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行业新闻

复杂结构生物质燃烧机三维流场和燃烧状况数值模拟

复杂结构生物质燃烧机三维流场和燃烧状况数值模拟

    摘要:以美国John Zink公司一种瓦斯生物质燃烧机为几何原J,保持生物质燃烧机和稳焰旋流器附近的三维复杂形状,生成了包括生物质燃烧机和炉膛的结构化网格。以甲烷为燃+-l,采用标准的肛e湍流模型、双a混合燃烧模型和蒙特卡洛辐射换热模型对生物质燃烧机内的流动及燃烧状况进行了全尺寸数值模拟,计算了旋流器附近的复杂流场,预测了生物质燃烧机流场、温度场以及各组分的分布状况。计算结果表明,标准的k湍流模型、双8混合燃烧模型和蒙特卡洛辐射换热模型能够用丁计算复杂结构内的流动和燃烧过程。

引  言

    加热炉是石油化工工业的关键设备之一。炉内流动、燃烧和传热过程是影响其热效率的主要因素。对加热炉内部状况进行测量比较困难,炉内过程的细节知之甚少,这对加热炉的优化设计和新型高效加热炉的开发产生不利影响Ⅷ。流动与燃烧过程的数值模拟是近几十年发展起来的、可以给出所研究燃烧过程所有细节的一种新方法。随着湍流燃烧模型的不断完善以及计算技术的不断发展,这一方法已逐渐成为研究工业炉燃烧过程的常规方法。

1  计算域的确定与网格划分

    图1为瓦斯生物质燃烧机组装图。助燃空气通过渐缩渐扩进气道进入,燃料气则通过一个燃气喷头进入,燃气喷头上有对称分布的10个小孑L,它们的直径为3 rum,扩散角为85.8。;燃气喷头下方有一个锥状的稳焰旋流器,其上开有一定数量、具有一定方向的方孔,以控制助燃空气的方向和流量。

    图2给出了计算域纵截面图。计算域的网格从渐缩渐扩进气道的进口以上开始生成,并且在进气道上方连接①2.0 rri×6.0 m的炉膛,炉膛上方为45。的收缩出口段。从烧嘴成排布置的炉膛中切出一部分来进行计算,计算域完全保留了进气道、稳焰旋流器及燃气喷头的三维几何形状,以求尽可钝精确地计算炉内过程的所有细节。

    计算域划分为结构化网格。对计算域实现结构化的网格划分是一大难点,尤其是在燃气喷头和稳焰旋流器等结构复杂的部位。图3是燃气喷头与稳焰旋流器部位的计算网格。由于稳焰旋流器及燃气喷头的多个喷口处形状复杂,各个方向上截面都变化极大,流动的变化极为剧烈,因此这些部位的网格比较密,需要的节点数目较大;炉膛内的网格则随着流动的充分发展渐趋平缓而逐渐稀疏。整个计算域划分为109220个体网格。

2计算模型

    在流动和燃烧过程中,质量、动量、热量传递及燃料与空气的混合都强烈地受到湍流的影响,其过程可以用气体燃烧基本方程组加以描述。湍流气相燃烧的基本控制方程组由连续方程、动量方程、组分方程和能量方程组成。其中,连续方程和动量方程描述流体流动,组分方程和能量方程描述燃烧和热量传递。此外,需要采用湍流模型和燃烧模型来封闭方程组在Rey nolds时平均化过程中出现的新未知量,并且采用一定的辐射换热模型作为能量方程的源项,以求精确地计算炉内的辐射传热。本文中选用标准的k-e双方程湍流模型[2]、双6混合燃烧模型和蒙特卡洛辐射换热模型3]进行计算。七{模型常数的取值如下:Oy=1.0,嘞一1.0,Ok一1.0,嚷一1.3,Crl=0.09,  CD=O. 09,  Cl=1.44,  C2=1.92.

3迈界条件

    (1)入口边界条件。根据生物质燃烧机的设计工况,甲烷入口流速为200 m/s,空气入口流速为0.65 m/s,燃料和空气的入口温度均为300 K。空气流量由燃料气燃烧所需空气量决定,同时保证过剩空气系数为1.1。

    (2)出口边界条件。炉膛出口压力为  50 Pa,以保持一定的抽力。

    (3)壁面边界条件。炉膛底部设为绝热条件,炉膛壁面设置为700 K的定温壁面。

4数值模拟结果分析

4.1流场分析

    生物质燃烧机工作时,10个喷孔同时喷射速度较高的燃料气,燃料气形成在一个锥面上分布的多股射流(图4)。在稍微离开喷头后,形成一个空心锥形的燃气射流,在此空心锥形射流的中央,无法及时补充足够的气体,同时由于各股射流所引起的二次涡流,从而形成很强的负压区,强制己到下游的部分气体回流,形成一个回流区[ 4]。在燃烧过程中,回流区可以起到储存能量、稳定温度及燃烧的作用。

    由图4可以看出,在靠近燃气喷头下游的确存在回流区,其回流速度的大小可由生物质燃烧机和炉膛轴线方向上的轴向速度分布(图5)得出。图5中r-0指轴线,r -0. 25R指与轴线平行且与轴线相距0. 25倍炉膛半径昀轴向直线,R为炉膛半径。回流速度的大小主要取决于燃气喷射速度的大小,同时受周围空气流动速度以及喷头形状和尺寸的影响。

