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二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)火力大小的影響
摘 要：使用重整化群(RNG)-ASM模型。對生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口流場進(jìn)行了冷態(tài)數(shù)值模擬，研究了內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對生物質(zhì)燃燒機(jī)的流場分布、回流區(qū)大小、回流量和擴(kuò)展角的影響規(guī)律，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，獲得了比較一致的結(jié)果，為生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計和運(yùn)行提供了一定的理論基礎(chǔ)，并進(jìn)一步驗(yàn)證了RNG
 0前言
  加拿大毆W公司的生物質(zhì)燃燒機(jī)‘“21是目前在我國已運(yùn)行和在建的W型火焰爐中應(yīng)用的主要生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家之-生物質(zhì)燃燒機(jī)的主要技術(shù)是在雙調(diào)風(fēng)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家的基礎(chǔ)上增設(shè)了PAX裝置和煤粉濃縮裝置生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家結(jié)構(gòu)如圖1所示。噴口截面力圓形，一次風(fēng)為直流。沿一次風(fēng)周界送入的二次風(fēng)分為內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)。內(nèi)外二次風(fēng)均為旋流內(nèi)外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度可通過二次風(fēng)環(huán)形通道內(nèi)的可調(diào)葉片來調(diào)節(jié)，以保持適中的火焰長度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著火燃燒，提高負(fù)荷調(diào)節(jié)性能另外，在W型火焰爐設(shè)計和運(yùn)行中，如果對旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家的旋流強(qiáng)度和動量選擇不當(dāng)，則極易造成拱頂風(fēng)下沖深度不夠。提前轉(zhuǎn)彎。影響燃盡或者煙氣回流量過小，因而影響煤粉氣流的著火。
  由于旋流的存在，旋轉(zhuǎn)射流使得在軸向和徑向上都建立了壓力梯度，這兩個壓力梯度反過來又影響流場。在強(qiáng)旋轉(zhuǎn)下。旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)部建立了一個回流區(qū)這樣，旋轉(zhuǎn)射流不但從射流外側(cè)卷吸周圍介質(zhì)，而且還從內(nèi)回流區(qū)中卷吸介質(zhì)。在燃燒過程中，從內(nèi)、外回流區(qū)卷吸的煙氣對著火的穩(wěn)定性起著十分重要的作用。因此，合理的二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對于生物質(zhì)燃燒機(jī)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。
  對強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動的數(shù)值模擬，Abnjelala和Lil-ley在80年代中期開始用標(biāo)準(zhǔn)Kj模型模擬受隈強(qiáng)射流。但模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相去甚遠(yuǎn)，主要表現(xiàn)在：對回流區(qū)的預(yù)報不準(zhǔn)確?；亓鲄^(qū)過短。因而軸向速度，尤其在軸線處的軸向速度過大：切向速度的徑向分布不飽滿，軸線處的切向速度太??；湍流量的模擬分析欠缺 90年代以后，針對強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動的特性，研究者提出了不同的模型來模擬強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流魂較為成功的有張鍵周力行H1提出的新型代數(shù)應(yīng)力模型(N-ASM)，該模型反映了強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動的各向異性特點(diǎn)，其預(yù)報結(jié)果比K3模型有較大的改進(jìn)：還有口十盂琪陳義良的雙時間尺度模型，對表示湍流尺度的X方程作出了修正徐江榮陋_6。7將新型代數(shù)應(yīng)力模型與重整化群X7程相結(jié)合，提出了重整化群代數(shù)應(yīng)力模型(RNG—ASM)，其結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得較好，改善了新代數(shù)應(yīng)力模型的不足之處
  本文將應(yīng)用RNG-ASM模型針對加拿大Babcock&Wilcox公司的生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行冷態(tài)數(shù)值模擬。著重研究內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對PAX生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家的流場分布、回流區(qū)大小、回流量和擴(kuò)展角的影響規(guī)律，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。
1數(shù)學(xué)模型
  生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場的冷態(tài)模擬所用模型為重整化群fRNGl-ASM模型
  將代數(shù)應(yīng)力模型方程組改寫成統(tǒng)一形式，改寫過程基于以下幾點(diǎn)：
  (1)引進(jìn)3個新的渦粘系數(shù)xr，一力和一ex，以反映強(qiáng)旋流的各向異性特點(diǎn)
  (2)為了求解的穩(wěn)定性，引入偽擴(kuò)散渦粘系數(shù)一f，因此源項中出現(xiàn)偽擴(kuò)散項
  (31X方程仍使用RNGk-X模型中的形式
  (4)對湍能產(chǎn)生項按強(qiáng)旋轉(zhuǎn)湍流的特點(diǎn)進(jìn)行簡化代數(shù)應(yīng)力模型的統(tǒng)一形式為：
