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一次風擴口角對生物質燃燒機影響的數值模擬
摘要：為了改進燃燒器設計，提出了一次風擴口角度改變對同軸生物質燃燒機影響的數值模擬方法．該方法采用重整化群RNG*e雙方程湍流模型，針對燃燒器出口區域冷態流場進行數值模擬，通過比較生物質燃燒機不同一次風擴口角度情況下，回流區尺寸的變化和流場分布規律．結果表嘰旋轉射流軸向速度受一次風擴口角變化影響不大|其切向速度在旋流外圍服從擬等勢旋渦規律和在旋流中心服從剛體旋轉規律；隨一次風擴口角度的增大，回流區徑向尺寸絕對增大，軸向尺寸先增加后減小；一次風擴口角度的增大．引起徑向壓力梯度的增尢從而形成了多次回流區域的存在．
生物質燃燒機出口空氣動力學特性對強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合、穩定燃燒有一定的影響．燃燒器幾何結構是燃燒器出口空氣動力學特性的影響因素之一．在文獻『1，2]中，曾利用標準的培￡雙方程湍流模型對燃器幾何尺寸與回流區的關系進行了研究，獲得的結果雖然可以近似模擬旋流流場，但需要進一步的修正．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，通過應用‘4】表明RNG圬￡湍流模型比傳統模型有若干優越性和發展潛力．國內也有人把此模型應用于分離流、旋流等的計算[sq，都得到了較好的結果．本文采用RNG x;e雙方程湍流模型研究了燃燒器回流區的內部流場分布和燃燒器的幾何參數對它的影響．
1 燃燒器結構和數學模型
以某油田注汽鍋爐共軸同向生物質燃燒機為研究對象，結構如圖1，中心為燃料噴卡A，-、二次風管出口布置有軸向旋流葉片，一次風管內徑為133 mm、外徑為346. 63 mm,二次風管外徑Dz為585 mm．出口采用擴錐擴口長度100 mm，本文研究當一次風擴口角采用200、400、600和800時的冷態回流區特性．
計算域采用非結構性網格，用RNG M￡雙方程湍流模型計算湍流流場，壓力速度耦合用SIM PLE算法．
2計算結果及分析
2.1擴口角度對速度的影響
數值模擬計算結果如圖2～5所示，在燃燒器出口由于擴口的存在，一、二次風被隔開，燃燒器出口截面軸向速度曲線呈現雙峰形狀，隨射流的發展，在軸向距離達0. 33D2之后，一、二次風混厶，軸向速度曲線變光滑．由于旋轉射流的特點，在射流出口位置存在回流，并沿軸向和徑向逐漸發展，在軸向距離為1_ 67D2處，回流區結束．此時，燃燒器4種擴口角度產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擴口角度的影響不是很大．旋轉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，表明其旋轉變化是從開始的一、二次風兩股氣流旋轉，發展為相互混合和交換動量后的整體旋流，然后衰減，變為中心旋轉強、周圍旋轉弱的旋流形式，在經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現，隨著回流區的結束，旋流流場分為兩個區域：服從擬等勢旋渦規律的外圍區域，其切向速度隨半徑的增加而降低，即：ve．，一const,服從剛體旋轉規律的準剛體旋轉區，其切向速度與半徑的關系為．
2.2擴口角度對回流區的影響
