本报告基于 ANSYS Fluent 软件,针对烟囱污染物扩散过程开展组分传递模型模拟。通过构建二维计算区域,结合湍流模型与组分输运方程,分析了烟气在大气环境中的扩散特性。研究结果表明:烟气扩散受浮力与湍流作用共同影响,温度与速度分布呈现典型的浮力驱动流动特征,污染物质量分数随扩散距离逐渐衰减并满足收敛标准。本研究为工业烟囱污染物扩散预测提供了数值模拟方法参考。
理论基础
(1)连续性方程描述流体质量守恒:
其中, ρ 为密度, 为速度矢量。
(2)组分输运方程,考虑对流、扩散与反应的组分浓度变化:
,式中, 为组分i的质量分数, 为扩散系数, 为反应源项。本研究中忽略化学反应, 。
(3)湍流模型 采用标准 k-ε 模型描述湍流流动,其控制方程为:
①湍动能k方程
② 湍流耗散率ε方程
其中, 为湍流粘度, 为平均流动引起的湍动能生成项,模型常数 , 。
(1) 几何模型构建
计算区域设计:在 DesignModeler 中创建 平面草图,环境矩形尺寸为10m×20m,烟囱矩形为5m×7m;烟囱距环境边界5m,通过布尔剪切操作生成环形计算区域。
物理意义:环境区域尺寸设置需满足 “远场条件”,即边界对烟囱排放流场的影响可忽略,通常取烟囱直径的 10-20 倍
(2) 网格划分
网格参数: 单元尺寸设为 500mm ,启用自由网格生成; 边界层网格采用膨胀法,确保壁面函数适用性( y + ≈30−300)。网格质量验证: 网格扭曲率(Skewness)<0.85,满足 CFD 计算要求
(3)边界条件与求解设置
边界命名:烟筒上边线命名为"inlet-smoke"(烟⽓⼊⼝) 左侧边线命名为"inlet-air"(空⽓⼊⼝) 上边线和右边线命名为"outlet" 其余边界命名为"wall"
精度选择:采⽤双精度(Double Precision)计算模式
求解器类型:压⼒基(Pressure-Based)求解器。
时间设置:瞬态(Transient)分析,激活重⼒加速度,Y⽅向设为 − 9.81m / s2。
单位设置:温度单位设为摄⽒度( ∘ C)。
湍流模型:选择k-epsilon(2 eqn)模型,采⽤标准壁⾯函数。
模型类型:启⽤组分输运模型(Species Transport),组分数设为3(smoke、 )。
扩散设置:勾选"扩散能量源项"和"完整的多组份扩散"选项。
(1)温度分布特性
现象:烟囱出口温度600,随扩散距离增加逐渐降低,距出口10m处降至约100
理论解释:温度衰减由热对流与热扩散共同作用,符合能量方程中的对流 - 扩散项主导机制。浮力效应使高温烟气向上抬升,形成 “羽流” 扩散形态。
(2) 速度场分析
特征:烟囱出口最大速度6.63m/s,随扩散距离衰减至环境边界处 <1m/s,流场呈现典型的 “射流 - 卷吸” 结构
动力学机制:出口高速烟气卷吸周围空气,导致速度衰减;浮力作用使垂直方向速度分量增大,形成向上的动量输运。
(3) 烟气扩散规律
质量分数分布:烟囱出口处 smoke 质量分数为 1.0,扩散至环境右边界时降至 0.05 以下,呈现对称高斯分布特征。
理论验证:扩散形态符合湍流扩散的 “梯度输送理论”,即质量分数梯度与扩散通量成正比,满足 Fick 第二定律
(4) 收敛性验证
残差曲线:连续性方程残差 <10−3 ,能量方程残差<10 −6,各组分方程残差 <10 −3,满足工程计算收敛标准
数值稳定性:SIMPLEC 算法与 Body Force Weighted 压力离散格式的组合,有效抑制了浮力流计算中的压力 - 速度耦合振荡。