一次風(fēng)擴(kuò)口角對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)影響的數(shù)值模擬
摘要：為了改進(jìn)燃燒器設(shè)計(jì)，提出了一次風(fēng)擴(kuò)口角度改變對(duì)同軸生物質(zhì)燃燒機(jī)影響的數(shù)值模擬方法．該方法采用重整化群RNG*e雙方程湍流模型，針對(duì)燃燒器出口區(qū)域冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過比較生物質(zhì)燃燒機(jī)不同一次風(fēng)擴(kuò)口角度情況下，回流區(qū)尺寸的變化和流場(chǎng)分布規(guī)律．結(jié)果表嘰旋轉(zhuǎn)射流軸向速度受一次風(fēng)擴(kuò)口角變化影響不大|其切向速度在旋流外圍服從擬等勢(shì)旋渦規(guī)律和在旋流中心服從剛體旋轉(zhuǎn)規(guī)律；隨一次風(fēng)擴(kuò)口角度的增大，回流區(qū)徑向尺寸絕對(duì)增大，軸向尺寸先增加后減小；一次風(fēng)擴(kuò)口角度的增大．引起徑向壓力梯度的增尢從而形成了多次回流區(qū)域的存在．
生物質(zhì)燃燒機(jī)出口空氣動(dòng)力學(xué)特性對(duì)強(qiáng)化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合、穩(wěn)定燃燒有一定的影響．燃燒器幾何結(jié)構(gòu)是燃燒器出口空氣動(dòng)力學(xué)特性的影響因素之一．在文獻(xiàn)『1，2]中，曾利用標(biāo)準(zhǔn)的培￡雙方程湍流模型對(duì)燃器幾何尺寸與回流區(qū)的關(guān)系進(jìn)行了研究，獲得的結(jié)果雖然可以近似模擬旋流流場(chǎng)，但需要進(jìn)一步的修正．Yakhot等人‘31把重整化群( renormalization group，RNG)方法引入到湍流研究中，建立了RNG圬￡湍流模型，通過應(yīng)用‘4】表明RNG圬￡湍流模型比傳統(tǒng)模型有若干優(yōu)越性和發(fā)展?jié)摿Γ畤鴥?nèi)也有人把此模型應(yīng)用于分離流、旋流等的計(jì)算[sq，都得到了較好的結(jié)果．本文采用RNG x;e雙方程湍流模型研究了燃燒器回流區(qū)的內(nèi)部流場(chǎng)分布和燃燒器的幾何參數(shù)對(duì)它的影響．
1 燃燒器結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型
以某油田注汽鍋爐共軸同向生物質(zhì)燃燒機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖1，中心為燃料噴卡A，-、二次風(fēng)管出口布置有軸向旋流葉片，一次風(fēng)管內(nèi)徑為133 mm、外徑為346. 63 mm,二次風(fēng)管外徑Dz為585 mm．出口采用擴(kuò)錐擴(kuò)口長(zhǎng)度100 mm，本文研究當(dāng)一次風(fēng)擴(kuò)口角采用200、400、600和800時(shí)的冷態(tài)回流區(qū)特性．
計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，用RNG M￡雙方程湍流模型計(jì)算湍流流場(chǎng)，壓力速度耦合用SIM PLE算法．
2計(jì)算結(jié)果及分析
2.1擴(kuò)口角度對(duì)速度的影響
數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖2～5所示，在燃燒器出口由于擴(kuò)口的存在，一、二次風(fēng)被隔開，燃燒器出口截面軸向速度曲線呈現(xiàn)雙峰形狀，隨射流的發(fā)展，在軸向距離達(dá)0. 33D2之后，一、二次風(fēng)混厶，軸向速度曲線變光滑．由于旋轉(zhuǎn)射流的特點(diǎn)，在射流出口位置存在回流，并沿軸向和徑向逐漸發(fā)展，在軸向距離為1_ 67D2處，回流區(qū)結(jié)束．此時(shí)，燃燒器4種擴(kuò)口角度產(chǎn)生的射流軸向速度差別不大，說明射流軸向速度最終值受一次風(fēng)擴(kuò)口角度的影響不是很大．旋轉(zhuǎn)流體的切向速度峰值從燃燒器出口開始，隨著軸向距離的增加，逐漸向軸心靠攏并衰減，表明其旋轉(zhuǎn)變化是從開始的一、二次風(fēng)兩股氣流旋轉(zhuǎn)，發(fā)展為相互混合和交換動(dòng)量后的整體旋流，然后衰減，變?yōu)橹行男D(zhuǎn)強(qiáng)、周圍旋轉(zhuǎn)弱的旋流形式，在經(jīng)過一定的軸向距離后，旋轄逐漸消失，旋流后期混合效果較弱．從切向速度的變化發(fā)現(xiàn)，隨著回流區(qū)的結(jié)束，旋流流場(chǎng)分為兩個(gè)區(qū)域：服從擬等勢(shì)旋渦規(guī)律的外圍區(qū)域，其切向速度隨半徑的增加而降低，即：ve．，一const,服從剛體旋轉(zhuǎn)規(guī)律的準(zhǔn)剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)，其切向速度與半徑的關(guān)系為．
