煤自燃实验过程中温度场的数值模拟研究 - 图文

太原理工大学硕士研究生学位论文

与此同时，在时间d?内，微元体中煤体由于温度上升所吸收的?eCe式中，?e为松散煤体的等效密度 (g·cm-3)； Ce为松散煤体的等效比热 (J·g-1·℃-1)。

?Td?dxdydz。 ??根据热量的平衡原理，温度升高所吸收的热量必须等于从外界流入的净热量、风流带走的焓变和内部热源释放的热量之和，即

??2T?T?2T?2T?Ce?ed?dxdydz???x2??y2??z2?dxdydzd??????y?z???x?Tg?Tg???Tg?n?gCg???q?T?dxdydzd? （4-9） ?vx?x?vy?y?vz?z??dxdydzd??针对本实验台结构，假设：

①煤与氧气充分的结合；

②煤样的添装是均匀，可近似认为煤样为各向同性的均匀多孔介质； ③实验过程中空气流速很小，加上煤体自燃氧化升温是一个缓慢的过程， 可近似认为松散煤体内同一位置的风流温度与煤体温度相等；

④空气和煤的热物性参数在整个自燃过程中保持不变；

⑤风流仅沿纵向z轴方向均匀流动，在x和y方向上的渗流分速度为零； ⑥煤样的温度场呈轴对称分布。

则根据以上假设简化后，得描述实验台松散煤体自燃过程中温度场的能量守恒方程（圆柱坐标）为，

??2T?T?2T?Q?T?Ce?e??e??2?C??q?T? （4-10） gg2???z2???rS?z??式中，?e为松散煤体的等效导热系数，(W·m-1·s-1)。

r、Z——径向、纵向坐标，cm；

Q——流量(cm3·s-1)；

S——炉体内截面积(cm2)。 4.2.2 初始条件和边界条件

由上可知，能量守恒偏微分方程式建立了松散煤体的温度与时间、空间的关系。如

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果要确定温度场，还必须要知道初始条件和边界条件，即定解条件。初始条件是在初始瞬时煤体内部的温度分布规律，边界条件是煤体表面与周围介质之间的温度相互作用的规律。 （1）初始条件

在初始瞬时，温度场是坐标(x,y,z)的已知函数T0(x,y,z)，即当?=0时，

T?x,y,z,0??T0(x,y,z)

在相当多的情况下，初始瞬时的温度分布可以认为是常数，即

T?x,y,z,0??T0?常数

（2）边界条件

温度场四周表面的换热条件称为温度场的边界条件。常见的边界条件有三种： ①已知任何时刻结构边界面的温度值。第一类边界条件可表示为：

Ts?Tw

式中，s表示边界面；

Tw是边界面s的给定温度值，既可以是稳态导热过程中给定的温度值；也可是随

时间变化的非稳态导热过程的温度值。

②第二类边界条件：已知任何时刻结构边界面上的热流密度值。第二类边界条件可表示为：

??T?qw ?ns式中，qw是给定边界面s的热流密度，对稳态导热过程为常数；对非稳态过程是随时间变化的量。

若qw?0，说明边界面是绝热的。

③第三类边界条件：已知边界面周围流体的温度和散热系数，根据牛顿冷却公式，物体边界面与流体间的对流换热量可写成

q??(Tw?Tf)

式中，?为对流换热系数，(J·m-2·s-1·℃-1)；

Tw为松散煤体表面温度，(℃)；

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