2試驗(yàn)系統(tǒng)和測量方法
2.1試驗(yàn)系統(tǒng)
  試驗(yàn)所用生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家為本實(shí)驗(yàn)室所建W型火焰熱態(tài)試驗(yàn)爐上所采用的生物質(zhì)燃燒機(jī)，由加拿大Babcbck&Wilcox公司設(shè)計，北京B&W公司制
  圖2所示為PAX燃嬈器的冷模試驗(yàn)臺系統(tǒng)圖。從風(fēng)機(jī)來的一、二次風(fēng)經(jīng)管道、調(diào)節(jié)風(fēng)rl.流量計等裝置后進(jìn)入生物質(zhì)燃燒機(jī)
2.2測量方法
  在生物質(zhì)燃燒機(jī)冷態(tài)試驗(yàn)中，用標(biāo)準(zhǔn)三孔探針測量生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家出口的軸向速度和切向速度。詳細(xì)研究生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場的特性，包括射程回流區(qū)大／J＼回流寬度射流擴(kuò)展角和回流量等
  三孔探針測量的是壓差和角度，氣流合速度
 2.3測點(diǎn)布置
  由于生物質(zhì)燃燒機(jī)出口為軸對稱因此。只測量出口流場中水平中心截面的二維流場。距噴口每隔lOcm測量一個垂直截面。
3計算結(jié)果與討論
3.1流場分布特征
  前蘇聯(lián)中ACePaHT和BⅡ．ycTmveKO等人對共軸旋轉(zhuǎn)射流復(fù)雜的相互作用進(jìn)行了研究哆1，認(rèn)為：旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家復(fù)雜的組合射流?；旧先Q于共軸外射流發(fā)展的規(guī)律而不旋轉(zhuǎn)的內(nèi)部氣流從燃燒器流出時，內(nèi)射流由于與外部旋轉(zhuǎn)射流發(fā)生紊流交換而被帶動旋轉(zhuǎn)，這將削弱射流的旋轉(zhuǎn)度，引起射流軸線上的回流速度下降在對PAX燃燒器出口流場的數(shù)值模擬中也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。改變內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時，流場變化較大，如圖3和圖4所示當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較小時，PAX燃燒器出口流場回流區(qū)消失（圖3），流線水平，射流擴(kuò)展角也較小，呈現(xiàn)近似直流射流的特征隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場逐步呈現(xiàn)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家的特征，流場中心出現(xiàn)回流區(qū)，且回流區(qū)大小隨內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大而增大：同時，出口流場中的流線尾部也向上翹起：相應(yīng)地，射流擴(kuò)展角也隨之增大這一結(jié)果與冷模試驗(yàn)也基本符合
3.2回流區(qū)大小分析
  生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)二次風(fēng)為旋流，且旋流強(qiáng)度可調(diào)。內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度設(shè)計為可調(diào)的一個主要目的就是可通過調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)回流區(qū)的大小，從而使之適應(yīng)各種煤種。在燃用揮發(fā)份較高的煤種時，調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，使回流區(qū)變小。從而不易燒壞噴口。當(dāng)煤種揮發(fā)份較低時，煤粉顆粒不易著火，需要更多的回流煙氣來加熱煤粉顆粒，這時可調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，使回流區(qū)變大，增加回流量，從而使煤粉顆粒易于著火。
  圖5所示為在不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下，生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場的回流區(qū)大小變化情況從圖上可以看出：當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較小時?；亓鲄^(qū)消失。隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，回流區(qū)形基本不變，而長度和最大寬度都隨之增大回流區(qū)長度和最大寬度的計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比如圖6所示。從圖中可以看出：在內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較大時，回流區(qū)長度隨內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增加而增勢變慢，且最大回流區(qū)寬度則變化不大這是因?yàn)樵谏镔|(zhì)燃燒機(jī)中，外二次風(fēng)射流占優(yōu)勢，二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對出口流場的影響要受到外二次風(fēng)旒流強(qiáng)度制約。
算所得的最大回流區(qū)寬度與試驗(yàn)值的趨勢是一致的，但數(shù)值偏低對于強(qiáng)旋流的數(shù)值模擬一直是比較困難魄雖然RNG-ASM模型較N-ASM和標(biāo)準(zhǔn)K-X模型有了非常大的改善，但與試驗(yàn)也存在著一定的差距。參考文獻(xiàn)[9]對三者進(jìn)行了細(xì)致的比較。RNG-ASM對回流區(qū)的長度和寬度的預(yù)報優(yōu)于后2個模型，尤其是對回流區(qū)的長度的預(yù)報，但回流區(qū)寬度的計算值與本文一樣，低于試驗(yàn)值。因此RNG-ASM模型還需要進(jìn)一步的優(yōu)化
  ①．A．CePmT和B.II．ycTmveKO的試驗(yàn)也證實(shí)，在雙股共軸旋轉(zhuǎn)射流中，當(dāng)內(nèi)射流的旋流強(qiáng)度Kl由0變?yōu)?.35時。加大內(nèi)射流的旋流度，對回流區(qū)大小影響明顯，回流區(qū)顯著變長。但當(dāng)Kl進(jìn)一步增大到455時’苴對射流回流區(qū)大小的影響大大減/J\.