2.2擴(kuò)口角度對(duì)回流區(qū)的影響
當(dāng)擴(kuò)口角度為20”時(shí)，回流區(qū)短而細(xì)，如圖2所示，從圖可見，其軸向速度峰值不大，切向速度在徑向衰減快，回流區(qū)直徑約為0. 35D2，這樣的回流區(qū)不論是穩(wěn)燃或是預(yù)熱都難以滿足要求，當(dāng)一次風(fēng)擴(kuò)口角度增大為40”時(shí)，如圖3所示，回流區(qū)變長(zhǎng)變寬軸向速度峰值明顯增大，切向速度相應(yīng)提高；分析原因在于增大一次風(fēng)擴(kuò)口角度后，二次風(fēng)射流出口的有效截面積減少，氣流的出口速度獲得一定程度的提高，射流剛性增加，維持其旋轉(zhuǎn)的能力相應(yīng)增加；但由于速度分解，一次風(fēng)軸向出口速度變小，徑向速度變大，綜合一、二次風(fēng)的變化，射流整體在徑向動(dòng)量增大，克服逆向壓力梯度的能力增強(qiáng)，體現(xiàn)為回流區(qū)半徑變寬；在軸向，由于二次風(fēng)動(dòng)量的增加效果強(qiáng)于一次風(fēng)的動(dòng)量減少效果，流體克服軸向逆向壓力梯度的總能力增強(qiáng)，結(jié)果是回流區(qū)變長(zhǎng)．當(dāng)一次風(fēng)擴(kuò)口角進(jìn)一步增大為6 00和80。日寸，如圖4、5所示，可以確定的一點(diǎn)是徑向速度進(jìn)一步增大，克服徑向逆向壓力的能力加強(qiáng)，回流區(qū)變得更寬，回流區(qū)直徑可達(dá)1_ 2,D2．在軸向，一次風(fēng)動(dòng)量衰減，而二次風(fēng)動(dòng)量增加，二者相互作用的結(jié)果是流體軸向動(dòng)量克服逆向壓力梯度的能力減弱，所以回流區(qū)在長(zhǎng)度方面略有縮短；另外，擴(kuò)口角度增大，加強(qiáng)了氣流的擴(kuò)展，使得中心區(qū)域負(fù)壓梯度加大，徑向的氣流卷吸效果增強(qiáng)，這樣就勢(shì)必消弱了軸向的回流，這是回流區(qū)長(zhǎng)度減小的又一個(gè)原因，因此一次風(fēng)擴(kuò)口角度的增加，引起了徑向動(dòng)量的絕對(duì)增加，形成較寬的回流區(qū)，而軸向動(dòng)量由于一、二次風(fēng)的綜合作用，先增加、后下降，使得回流長(zhǎng)度體現(xiàn)為先增長(zhǎng)、后縮短．所以，通過改變擴(kuò)口角度來加強(qiáng)回流區(qū)大小應(yīng)該考慮一個(gè)限值，選用長(zhǎng)而寬的回流區(qū)可以在熱態(tài)時(shí)提高回流氣溫度，增大回流量并提高回流區(qū)熱容量，強(qiáng)化煤粉氣流的著火．在燃燒器設(shè)計(jì)中要考慮一次風(fēng)擴(kuò)口角度的值．
2.3多個(gè)回流區(qū)存在現(xiàn)象
在軸向速度曲線圖上，隨著擴(kuò)口角度的增大，發(fā)現(xiàn)有多個(gè)內(nèi)部回流區(qū)域存在，見圖4、5，當(dāng)軸向速度在出口軸向距離為0. 33D2時(shí)，出現(xiàn)軸心的正值，說明一個(gè)小回流區(qū)的結(jié)束，此后，軸向遽度再次變負(fù)，說明另外一個(gè)回流區(qū)的產(chǎn)生，這一現(xiàn)象的存在是由于一次風(fēng)擴(kuò)口角度的增大，增強(qiáng)了氣流的擴(kuò)展效果，使得回流區(qū)梯度增大，卷吸氣流的能力增強(qiáng)，在燃燒器出口，形成了氣流的回流，此時(shí)卷的是一次風(fēng)，徑向氣流的卷吸效果強(qiáng)于軸向卷吸．此后，射流發(fā)展，軸向逆向壓力梯度的增強(qiáng)引起了軸向氣流的卷吸，形成了再一次的回流發(fā)生，這次回流是軸向和徑向氣流共同參與的結(jié)果，
3 結(jié)論
(1)旋轉(zhuǎn)射流軸向速度受一次風(fēng)擴(kuò)口角變化影響不大，其切向速度在旋流外圍服從擬等勢(shì)旋渦規(guī)律和在旋流中心服從剛體旋轉(zhuǎn)規(guī)律．
(2)隨一次風(fēng)擴(kuò)口角度的增大，回流區(qū)徑向尺寸絕對(duì)增大，軸向尺寸先增加后減小．考慮熱態(tài)燃燒時(shí)，穩(wěn)燃和加熱的需要，燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮一個(gè)一次風(fēng)擴(kuò)口角度．
(3) -次風(fēng)擴(kuò)口角度的增大，引起徑向壓力梯度的增大，從而形成了多次回流區(qū)域的存在．它對(duì)于分段加熱，減少溫差熱損失是有利的。
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