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行业新闻

径向浓淡旋流生物质燃烧机气流湍流特性的冷态试验研究

径向浓淡旋流生物质燃烧机气流湍流特性的冷态试验研究

1前  言

  径向浓淡旋流生物质燃烧机(中国专利:  ZL93244359.1)是哈尔滨工业大学开发和设计的一种新型浓淡型生物质燃烧机,可以综合解决大型生物质锅炉旋流燃烧机低负荷稳定燃烧、高效燃烧、低NO。排放、防结渣和防高温腐蚀等问题,是一种具有广阔应用前景的新型旋流生物质燃烧机[1-3]。

    文献中对旋转射流的研究采用了不同的测量工具,Dixon[4]利用五孔探针研究了一次风不同旋流强度下旋转射流的流动特性。Vu[5]利用球型五孔搡针和一维恒温式热线风速仪测量了同轴同向和反向旋转环形组合射流的时均流场和湍流流场的特性参数,并对其流动规律进行了研究。李争起[6】利用相位多普勒两相测量技术(PDA)对径向浓淡旋流生物质燃烧机气固两相流场进行了研究,得出了新型旋流燃烧机气固两相湍流流动规律,并与常规蜗壳式旋流燃烧机相比较,发现新型旋流燃烧机出口气流中颗粒浓度在中心回流区附近处于较高水平,且颗粒浓度衰减速度较蜗壳式燃烧机慢,这种气固两相流动规律是新型旋流燃烧机燃烧稳定性得以提高和污染物NOx排放量小的重要原因。为了深入研究新型旋流燃烧机的气流流动特性,建立了单相冷态试验

2试验设备及方法

    采用了TSI公司的IFA300型热膜风速仪系统,对径向浓淡旋流生物质燃烧机单相冷态湍流流场进行测量。测速探针采用了210-20型一维热膜探针,利用AC-1型气体探针标定仪对探针进行标定,得出速度和热膜风速仪输出电压的函数关系式,速度标定精度为土2Vo。

    燃烧机模型是按实际燃用贫煤的径向浓淡旋流生物质燃烧机的三分之一制成,模型外径为d-372mm,喷口结构如图1,由离心风机通过不同风道向燃烧机各喷口供风,旋流二次风的旋流器采用固定轴向弯曲叶片,直流二次风为无旋流的纯直流风,一次风扩口和中心扩口具有一定的张角和外伸长度。试验中将一维热膜探针固定于精密坐标架上,在轴向和径向按一定间距移动,测量各点的湍流速度,一维热膜探针置于与气流速度方向垂直的平面内对瞬时速度绝对值进行测量,采样频率为1024 Hz,采样时间为2.048 s,同时利用飘带法判断该点的气流流动方向。所采用试验参数如表1。利用一维热膜探针多方位转动法对旋流燃烧机旋转射流时均速度和湍流雷诺应力的测量,已取得了较好的结果[7】,本文在此基础对旋流燃烧机气流的湍流瞬时速度场做进~步研究。

3试验结果及分析

3.1流场内瞬时速度的测量结果

    燃烧机喷口处二次风主流区内  (x/d  =0.0,r/d=0.46)气流速度瞬时值u。的测量结果如图2(a),在喷口处气流脉动频率高,实测速度脉动周期为dT - 0.024 s(频率为42 Hz),此频率与喷口处气流旋转频率(30.3 Hz)接近,说明燃烧机出口处的气流湍流脉动主频率与二次风流过旋流叶片之间的通道后的气流旋转速度和混合情况有很大关系。同时还可看出喷口处气流中存在着脉动周期较长的低频大涡(周期T= 0.38 s,频率,=2.6Hz),这是由于在出口气流主流区内形成某种相干大涡结构的原因。对离开喷口一定距离下游主流区处(x/d=0.75,r/d=0.75)进行的测量如图2(b),由于流体微团之间的混合及湍流能基的耗散,气流时均速度下降,湍流脉动强度下降,低频大涡结构基本消失,瞬时速度接近均匀随机脉动,脉动频率为17.9 Hz(dT=0.056 s)较出口处有所下降。中心回流区内(x/d=0.75,r/d=0.38)瞬时速度如图3(a),速度呈低频脉动,频率只有7.1 Hz,脉动速度均方值较主流区小得多为4.2 1112/S2,回流区内气流速度较低,主要为湍流脉动强度较小、脉动频率低的大尺动频率与回流区内相近为7.0 Hz,由于此处为气流负速度向正速度转化存在高剪切速度梯度的区域,气流时均流速比较回流区内还要小,但湍流脉动强度有所提高,气流湍流度加大,具有较强的热质交换能力。在旋转射流边界附近(x/d=0.75,r/d=1.13)测得瞬时速度如图3(c),射流接近静止的环境流体,卷吸速度小,脉动频率在5.05 Hz左右,由于速度剪切层的作用湍流动能的数值较高,而时均速度较小,湍流度相当高。在射流边界处测得平坦因子Ki为4.035,偏斜因子Sl为1.24。鉴于主流区的平坦因子一般为3.0左右,且平坦因子与湍流间歇因子成反比,在射流边界处的湍流流动具有较小的间歇因子。随机量为高斯正态分布时偏斜因子为0,因此射流边界处的气流瞬时速度概率密度函数较大地偏离高斯分布。

