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行业知识

生物质燃烧机空气动力学特性的数值模拟

生物质燃烧机空气动力学特性的数值模拟

摘要:将湍流重整化群舫程与zlang五an提出的新代数应力模型结合,用下模拟煤粉浓淡生物质燃烧机喷口强旋转流J.通过对7个工况流场的计算,并与实验结果比较,得出生物质燃烧机喷口流场随参数变化的规律,同时对流场特性作了分析。

    媒粉浓淡生物质燃烧机出口空气动力学特性对生物质燃烧机高效燃烧、低负荷稳燃及NO。排放都有影咆由于燃烧器出口流场是强旋转流动。存在着沿轴线的内部回流区,其6个湍流应力差别较大,而且等效湍流粘度的数值沿径向的变化很大,即湍流的各向异性所以流场中大小涡旋的级串关系复杂,数值模拟中,使用单一尺度一一湍流耗散率髟再足以全面反映其湍流特性一般的工程旋转流动中,大都是旋流直流旋流—旋流组合射流,增加了流动的复杂性,使数值模拟更困难

    Abnjelala和Lilley在80年代初开始用标准k-X模型模拟受限强旋流,但模拟结果与实验结果相差甚远。文献[lW 1990年以前的工作做了详细的介绍,但结果不能令人满思o近年来有研究者提出了不同的模型来模拟强旋转流动。铰为成功的有新型代数应力模型口1,该模型反应了强旋转流动的各向异性特点。预报结果比尼Ⅸ模型有较大的改进:双时间尺度模型‘31对表示湍流涡尺度的X方程作了修正

    本文用RN G-ASM模型模拟生物质燃烧机出口旋转流

场。按照实验情况,对各工况的流场进行数值模拟,根据参数的变化比较流场的变化并将计算结果与实验结果作了比较。

1实验系统和测量方法

    图1为冷模试验台系统图。来自风机的一二次风经管道、流量{调节风门等装置进入生物质燃烧机。每个风燃管上设有射气、抽气和烟花示踪装置。采用标准三孔探针测量生物质燃烧机出口的轴向和切向速度。三孔探针在主流区测量非常准确,但在回流区因气流方向不定及速度较低,测量结果不理想。因此在回流区及附近用自制靠背管验证,同时用烟花示踪作定性观泓

1.风机  2直流风  3.一次风  4.-次风

5调节风门  6翼型测风装置  7.生物质燃烧机

  图1浓淡生物质燃烧机冷模试验台

2强旋流RN GA SM模型

    niang Jan提出的新型代数应力模型,反映了强旋转流动的各向异性特点心1,但在切向速度较大的区域所得切向速度值不准确。其中一个原因是表示湍流涡尺度的X方程应有更丰富的内容。  Yakhot和0 rs zag'4]的湍流重振化群方法,从理论上提供了X方程的基本形式,其主要结论是:对高Re数,RN GX方程与标准k-Xt~型的形式相同,但在方程中有一附加生成项,当流动快速畸变时,这一项显著增大RNGk-X模型的系数均由理论计算得出。  Speziale和T hangam'51等用此模型分别求解了绕后台阶湍流流动,作者∞1也模拟了圆环管煤粉浓淡分离器内的湍流流动结果表明,在分离流动方面RNG k-X模型优于标准后j模型

3数值模拟及结果分析

    煤粉浓淡生物质燃烧机由一、二次风组成一次风为煤粉和空气混合物,又分成浓粉流和稀粉流两股,稀粉流为弱旋流二次风为强旋/)其出口结构如图2所示面为中心管扩角,Ⅲ为浓一次风管扩角,m为淡一次风管扩角,飞为二次风管扩角,ni为淡一次风旋流强度,n2为二次风旋流强度

Q中心管  L浓一次风管  2淡一次风管  3._次风管

    图2煤粉浓淡生物质燃烧机出口处

    计算区域从生物质颗粒燃烧机出口开女厶o由于计算的是一个无边界强旋射流。所以上边界取在10倍的喷口宽度处,采用静止的大气边界条件:生物质颗粒燃烧机喷口处为计算的进口条件各风管按流量和扩角计算轴向和径向速度,按旋流强度计算切向速度;流场下边界为对称条件:流场出口边界按梯度相等讦算。根据实验条件,扩角前一次风速24 7 m/s,-次风速21.2 m屈

    使用交错网格的SIM PLE方法,按轴对称流场计2000年11月徐江荣等:煤粉浓淡旋流生物质颗粒燃烧机空气动力学特性的数值模拟算,网格在一、二次风出口处布置较密,其它地方较疏,且随参数的变化而变化。网格数为12~ 50,计算精度达到10 5数量级

    图3为某一工况的流场在计算区域中的流线分布,由于计算区域较大。射流部分只在一非常小的区域中。从图可见。流场存在一中心回流区射流外边界存在一大的回流区,使得射流不断地将空气卷吸进去

    测量上述工况的轴向速度和切向速度,同时按照实验条件计算该工况的流场,将轴向速度和切向速度的计算值与实验值作比较(见图4 5l结果显示,轴向速度的计算值与实验值吻合得很好,但切向速度在流场上游略有差别,在流场下游吻合得较好

    图6 7 8为该工况的3个Reynolds应力分布图,与矿矿的大小相当,都比W,w,大,但3个Reynolds应力在回流区附近都较其它地区强实验观测表明,煤粉着火往往首先发生在回流区与主流区交界处。说明回流区附近的湍流较强

    其它工况的流场形状大致相同,但回流区的大小有变化二次风旋流强度对回流区有重要的影响,旒流

    浓淡一次风扩口和淡一次风旋流强度对回流区也有一定的影响,但影响不大。

    从上述实验和数值模拟的结果可以看出,由强弱旋流和直流组合而成的三股射流。混合成一封闭的旋转流场,旋转流场回流区的大小与二次风旋流强度、中心扩角和二次风扩角有关系,而回流区的大小对燃烧稳定是十分重要的。强度增大,气流的切向和径向速度梯度增加,回流区增大,计算值与实验值比较如图9二次风扩角对回流区大小也有较大的影响,特别对回流区的宽度影响较大,扩口角变小,回流区变为瘦长形,计算结果与实验结果比较见图10

    中心扩角对回流区影响极大。中心扩角减小,回区长度和宽度都减/J\o回流区计算值与实验值在中心

(玉= 33,T2= 30,T3= 15c,ni=Q 34,/72=1.2)

  图11回流区随中心扩锥角的变化

    (1)典型流场的流线分布合理,轴向速度切向速度和回沆区的模拟结果与实验值吻合,表明RNG—ASM模型对强旋流场的模拟是合理魄

    (2)作为煤粉浓淡旋流生物质颗粒燃烧机喷口流场的主要特性参数,回流区的大小与二次风旋流强度、二次风管扩角、中心管扩角、一次风管扩角和淡一次风旋流强度有关,但前三者的影响比后二者重要的多数值模拟结果与实验值基本吻合

    (3)生物质颗粒燃烧机喷口流场在中心管扩角较小时与实验结果有一定的差异。其主要原因是入口条件不准确,中心管扩角后的网格划分可以再细一些

    煤粉浓淡旋流生物质颗粒燃烧机的空气动力学特性仅是燃烧器特性的一个重要方面。气流场的数值模拟还不能体现出煤粉浓淡分离和没有浓淡分离的差别,尚需对煤粉浓淡旋流生物质颗粒燃烧机出口处气固两相流的特性作数值模拟分析。


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点击次数:  更新时间:2017-04-24 20:19:11  【打印此页】  【关闭