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在全球能源短缺、环境污染问题日益严峻的大背景下，节能环保已成为各国面临的重要问题。提高传统能源的生成和利用效率是缓解能源短缺和环境污染的重要手段之一。如何提高煤粉燃烧效率和燃烧稳定性，对我国这样一个产煤大国的可持续发展具有重要意义。目前，我国大部分火力发电机组的锅炉均为煤粉炉，其燃烧过程中所需的煤粉由布置在炉膛上的煤粉燃烧器提供，对煤粉射流燃烧的深刻认识是高效、清洁的燃烧设备优化设计和运行的基础。
煤粉射流燃烧是一种十分复杂的物理、化学过程，涉及挥发份逸出、焦碳燃烧、辐射传热、气固两相流动及气相湍流燃烧等，目前对煤粉射流燃烧过程的认识仍不够清晰。随着计算流体力学、计算燃烧学以及现代计算机软硬件技术的快速发展，使得煤粉射流过程较为精确的数值模拟成为可能。
本文围绕煤粉射流燃烧开展研究，以典型水平射流为研究对象，探索了适合气固两相湍流燃烧模拟的方法。论文采用了开源CFD计算程序包OpenFOAM，运用大涡模拟方法(LES)模拟煤粉射流火焰特性。其中，气粒两相流动采用欧拉-拉格朗日颗粒轨道模型，用PSIC方法求解两相之间的相互作用；采用半经验的Rosin-Rammler公式来表示颗粒尺寸分布；采用一方程涡粘模型求解亚网格湍流应力；挥发份释放采用双挥发反应模型；焦炭燃烧采用动力-扩散有限速率表面反应模型；气相湍流燃烧采用EBU-Arrhenius模型；炉内辐射换热采用P-1模型。预测了炉内瞬时温度场、压力场、速度矢量场及组分浓度场等分布。
采用该方法模拟气-固两相煤粉湍流射流燃烧，将模拟结果与文献中的实验数据及雷诺平均方法(RANS)的模拟结果进行对比，验证了大涡模拟方法及所用模型的有效性和优越性。改变射流速度，使火焰中心位于计算区域的较佳位置，从而在炉内建立一个较好的燃烧动力场，并由此获得了一个优化射流速度。此外，还基于该优化速度，研究了不同煤粉颗粒尺寸和不同挥发份含量下的煤粉燃烧特性，得到了不同因数对煤粉强度和稳定性的影响。该分析结果为煤粉燃烧的详细研究和燃烧系统的优化设计奠定了理论基础。研究结果可为煤粉射流燃烧的稳定性研究和系统优化设计提供理论依据，为复杂燃烧过程的分析提供参考。