當擴口角度為20”時，回流區短而細，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，回流區直徑約為0. 35D2，這樣的回流區不論是穩燃或是預熱都難以滿足要求，當一次風擴口角度增大為40”時，如圖3所示，回流區變長變寬軸向速度峰值明顯增大，切向速度相應提高；分析原因在于增大一次風擴口角度后，二次風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，維持其旋轉的能力相應增加；但由于速度分解，一次風軸向出口速度變小，徑向速度變大，綜合一、二次風的變化，射流整體在徑向動量增大，克服逆向壓力梯度的能力增強，體現為回流區半徑變寬；在軸向，由于二次風動量的增加效果強于一次風的動量減少效果，流體克服軸向逆向壓力梯度的總能力增強，結果是回流區變長．當一次風擴口角進一步增大為6 00和80。日寸，如圖4、5所示，可以確定的一點是徑向速度進一步增大，克服徑向逆向壓力的能力加強，回流區變得更寬，回流區直徑可達1_ 2,D2．在軸向，一次風動量衰減，而二次風動量增加，二者相互作用的結果是流體軸向動量克服逆向壓力梯度的能力減弱，所以回流區在長度方面略有縮短；另外，擴口角度增大，加強了氣流的擴展，使得中心區域負壓梯度加大，徑向的氣流卷吸效果增強，這樣就勢必消弱了軸向的回流，這是回流區長度減小的又一個原因，因此一次風擴口角度的增加，引起了徑向動量的絕對增加，形成較寬的回流區，而軸向動量由于一、二次風的綜合作用，先增加、后下降，使得回流長度體現為先增長、后縮短．所以，通過改變擴口角度來加強回流區大小應該考慮一個限值，選用長而寬的回流區可以在熱態時提高回流氣溫度，增大回流量并提高回流區熱容量，強化煤粉氣流的著火．在燃燒器設計中要考慮一次風擴口角度的值．
2.3多個回流區存在現象
在軸向速度曲線圖上，隨著擴口角度的增大，發現有多個內部回流區域存在，見圖4、5，當軸向速度在出口軸向距離為0. 33D2時，出現軸心的正值，說明一個小回流區的結束，此后，軸向遽度再次變負，說明另外一個回流區的產生，這一現象的存在是由于一次風擴口角度的增大，增強了氣流的擴展效果，使得回流區梯度增大，卷吸氣流的能力增強，在燃燒器出口，形成了氣流的回流，此時卷的是一次風，徑向氣流的卷吸效果強于軸向卷吸．此后，射流發展，軸向逆向壓力梯度的增強引起了軸向氣流的卷吸，形成了再一次的回流發生，這次回流是軸向和徑向氣流共同參與的結果，
3 結論
(1)旋轉射流軸向速度受一次風擴口角變化影響不大，其切向速度在旋流外圍服從擬等勢旋渦規律和在旋流中心服從剛體旋轉規律．
(2)隨一次風擴口角度的增大，回流區徑向尺寸絕對增大，軸向尺寸先增加后減小．考慮熱態燃燒時，穩燃和加熱的需要，燃燒器設計時要考慮一個一次風擴口角度．
摘要：為了改進燃燒器設計，提出了一次風擴口角度改變對同軸生物質燃燒機影響的數值模擬方法．該方法采用重整化群RNG*e雙方程湍流模型，針對燃燒器出口區域冷態流場進行數值模擬，通過比較生物質燃燒機不同一次風擴口角度情況下，回流區尺寸的變化和流場分布規律．結果表嘰旋轉射流軸向速度受一次風擴口角變化影響不大|其切向速度在旋流外圍服從擬等勢旋渦規律和在旋流中心服從剛體旋轉規律；隨一次風擴口角度的增大，回流區徑向尺寸絕對增大，軸向尺寸先增加后減小；一次風擴口角度的增大．引起徑向壓力梯度的增尢從而形成了多次回流區域的存在．
生物質燃燒機出口空氣動力學特性對強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合、穩定燃燒有一定的影響．燃燒器幾何結構是燃燒器出口空氣動力學特性的影響因素之一．在文獻『1，2]中，曾利用標準的培￡雙方程湍流模型對燃器幾何尺寸與回流區的關系進行了研究，獲得的結果雖然可以近似模擬旋流流場，但需要進一步的修正．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，通過應用‘4】表明RNG圬￡湍流模型比傳統模型有若干優越性和發展潛力．國內也有人把此模型應用于分離流、旋流等的計算[sq，都得到了較好的結果．本文采用RNG x;e雙方程湍流模型研究了燃燒器回流區的內部流場分布和燃燒器的幾何參數對它的影響．
1 燃燒器結構和數學模型