  以上的試驗(yàn)結(jié)果說明：通過調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度來改變回流區(qū)大小，在內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較低時，是切實(shí)可行的。但這一調(diào)節(jié)手段受到一定制約。當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較大時。其對回流區(qū)大小已基本不能調(diào)煢
3.3回流量分析
  煤粉氣流從生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家噴出后，其著火的一個主要熱源就是高溫回流煙氣，回流區(qū)的大小對高溫回流煙氣量有一定影響。但最直觀。準(zhǔn)確地判定煤粉顆粒難易的一個芙鍵指標(biāo)就是高溫?zé)煔饣亓髁?。通過調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)回流區(qū)大小，其目的也就是調(diào)節(jié)回流煙氣量
  計算所得的回流量與試驗(yàn)值的比較如圖7所示從圖上可以看出：同試驗(yàn)值一樣，計算所得的回流量隨內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大而增大。在低內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時，旋流強(qiáng)度的變化對回流量的影響較大；但當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較大時。旋流強(qiáng)度的變化對回流量的影響減弱。這是因?yàn)樵诟邇?nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度時，回流區(qū)的長度和寬度受外二次風(fēng)的制約。而變化不大，從而導(dǎo)致了其影響作用的降低
  當(dāng)內(nèi)旋流強(qiáng)度(Kl)為0和0.618時，計算值與試驗(yàn)值相差不大，但當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度(Kl)為1.27時，計算所得的回流量為195，較試驗(yàn)值220偏小。造成這種情況的原因是由于計算所得的回流區(qū)最大寬度和長度在此工況下較試驗(yàn)值偏小的緣故
3.4擴(kuò)展角分析
  在采用旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家時。為保證鍋爐安全運(yùn)行，不燒壞設(shè)備，不引起爐內(nèi)結(jié)渣，這就要求生物質(zhì)燃燒機(jī)廠家的氣流擴(kuò)展角不能太大，盡量避免產(chǎn)生開式回流區(qū)及飛邊現(xiàn)象和過短的旋轉(zhuǎn)射程，以防止火炬貼壁另一方面，過小的射流擴(kuò)展角又會造成回流量不夠，以致影響煤粉顆粒的著犬
  對直流射流來說，其射流擴(kuò)展角一般只與噴口幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，且較/J\o而對旋轉(zhuǎn)射流來說，其擴(kuò)展角除與噴口的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與其他因素有關(guān)。 N．A．Chigier和AChervinsky[10‘+~出：旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角與射流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度Kl成一次線性關(guān)系
  在不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下，射流擴(kuò)展角的計算值和試驗(yàn)值的比較示于圖8與冷模試驗(yàn)一樣，當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較小時，氣流擴(kuò)展角隨內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增加而迅速增加：在內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度較大時。氣流擴(kuò)展角基本不隨內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度變化而變化這種趨勢與N.A．Chigier和A．Chervinsky的單股旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角與旋動力 工程流強(qiáng)度的關(guān)系不一致這主要是因?yàn)楣草S射流，基本取決于共軸外射流發(fā)展的規(guī)律。在內(nèi)射流