者的计算结果应当一致。这里以四角切圆锅炉的CFD计算为例，分别采用Fluent中的缺省模型与新的氮氧化物模型。下图(a)为使用缺省模型计算出来的某层燃烧器水平截面处氮氧化物的分布，下图(b)为使用新的氮氧化物模型计算出来的同一截面处的氮氧化物分布，下图(c)为两个模型提供的沿炉膛高度方向氮氧化物的分布。可以看出，UDF的计算结果与缺省模型完全一致，UDF完美复现了缺省模型。这就验证了程序编写及UDF在Fluent中调用的正确性。此外，下图是锅炉大规模并行计算结果的对比，这表明新的氮氧化物模型完全能够被应用于实际锅炉的CFD模拟中。
【来源】煤炭学报
【引用格式】李振山，张志，陈登高,等.煤粉燃烧中NOx的预测：模型开发及Fluent实现[J].煤炭学报,2016,41(10):2426-2433.（转载请标明出处）