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旋流強(qiáng)度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近顆粒碰撞數(shù)的影響
摘 要：為了解決電站鍋爐爐膛結(jié)渣的問(wèn)題，研究了對(duì)結(jié)渣有重要影響的顆粒碰撞數(shù)受二次風(fēng)旋流強(qiáng)度影響的規(guī)律。利用相位多譜勒儀fPDA)測(cè)量了旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)模型出口流場(chǎng)。用以驗(yàn)證同工況下的計(jì)算結(jié)果，比較結(jié)果表明，氣流的平均速度在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口能很好地符合。在此基礎(chǔ)上徵值計(jì)算了不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的流場(chǎng)，并用隨機(jī)軌道模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行后處理，計(jì)算顆粒碰撞數(shù)。結(jié)果表明，顆粒碰撞數(shù)占總顆粒數(shù)比例很小。顆粒碰撞數(shù)與內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度大小成反比旋流強(qiáng)度大時(shí)，顆粒碰撞數(shù)小。
  近十幾年來(lái)。結(jié)渣數(shù)值模擬多應(yīng)用于直流燃燒器旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)中較少應(yīng)用[1-4]旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度對(duì)爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)特性有重要影響p引。進(jìn)而影響飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致影響顆粒與水冷壁面的碰撞研究旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度變化對(duì)顆粒碰撞數(shù)的影響。得出使顆粒碰撞數(shù)小的旋流強(qiáng)度，對(duì)減輕旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)出口結(jié)渣有重要意義o
  本文研究的生物質(zhì)燃燒機(jī)是一種雙調(diào)風(fēng)低N@旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示該生物質(zhì)燃燒機(jī)的一次風(fēng)和內(nèi)外二次風(fēng)都是旋流。一次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)通過(guò)蝸殼產(chǎn)生。內(nèi)外二次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生生物質(zhì)燃燒機(jī)中心通一股直流的三次風(fēng)f類似于其他生物質(zhì)燃燒機(jī)中的中心風(fēng)、
  本文先將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，符合較女子o然后用數(shù)值計(jì)算方法研究了不同二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)在此基礎(chǔ)上，用隨機(jī)軌道模型計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，并用UDF程序計(jì)算顆粒碰撞數(shù)。
1實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算
1.1實(shí)驗(yàn)測(cè)量
  實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括測(cè)量段、供風(fēng)系統(tǒng)和PDA測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)段頂部為內(nèi)徑200mm的軸向進(jìn)氣口，通向旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)模型喉部出口，模型尺寸是實(shí)際生物質(zhì)燃燒機(jī)尺寸的1／8實(shí)驗(yàn)段的測(cè)量體為總長(zhǎng)1.Sm，內(nèi)徑Im的圓筒，沿測(cè)量段軸線方向有寬380mm，厚度為20mm的光學(xué)玻璃作為光學(xué)窗口以便激光束的射入和接收供風(fēng)系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)分風(fēng)箱和連接管道
  用PDA測(cè)量了內(nèi)二次風(fēng)葉片開口為30%，外二次風(fēng)葉片開口為30殤的氣相流場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)中使用了焦距為800mm的鏡頭，易于測(cè)得中心處的速度。
  實(shí)驗(yàn)中采用煙霧發(fā)生器作為示蹤粒子發(fā)生器。示蹤粒子為水、乙二醇和丙二醇的混和油。由煙霧發(fā)生器加熱至氣態(tài)后噴入爐膛，PDA測(cè)得氣態(tài)混和油粒徑為7．弭m
  為了獲得比較明顯的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中采用較大的一次風(fēng)和二次風(fēng)風(fēng)速，其中一次風(fēng)管道速度為30m／s，二次風(fēng)管道速度為25m居
  實(shí)驗(yàn)中在軸向取8個(gè)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近的測(cè)量截面(h=40，60，80，120，160，200，240，280mm)，達(dá)些測(cè)量截面上沿徑向分別取20個(gè)測(cè)點(diǎn)。在二次風(fēng)出口速度變化大處，測(cè)點(diǎn)加密每個(gè)測(cè)點(diǎn)2min內(nèi)有效取樣為1000個(gè)數(shù)據(jù)
1.2數(shù)值計(jì)算
  計(jì)算域?yàn)樾魃镔|(zhì)燃燒機(jī)模型附近的水冷壁和爐膛區(qū)域根據(jù)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近的流場(chǎng)特性，采用二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)模擬該區(qū)域?yàn)榱说玫捷^好的收斂結(jié)果，對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)喉部壁面附近、水冷壁附近進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分。并采用模擬旋流結(jié)果最好的RealizableK{模‘81進(jìn)行計(jì)算計(jì)算工況與實(shí)驗(yàn)工況相同
2結(jié)果與討論
2.1計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證
  圖3為氣流的平均軸向速度和平均切向速度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比圖中x表示截面離生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的距離，R表示測(cè)點(diǎn)與中心線的距離，D表示燃燒器模型喉部直徑
