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行业知识

旋流生物质燃烧机气体流场的数学模型

旋流生物质燃烧机气体流场的数学模型

    本文描述了双股共辅旋流生物质燃烧机气体流场的数学模型。应用本模型可以进行燃烧器气体流场的轴向速度分量、切向速度分量及负压的数值计算,而且计算结果与实验值比较吻合。还论述了用本模型计算的一、二次风质量比m:/m,对流场的影响,并获得有应用价值的结果。

    T。概述

    根据我国当前的能源构成、能源政策以及技术条件,煤粉燃烧是直接烧煤的有效方法。在以往的研究中C1---3J,证明生物质燃烧机所提供的流场动力特性对煤粉的燃烧影响极大,对炉窑的温度分布、加热质量、煤的燃尽度及煤耗等都产生直接的决定性作用。以往的研究主要是通过对生物质燃烧机所形成的流股进行冷、热态模型试验,研究分析流股流场的特点。这种方法的主要优点是,研究的结论比较接近实际,怛投资较多,实验量较大,且有一定局限性。

    随着电子计算技术及流体力学中湍流数学模型的发展,国内外对旋流燃烧器流股流场的数学模型计算越来越重视。自70年代末以来,在这方面已取得可喜的进展C4—9J。作者在前人工作的基础上,对不带稳焰器的双睃同心旋流生物质燃烧机的流场空气动力特性进行了数学模型的数值计算。为了验证数值计算的可靠性,还进行了实验研究。本研究的目的是试图通过计算预测燃烧器流股的动力特性,减少实验工作量及设计计算工作量。

    2.鼓学模型及边界条件

    用于数值计算的旋流生物质燃烧机的物理模型如图1所示。用于模型计算的介质——一、二次风均为常温空气,一次风为不旋转气流。由于旋流器的作用,在燃烧器出口处,二次风变成旋流数S>0.6的强旋转流股。通过调节一、二次空气流匿比来调节燃烧器出口处的旋流数和一、二次风空气出口的质量比。此燃烧器的综合旋流数为:

    所要模拟的流场具有以下特点:流场为冷稳态的定常运动;介质为常温不可压缩的空气;质量力忽略不计;流动为轴对称。

    本模型的空间坐标是z、,.圆柱坐标。用此模型可以解出以下四个变量的分布:轴向速度分量,径向速度分量,切向速度分量和轴向负压分量。

    本研究中采用的是Laun(Icr和Spalclirig改进的Harlaw和Na,kayman晌K一£湍流模型。利用这一湍流模型米求解两个湍流脉动特性的微分方程:脉动动能方程和脉动能耗·弱’散率方程。这两个方程如下:

    燃烧器数学模型的计算区域见图2。

    在计算过程中,给出五个边界条件:入口、壁面Bi、出口日:、外边界Bs及中心轴线。实验证明,流场的入口取抛物线型分布更接近实际。在壁面Bi处没有气流运动,湍流脉动为零,即埘,-w,=wo -K=8:0。由实验可知,当出口断面于L=x/D:=10时,已远离流场的回流区,有关参数的变化率已等于零。对于外边界B。,取R=r/D2 =4.5时,有关参量的径向变化率已等于零。流场流动为轴对称。

    上述燃烧器流场的数学模型是二维偏微分方程,在数学上用纯分析法很难求解。必须将其变成有限差分方程,然后编成计算机程序,由计算机求解。为证实本模型的可靠性和实用性,作者将数值计算结果和实测结果进行了比较。

    3.计算结果与实测结果的比较

    计算和实验时所采用的参数值如下:Sl=0,  S2= 1.0,  Sl:= 0.5,m2/m1=2.3,Wx 2/W:l=1.0。其中卅l、卅2分别为一、二次风的质量流量;叫。.、删,:分别为一、二次风的轴向速度平均值。

    计算结果和实验结果的对比曲线示于图3~5。图中只画出纵坐标右边的部分,左边部分没有标出。

    图3表示轴向速度变化规律,总体来看,计算和实验结果比较吻合。在绝对值上,两曲线之间有偏差,最大差值不大干20%。

    图4表示切向速度变化情况,两者吻合得较好。流场中心是速度为零的涡核区,中心附近出现峰值,然后逐渐降到零。

    图5表示流场的压力变化曲线。两者基本相符。中心负压最大,即抽力最大,距离中心越远,负压越小。由图可见,实验值普遍比计算值要高一些,另外,当x/D2<1.O时,在实验曲线离中心不远处,在两个测量截面上(X/D2 =0.65,X/D2 =0.95)出现小的倒马鞍形分布,这是由于这些测量点处于流场回流区的中心,中心负压最大。

    两曲线出现偏差的原因,一是燃烧器实验模型的加工和安装等不完全对称,二是数学模型中应用的修正K一8双方程湍流模型,没有考虑强旋流时介质各向异性湍流粘性系数的影响。

    4.燃烧暑热工参数对流场特性的影响

    作者所研究的是双股共轴旋流煤粉燃烧器,其流场的空气动力特性必然受到一、二次风的质量流量比值的重要影响。利用已建立的流场数学模型对此影响参数进行了计算。计算时采用三种质量比,即t:/,,1.分别为1.85、2.3和3.()。计算结果示于图6~8。

    不旋转的一次风(S.=0)在出口处是被强烈旋转的二次风带动旋转的,因此,一、二次风质量流量之比值必然直接影响到流场的速度分布和压力分布。

    由图6看出,当质量比由小变大时(rI1.85堵大到3.0),轴向速度的峰值虽有些降低,但其峰值距中心较远,另外,在曲线的中心区,速度减小,这两个现象都说明,流场的回流区扩大了,回流量增加了。这对煤粉的稳定燃烧及提高燃尽度大有好处。

    回流区扩大的直接原因是,二次风流懿的相对增加,提高了燃烧器的总旋流数(见式( 2》,这已为前人的研究结果所证明clo)。

    由图8所示,一、二次风质量比提高后,流场的负压水平普遍有所提高。

    总之,当一、二次空气的质.镀流量的比值提高时,轴向速度峰值远离流场中心、切向速度提高、负压水平普遍增加,这些都促使流场的低压回流区扩大,回流量增加,对煤粉的点火及正常燃烧很有利。

    5.结论

    5-1应用双股共轴旋流流场的数学模型,可用于强旋流流场动力特性的计算。从计算精度看,它基本能满足较复杂的湍流流场的计算要求,减少了燃烧器设计计算的工作量和设计的盲目性,缩减了繁杂的冷态流场的模化试验。

    5·2用本模型进行的数值计算结果表明,在一次风旋流数Si-0的情况下,提高气流的比值(m:/mi)时,流场的回流区及回流量增加,这对稳定燃烧,提高燃料燃尽度是很有利的。

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点击次数:  更新时间:2018-08-18 21:08:00  【打印此页】  【关闭