3.2流场内偏斜因子和平坦因子的的测量结果

    在射流流动范围内测得脉动速度的偏斜因子Sl和平坦因子Ki的分布如图4,在燃烧机喷口处及下游主流区内Sl接近零,说明在速度较高、湍流能量大的区域,气流瞬时速度呈均匀随机脉动,其概率密度函数接近于高斯正态分布。而在中心回流区内Sl偏离零点较大,可见回流区内瞬时速度概率密度函数较大地偏离了高斯正态分布,为不对称分布。平坦因子Ki在回流区内和射流边界处数值较大,对于高斯随机场Ki=3.0,并且平坦因子Ki越大,气流中的间歇因子越小,湍流流动时间所占整个流动时间份额越小,因此在回流区内和射流边界附近均出现了湍流流动和层流流动交替出现的现象,在射流边界处径向距离越大层流流动所占时间份额越大。中心回流区内瞬时速度非高斯分布和湍流间歇的流动特性说明在复杂同轴旋转射流流场内出现某种相干拟序结构,这有利于湍流能量由含能的主流区向回流区内的径向传递,将有效提高回流区与主流区流体之间的湍流输运强度。

3.3流场内湍流强度的的测量缩果

    无因次脉动速度均方根值(rms)的分布和湍流度分布如图5。可见在回流区内和射流边界处湍流脉114动强度低,而在回流区边界附近和射流主流区处,由于存在较大的剪切速度梯度和气流拟序结构的交互作用,大量平均运动能量转化为湍流能量,使湍流脉动强度加强。r m,s在下游x/d=0.25~0.5范围内具有较高峰值,高脉动强度水平的区域沿径向不断扩展加宽其影响区域,同时其强度沿轴向逐渐提高。在轴向距离x/d=0.5之后由于湍流能量耗散和输运的作用,气流整体湍流能量逐渐衰减,  r m,s径向分布渐趋平坦。湍流度在组合射流出口中心回流区内具有200Vo以上的数值,这是在出口中心处由于存在中心钝体引起极小的回流速度所致,在下游回流速度有所提高,回流区内湍流度下降至50V0左右。主流区内气流时均速度高,出现了湍流度的极小值。而射流边界位置卷吸速度小,速度剪切用较大,形成了很高的湍流度水平。可见脉动速度均方根值和气流湍流度从不同方面反映了旋转射流流场内湍流能量的分布情况,利用无因次r m,s可以更清楚地反映整个流场内湍流脉动能量的产生、扩

散和衰减过程。新型旄流燃烧机在一次风管道内采用低阻力、高浓缩效率的环形百叶窗式生物质浓缩装置,将一次风生物质气流中心生物质颗粒浓度提高形成浓生物质气流,集中在接近中心回流区边界附近喷入,此区域内气流湍流脉动强烈、湍流能量由主流区向回流区内输运能力强,同时烟气温度高,生物质燃烧过程中传热、传质速度得以提高,湍流化学反应速度相应增加,这对促进生物质气流及时的着火和强化其燃烧反应过程具有重要意义。

4结  论

    由一维热膜风速仪对径向浓淡旋流生物质燃烧机冷态湍流流场内瞬时速度的测量结果,可得出以下几点结论:

    (1)在旋转射流主流区内,出口区域的气流湍流特性主要与出口气流旋流和混合情况有关,并具有某种拟序结构,下游湍流流动呈接近高斯分布均匀湍流脉动,平坦因子较小。

    (2)在中心回流区内和射流边界处,气流流动主要以脉动频率低、湍流能量小的大涡结构为主,瞬时速度分布较大偏离高斯分布,平坦因子高,湍流流动具有明显的间歇现象。中心回流区内气流流动出现较大时间份额的湍流间歇现象,有利于湍流能量由主流区向中心回流区内的湍流输运。

    (3)在旋转射流下游一定区域内(x/d=o.25~0.5),中心回流区边界附近,湍流脉动速度均方根rms值达到最大值,脉动水乎高的区域随射流发展而加宽并不断沿径向扩展,在此区域内其强度逐渐加强。湍流度在出口中心回流区内和射流边界处存在较大数值。湍流能量的这种分布特点,将强化浓生物质气流的着火和燃烧过程。

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点击次数:  更新时间:2018-07-20 22:20:33  【打印此页】  【关闭