  從平均軸向速度比較圖中可以看出，在所有截面，速度整體變化趨勢(shì)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值符合的非常好在前3個(gè)截面，軸向速度峰值大小和出現(xiàn)位置均相同。在后5個(gè)截面，實(shí)驗(yàn)值速度峰值稍小于計(jì)算值，出現(xiàn)位置比計(jì)算值接近中心軸線
  在進(jìn)行比較的截面，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值都表現(xiàn)出相同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。中心處均有回流區(qū)，這是由氣流的旋轉(zhuǎn)造成的氣流卷1及o外二次風(fēng)出口軸向速度達(dá)到最大值，這是由外二次風(fēng)的剛性馴起的。外二次風(fēng)出口沿徑向壁面方向，由于氣流的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)引起速度衰減劇烈，速度從最大值迅速降到接近零值
  從平均切向速度比較圖中可以看出，在所有截面，速度整體變化趨勢(shì)計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值符合的也很好類似平均軸向速度的比較。在前3個(gè)截面，切向速度峰值出現(xiàn)位置均相同，峰值大小很接近在后5個(gè)截面，實(shí)驗(yàn)值速度峰值稍大于計(jì)算值在外二次風(fēng)出口處切向速度達(dá)到最大值
  從比較結(jié)果可以看出，在前3個(gè)截面。不管是氣流軸向速度還是切向速度。計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合得很好，這是流場(chǎng)影響顆粒碰撞率的重要區(qū)域，接下來(lái)的數(shù)值計(jì)算將重點(diǎn)考察該區(qū)域的流場(chǎng)。計(jì)算值能提供精確的結(jié)果o后5個(gè)截面。速度變化趨勢(shì)定性符合誤差來(lái)源主要在于PDA對(duì)旋流的測(cè)量誤差和強(qiáng)旋流動(dòng)的湍流模型選取o盡管如此，數(shù)值計(jì)算已基本預(yù)報(bào)出旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近的流場(chǎng)特性，并可以用于工程實(shí)際問(wèn)題的分析。
2.2實(shí)際旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)數(shù)值模擬
  生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)對(duì)顆粒與水冷壁面的碰撞有重要影響計(jì)算與實(shí)驗(yàn)比較表明。在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口區(qū)域。計(jì)算結(jié)果有足夠的精確度。因此能用數(shù)值計(jì)算來(lái)預(yù)報(bào)實(shí)際生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)的情況，并研究二次風(fēng)不同旋流強(qiáng)度對(duì)流場(chǎng)的影口向通過(guò)計(jì)算顆粒碰撞率研究二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)結(jié)渣的影響。
2.2.1二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)的影響
  在二次風(fēng)流量和一次風(fēng)流量不變的情況下，研究了內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場(chǎng)的影口恕旋流強(qiáng)度的定義如下[引：
  K=8//rDp．  (1)其中：，是旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩，』=dq。wRsW緲是氣流的體積流量；w是氣流切向速度：R。是旋轉(zhuǎn)氣流的旋轉(zhuǎn)半徑；D是生物質(zhì)燃燒機(jī)喉部直徑；p是軸向動(dòng)量矩，p=
  圖5給出了生物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度各個(gè)工況平均軸向速度和平均切向速度的比較圖中x表示截面離生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的距離，尺為徑向距離，D表示生物質(zhì)燃燒機(jī)喉部直徑
  內(nèi)外二次風(fēng)和一次風(fēng)的入口邊界軸向速度依據(jù)  從圖中比較可以看到，內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度大時(shí)，電廠現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)設(shè)定分別為30m／s25m／ 中心回流區(qū)尺寸和回流量大。二次鳳出口軸向速度s和25.6qm／s。切向速度依據(jù)不同的旋流強(qiáng)度K 和切向速度峰值尢并且近壁面的回流區(qū)也
 2.2.2顆粒碰撞數(shù)計(jì)算
  在流場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上。采用顆粒隨機(jī)軌道模型進(jìn)行顆粒軌跡的求解和碰撞統(tǒng)i，+o顆粒軌道模型在二維流場(chǎng)中已經(jīng)有非常成功的計(jì)算效率和結(jié)果o統(tǒng)計(jì)顆粒碰撞數(shù)所需的顆粒軌道數(shù)目由以下因素確定¨叫：水冷壁網(wǎng)格數(shù)目70。假定必須要有一個(gè)顆粒碰到壁面才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則最少需要70條顆粒軌道，也即70個(gè)顆粒，再假定平均每5個(gè)顆粒才會(huì)有一個(gè)顆粒碰到壁面和需要有10組不同粒徑的顆粒。則總共所需的顆粒軌道數(shù)為3500，即被統(tǒng)計(jì)的顆?？倲?shù)為3500個(gè)。
  為統(tǒng)計(jì)方便，用程序?qū)⑺浔谔幚沓蔀轭w粒一碰到壁面就被吸收的邊界條件在后續(xù)的研究中，將在顆粒碰撞數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮更多的影響顆粒粘附壁面的因素，如顆粒粘度、入射速度和角度等來(lái)改進(jìn)該程序，用以更精確地計(jì)算結(jié)渣率
  從圖中可以看出，顆粒碰撞數(shù)隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的逐漸增大而逐漸減/J、旋流強(qiáng)度為0.5時(shí)的顆粒碰撞數(shù)是旋流強(qiáng)度為1.7時(shí)的4倍o這是因?yàn)榇蟮男鲝?qiáng)度產(chǎn)生大的卷吸，顆粒多集中于中心回沆區(qū)。整體而言，顆粒碰撞數(shù)占總顆粒數(shù)的比例很小，最大顆粒碰撞數(shù)占總顆粒數(shù)的碭。從圖5中可以看出，水冷壁面附近氣體軸向速度非常小，并且切向速度非常大。這就阻止了顆粒向壁面的運(yùn)動(dòng)，這是導(dǎo)致顆粒碰撞數(shù)普遍較低的原因。
3結(jié) 論

  本文用PDA測(cè)量了旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)模型出口的流場(chǎng)，驗(yàn)證了同工況下數(shù)值計(jì)算的流場(chǎng)比較結(jié)果表明，在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口區(qū)域，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合地較好，能用RealizableK趣湍流模型研究其他工況下同區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)。

生物質(zhì)氣化站，598jx