    图5生物质燃烧机和炉膛轴线方向上的轴向速度分布

    空心锥形的燃气射流向下游发展,直径和厚度逐渐增大,与周围的空气剪切、混合,进入温度较高的燃烧区进行燃烧,这一点可以从燃气与氧的分布图中看出。

    需要特别指出的是,在距燃气喷头一定高度范围内,相邻两股射流之间有大量空气进入中央回流区;而在单股射流对应的径向空间上径向速度明显降低,如图6所示。由图6可以看出,在0.5 m高度处,相邻喷孔间的最大径向速度为  1. 46 m/s,而喷孔对应的径向空间上最大径向速度为8.1 m/s;在1.0 m高度处,相邻喷孔间的最大径向速度为0.5m/s,而喷孔对应的径向空间上最大径向速度为Q 92 m/s,并且最大速度所在的径向位置变大,这是因为锥形射流向下游发展过程中直径变大。由此可以看出,在锥形射流的发展过程中流动变化剧烈,燃料气与空气激烈混合而燃烧。

4.2温度分布

    图7给出了生物质燃烧机和炉膛轴线方向上不同径向距离处的温度变化曲线。两者的差异在于生物质燃烧机和炉膛轴线上的温度由于受到中央回流区的影响,在一定高度内其温度要低于相同高度0. 50R处的温度。

    图8给出了炉膛各高度截面的温度分布。炉膛中0. 05 m和0.5 m高度处仍位于空心锥形射流影响区,两个峰值对应于富燃料的空心锥形射流边缘空气与燃料气混合而发生燃烧的都位,即火焰峰面,所以温度较高;中心温度较低处对应于回流区;两个波谷对应于射流的中心,是火焰峰面外受冷空气控制的区域:温度较低;曲线中较为平缓的部分对应于外部大尺度的回流以及由辐射造成的温度上升。随着锥形射流向下游的发展,射流速度逐渐变缓燃料也逐渐燃烧完毕,炉膛内沿径向的温度梯度变小,如炉膛中2.5 m高度处的温度分布。射流回流区的影响消失后,炉膛内沿径向的温度变得均匀,如炉膛中5.0 m高度处的温度分布。

    生物质燃烧机和炉膛纵剖面的温度分布见图9,图中中心截面指通过燃气喷孔的纵截面,中间截面指通过两个燃气喷孔之间的纵截面。由图9可见,这两个截面的温度分布有显著差异。中心截面上高温分布区对应着燃烧火焰峰面,具有明显的射流火焰形状;而中间截面对应的区域处于两股射流之间,由于多股射流中心负压区的作用,温度较低的空气从相邻两股射流之间进入中心负压区,其高温区域较小,并且不存在图9(a)中的最高温度区域。

4.3各组分质量分数分析

4. 3.1燃料气 

    生物质燃烧机和炉膛纵剖面燃料气质量分数分布见图0。由图可见,燃料气主要集中在燃气入口轴线附。远并且在很短的距离内大部分燃烧完毕。

4.3.2  空  气

    生物质燃烧机和炉膛轴线方向上的空气质量分数分布见图11。由于中央回流区的存在,轴线上的空气量比相同高度0. 50R处明显偏多。图12为炉膛不同高度处的空气质量分数分布曲线。随着燃烧的充分进行,空气逐渐燃烧完毕,由于具有10%的过剩空气,所以最终仍有一定量的空气存在,图中的波谷对应着火焰峰面,波峰对应着火焰外空气富集区。

    图13为生物质燃烧机和炉膛纵剖面空气质量分数分布曲线。对比图13 (a)和(b)可以看出,在燃气喷孔之间空气质量分数分布连续,而喷孔中心对应的位置上由于燃料气射流的分割,空气质量分数分布不连续,从而验证了流场分析中在相邻两股射流间有空气进入中央回流区的结论,因此,中央回流区含有较多的空气组分。

4.3.3燃烧产物

    图14为生物质燃烧机和炉膛轴线方向上的燃烧产物质量分数分布曲线,轴线处的燃烧产物明显少于相同高度0. 50R处。生物质燃烧机和炉膛纵剖面燃烧产物质量分数分布见图15。

    由图15可见,在炉膛上游燃料气和空气分别进入炉膛,尚来不及充分混合、燃烧,所以燃烧产物的浓度较低,仅仅在燃料气射流与空气的交界处发生局部燃烧该区域燃烧产物的浓度较高,其余部分均较低;随着燃烧的进行,在炉膛下游燃烧产物的浓度逐渐达到最大值。

5结束语

    对一种瓦斯生物质燃烧机及炉膛内流动与燃烧过程进行了全尺寸数值模拟。计算中没有对结构进行任何简化,尤其是对于旋流器和燃料气喷头处的复杂结构也较好地实现了结构化的网格划分。计算结果表明,可以采用k-e湍流模型和双6混合燃烧模型对复杂结构生物质燃烧机内的流动及燃烧状况进行模拟,预测的生物质燃烧机内速度场、温度场和各组分浓度场分布合理,这为研究和设计人员提供了生物质燃烧机的详细数据。在比基础上,根据实际工业炉的情况,对燃料气组分以及其他计算条件加以调整,就可以对不同工况的加热炉内的流动、燃烧和传热过程进行计算和预测,这将为加热炉的操作、设计和优化提供指导。

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点击次数:  更新时间:2018-05-31 23:14:16  【打印此页】  【关闭