木粉燃燒機冷態流動特性的實驗研究
摘要：利用IFA300型二維恒溫熱線風速儀系統對雙旋流氣體燃燒器模型的冷態流場進行了實驗研究，測量了流場內不同位置瞬時速度分布及湍流強度特性。研究表明，該燃燒器能夠組織合理的空氣動力場，對負荷變化有較好的適應性。對比不同擴口結構下的流場，發現安裝一定結構的縮放擴口可以更好地促進燃料穩定、高效、清潔燃燒。異向旋轉射流不利于燃料與空氣的均勻混合，還會使回流區長度大大縮短，在設計燃燒器時應避免這種結構。
1  引  言
    旋流燃燒器具有穩定、高效、清潔燃燒的特點，而且結構簡單，具有良好的負荷適應能力，因此從20世紀70年代起受到了越來越多的制造商及發電企業的重視和青睞[1]，
    國內外很多學者利用多種測量儀器和實驗方法對各種類型旋流燃燒器的空氣動力場進行了大量的研究：Dix on等人利用五孔探針研究了一次風不同旋流強度下旋轉射流的流動特性舊。Vu等人利用球型五孔探針和一維恒溫熱線風速儀測量了同軸共向和反向旋轉組合射流的時均流場及湍流特性參數舊，發現了這兩種流動結構湍流能量的分布規律。李爭起利用相位多普勒激光測速儀(PDA)在徑向濃淡流煤粉燃燒器上研究了齒形中心擴口對氣固兩相流場的影響H，得出了此結構下顆粒濃度的分布規律。周屈蘭利用雙通道熱線風速儀對兩種徑向濃淡燃燒器的空氣動力場特性和燃燒過程進行了詳細的實驗研究，并建立了分別與之對應的數學模型。
    氣體旋流燃燒器分為中心進氣和周向進氣兩種，其燃料一般為單一煤氣。隨著旋流燃燒技術的進步，氣體旋流燃燒器正沿著適合多種可燃性氣體混合燃燒的方向發展。為了研究新型氣體旋流燃燒器的氣流流動特性，建立了雙旋流氣體旋流燃燒器的實驗臺。本文采用二維熱線風速儀對其冷態流場進行了測量，得出了在燃燒器出曰安裝不同擴口時空氣動力場的分布規律，并考察了安裝縮放擴口時燃燒器對負荷的適應能力，以期進一步了解安裝縮放擴口時燃燒器的穩燃特性，為多組分氣體燃燒器的設計提供詳細的實驗資料。
2  實驗系統及方法
2.1  實驗設備及測量儀器
    實驗所采用的木粉燃燒機模型與實物的比例為1:2.5，噴口外徑為d一364 rruu，軸向旋流葉片傾斜角為600，其結構如圖1所示。該燃燒器以焦爐煤氣和高爐煤氣的混合氣作為主燃料，結合多管式天然氣燃燒器的原理，將天然氣作為二級燃料獨立燃燒。其中焦爐、高爐混合煤氣通過軸向旋流葉片產生旋轉，空氣通過蝸殼產生旋轉。采用美國TSI公司生產的JFA 300型恒溫熱線風速儀對燃燒器出口流場內的氣流速度及湍流特征參量進行測量，通過飄帶示蹤法確定空間氣流的方向，利用1240型二維探針同時測量旋轉射流的軸向和切向速度分量，并由其配套軟件計算出湍流強度。
2.2實驗方法及參數
    冷態實驗中各入口處的氣體均以空氣代替，額定負荷下各實驗參數如表1所示，經計算各參數滿足相似?；脑瓌t[61，因此所得結論適用于實際流場。在燃燒器出口處安裝縮放擴口，通過調節各個入口的風量研究不同負荷(80%、100%、120%)T燃燒器出口的流場特征，并在額定負荷條件下，研究不擴口結構（縮放擴口、無擴口、漸縮擴口）及軸向旋流葉片傾斜方向對流場的影響。
3  實驗結果及分析
3.1  負荷的影響
