一次风扩口角对生物质燃烧机影响的数值模拟
摘要：为了改进燃烧器设计，提出了一次风扩口角度改变对同轴生物质燃烧机影响的数值模拟方法．该方法采用重整化群RNG*e双方程湍流模型，针对燃烧器出口区域冷态流场进行数值模拟，通过比较生物质燃烧机不同一次风扩口角度情况下，回流区尺寸的变化和流场分布规律．结果表叽旋转射流轴向速度受一次风扩口角变化影响不大|其切向速度在旋流外围服从拟等势旋涡规律和在旋流中心服从刚体旋转规律；随一次风扩口角度的增大，回流区径向尺寸绝对增大，轴向尺寸先增加后减小；一次风扩口角度的增大．引起径向压力梯度的增尢从而形成了多次回流区域的存在．
    生物质燃烧机出口空气动力学特性对强化燃料的着火和燃烧、加速燃料和空气的混合、稳定燃烧有一定的影响．燃烧器几何结构是燃烧器出口空气动力学特性的影响因素之一．在文献『1，2]中，曾利用标准的培￡双方程湍流模型对燃器几何尺寸与回流区的关系进行了研究，获得的结果虽然可以近似模拟旋流流场，但需要进一步的修正．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，通过应用‘4】表明RNG圬￡湍流模型比传统模型有若干优越性和发展潜力．国内也有人把此模型应用于分离流、旋流等的计算[sq，都得到了较好的结果．本文采用RNG x;e双方程湍流模型研究了燃烧器回流区的内部流场分布和燃烧器的几何参数对它的影响．
1  燃烧器结构和数学模型
    以某油田注汽锅炉共轴同向生物质燃烧机为研究对象，结构如图1，中心为燃料喷卡A，-、二次风管出口布置有轴向旋流叶片，一次风管内径为133 mm、外径为346. 63 mm,二次风管外径Dz为585 mm．出口采用扩锥扩口长度100 mm，本文研究当一次风扩口角采用200、400、600和800时的冷态回流区特性．
    计算域采用非结构性网格，用RNG M￡双方程湍流模型计算湍流流场，压力速度耦合用SIM PLE算法．
2计算结果及分析
2.1扩口角度对速度的影响
    数值模拟计算结果如图2～5所示，在燃烧器出口由于扩口的存在，一、二次风被隔开，燃烧器出口截面轴向速度曲线呈现双峰形状，随射流的发展，在轴向距离达0. 33D2之后，一、二次风混厶，轴向速度曲线变光滑．由于旋转射流的特点，在射流出口位置存在回流，并沿轴向和径向逐渐发展，在轴向距离为1_ 67D2处，回流区结束．此时，燃烧器4种扩口角度产生的射流轴向速度差别不大，说明射流轴向速度最终值受一次风扩口角度的影响不是很大．旋转流体的切向速度峰值从燃烧器出口开始，随着轴向距离的增加，逐渐向轴心靠拢并衰减，表明其旋转变化是从开始的一、二次风两股气流旋转，发展为相互混合和交换动量后的整体旋流，然后衰减，变为中心旋转强、周围旋转弱的旋流形式，在经过一定的轴向距离后，旋辖逐渐消失，旋流后期混合效果较弱．从切向速度的变化发现，随着回流区的结束，旋流流场分为两个区域：服从拟等势旋涡规律的外围区域，其切向速度随半径的增加而降低，即：ve．，一const,服从刚体旋转规律的准刚体旋转区，其切向速度与半径的关系为．
2.2扩口角度对回流区的影响
    当扩口角度为20”时，回流区短而细，如图2所示，从图可见，其轴向速度峰值不大，切向速度在径向衰减快，回流区直径约为0. 35D2，这样的回流区不论是稳燃或是预热都难以满足要求，当一次风扩口角度增大为40”时，如图3所示，回流区变长变宽轴向速度峰值明显增大，切向速度相应提高；分析原因在于增大一次风扩口角度后，二次风射流出口的有效截面积减少，气流的出口速度获得一定程度的提高，射流刚性增加，维持其旋转的能力相应增加；但由于速度分解，一次风轴向出口速度变小，径向速度变大，综合一、二次风的变化，射流整体在径向动量增大，克服逆向压力梯度的能力增强，体现为回流区半径变宽；在轴向，由于二次风动量的增加效果强于一次风的动量减少效果，流体克服轴向逆向压力梯度的总能力增强，结果是回流区变长．当一次风扩口角进一步增大为6 00和80。日寸，如图4、5所示，可以确定的一点是径向速度进一步增大，克服径向逆向压力的能力加强，回流区变得更宽，回流区直径可达1_ 2,D2．在轴向，一次风动量衰减，而二次风动量增加，二者相互作用的结果是流体轴向动量克服逆向压力梯度的能力减弱，所以回流区在长度方面略有缩短；另外，扩口角度增大，加强了气流的扩展，使得中心区域负压梯度加大，径向的气流卷吸效果增强，这样就势必消弱了轴向的回流，这是回流区长度减小的又一个原因，因此一次风扩口角度的增加，引起了径向动量的绝对增加，形成较宽的回流区，而轴向动量由于一、二次风的综合作用，先增加、后下降，使得回流长度体现为先增长、后缩短．所以，通过改变扩口角度来加强回流区大小应该考虑一个限值，选用长而宽的回流区可以在热态时提高回流气温度，增大回流量并提高回流区热容量，强化煤粉气流的着火．在燃烧器设计中要考虑一次风扩口角度的值．
2.3多个回流区存在现象
    在轴向速度曲线图上，随着扩口角度的增大，发现有多个内部回流区域存在，见图4、5，当轴向速度在出口轴向距离为0. 33D2时，出现轴心的正值，说明一个小回流区的结束，此后，轴向遽度再次变负，说明另外一个回流区的产生，这一现象的存在是由于一次风扩口角度的增大，增强了气流的扩展效果，使得回流区梯度增大，卷吸气流的能力增强，在燃烧器出口，形成了气流的回流，此时卷的是一次风，径向气流的卷吸效果强于轴向卷吸．此后，射流发展，轴向逆向压力梯度的增强引起了轴向气流的卷吸，形成了再一次的回流发生，这次回流是轴向和径向气流共同参与的结果，
3  结论
    (1)旋转射流轴向速度受一次风扩口角变化影响不大，其切向速度在旋流外围服从拟等势旋涡规律和在旋流中心服从刚体旋转规律．
    (2)随一次风扩口角度的增大，回流区径向尺寸绝对增大，轴向尺寸先增加后减小．考虑热态燃烧时，稳燃和加热的需要，燃烧器设计时要考虑一个一次风扩口角度．

    (3) -次风扩口角度的增大，引起径向压力梯度的增大，从而形成了多次回流区域的存在．它对于分段加热，减少温差热损失是有利的。

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