    額定負荷下燃燒器出口速度分布如圖2所示。隨著負荷的增加，軸向和切向速度的大小均會相應增加，但其分布規律卻基本相同。在一定的負荷變化范圍內，燃燒器出口流場的回流區形狀幾乎不發生變化，始終保持合理的細長形狀，使得足夠的高溫煙氣回流，為內層燃料氣流的著火提供穩定的熱源。軸向速度衰減較慢，形成較長的火焰長度，有利于燃燒后期的擾動和混合，使燃料燃盡。切向速度有一定的張角，使空氣環繞在火焰周圍，形成氧化性氣氛，能夠有效地防止水冷壁的高溫腐蝕。在上述負荷范圍內均能合理地組織爐內空氣動力場，這表明雙旎流氣體燃燒器對負荷有著較好的適應性。
    不同負荷下流場湍流強度的分布如圖3所示。隨著負荷的增加，湍流強度也相應增加，各股氣流之間的混合能力也相應增強。在回流區頂部(Y≈1.7)，湍流強度有不同程度的突降，且負荷越低，突降程度越高，這說明負荷降低，在回流區邊界場分布趨于穩定，不利于各股氣流之間的混合。在離噴口較遠處。當負荷高于額定負荷日寸，其湍流強度有明顯升高，因此適當增加負荷有利于燃料后期的燃盡。
3.2擴口結構的影響
    額定負荷時，將燃燒器出口處的縮放擴口去掉及安裟漸縮擴口時所得流場分別如圖4和圖5所示。對比圖2、圖4和圖5，去掉縮放擴口后射流軸向速度增大，但衰減很快，安裝漸縮擴口時，射流軸向速度比無擴口時要小，衰減也更快，但生物質燃燒機出口的切向速度普遍較大，切向速度值幾乎是前兩種結構的兩倍，而且衰減也較慢。只是具有較高切向速度的區域較為狹窄，基本上局限在X≈0.3范圍內的環形帶上。
去掉擴口后，回流區長度只有y≈1.1左右，而安裝漸縮擴口時，回流區長度降為y銣．4。通過計算各截面上的回流率可以發現相同負荷下，安裝縮放擴口的截面回流率，而且衰減速率最慢，有利于卷吸更多的高溫介質，組織穩定的火焰燃燒。
    額定負荷下，不同擴口結構對湍流強度的影響如圖7所示。去掉擴口后，湍流強度在出口處就達到值，且湍流強度高于安裝縮放擴口的情況但在其回流區內，衰減極為劇烈。安裝漸縮擴口后，在物質燃燒機出口附近其湍流強度整體較低，而在距出口較遠處（Y>2.5），其整體水平甚至高于安裝縮放擴口的情況。主要是由于在出口附近，其切向速度較大，雖然也有衰/J但遠離出口后，切向速度仍具有相對軸向速度較高的數值，使得湍流強度較大，有利氣流之間的混合和燃料的燃盡。值得注意的是安裝漸縮擴口后，生物質燃燒機出口流場湍流強度的值并非出現在回流區內，而是在氣體遠離回流區后才突然增大到值。這主要是因為回流區很小，且回流速度值也很低的緣故。
3.3異向旋轉射流的影響
    在額定負荷下，將軸向旋流葉片反向安裝后，得到生物質燃燒機出口速度分布如圖8所示。對比圖2和圖8可以發現，異向旋轉使回流區長度大大縮短(Y≈0.5)，并且沿徑向切向速度的方向變化了兩次，說明異向旋轉的氣流混合程度較差，抑制了兩股氣流之間的擴散和混合。
    兩種旋轉組合方式下湍流強度的分布如圖9所示。同向旋轉的湍流強度在回流區內普遍高于異向旋轉的情況，而在非回流區內，湍流強度大小情況恰好相反。究其原因主要是異向旋轉時，兩股氣流主要在生物質燃燒機出口附近混合程度較差，遠離生物質燃燒機出口后才進行充分地混合，因此湍流程度衰減較慢，在非回流區內還高于同向旋轉的情況。
4結  論
    在一定范圍內，負荷的變化對雙旋流氣體生物質燃燒機出口流場的影響不大，該生物質燃燒機對負荷變化。