以某油田注汽鍋爐共軸同向生物質燃燒機為研究對象，結構如圖1，中心為燃料噴卡A，-、二次風管出口布置有軸向旋流葉片，一次風管內徑為133 mm、外徑為346. 63 mm,二次風管外徑Dz為585 mm．出口采用擴錐擴口長度100 mm，本文研究當一次風擴口角采用200、400、600和800時的冷態回流區特性．
計算域采用非結構性網格，用RNG M￡雙方程湍流模型計算湍流流場，壓力速度耦合用SIM PLE算法．
2計算結果及分析
2.1擴口角度對速度的影響
數值模擬計算結果如圖2～5所示，在燃燒器出口由于擴口的存在，一、二次風被隔開，燃燒器出口截面軸向速度曲線呈現雙峰形狀，隨射流的發展，在軸向距離達0. 33D2之后，一、二次風混厶，軸向速度曲線變光滑．由于旋轉射流的特點，在射流出口位置存在回流，并沿軸向和徑向逐漸發展，在軸向距離為1_ 67D2處，回流區結束．此時，燃燒器4種擴口角度產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擴口角度的影響不是很大．旋轉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，表明其旋轉變化是從開始的一、二次風兩股氣流旋轉，發展為相互混合和交換動量后的整體旋流，然后衰減，變為中心旋轉強、周圍旋轉弱的旋流形式，在經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現，隨著回流區的結束，旋流流場分為兩個區域：服從擬等勢旋渦規律的外圍區域，其切向速度隨半徑的增加而降低，即：ve．，一const,服從剛體旋轉規律的準剛體旋轉區，其切向速度與半徑的關系為．
2.2擴口角度對回流區的影響
當擴口角度為20”時，回流區短而細，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，回流區直徑約為0. 35D2，這樣的回流區不論是穩燃或是預熱都難以滿足要求，當一次風擴口角度增大為40”時，如圖3所示，回流區變長變寬軸向速度峰值明顯增大，切向速度相應提高；分析原因在于增大一次風擴口角度后，二次風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，維持其旋轉的能力相應增加；但由于速度分解，一次風軸向出口速度變小，徑向速度變大，綜合一、二次風的變化，射流整體在徑向動量增大，克服逆向壓力梯度的能力增強，體現為回流區半徑變寬；在軸向，由于二次風動量的增加效果強于一次風的動量減少效果，流體克服軸向逆向壓力梯度的總能力增強，結果是回流區變長．當一次風擴口角進一步增大為6 00和80。日寸，如圖4、5所示，可以確定的一點是徑向速度進一步增大，克服徑向逆向壓力的能力加強，回流區變得更寬，回流區直徑可達1_ 2,D2．在軸向，一次風動量衰減，而二次風動量增加，二者相互作用的結果是流體軸向動量克服逆向壓力梯度的能力減弱，所以回流區在長度方面略有縮短；另外，擴口角度增大，加強了氣流的擴展，使得中心區域負壓梯度加大，徑向的氣流卷吸效果增強，這樣就勢必消弱了軸向的回流，這是回流區長度減小的又一個原因，因此一次風擴口角度的增加，引起了徑向動量的絕對增加，形成較寬的回流區，而軸向動量由于一、二次風的綜合作用，先增加、后下降，使得回流長度體現為先增長、后縮短．所以，通過改變擴口角度來加強回流區大小應該考慮一個限值，選用長而寬的回流區可以在熱態時提高回流氣溫度，增大回流量并提高回流區熱容量，強化煤粉氣流的著火．在燃燒器設計中要考慮一次風擴口角度的值．
2.3多個回流區存在現象
在軸向速度曲線圖上，隨著擴口角度的增大，發現有多個內部回流區域存在，見圖4、5，當軸向速度在出口軸向距離為0. 33D2時，出現軸心的正值，說明一個小回流區的結束，此后，軸向遽度再次變負，說明另外一個回流區的產生，這一現象的存在是由于一次風擴口角度的增大，增強了氣流的擴展效果，使得回流區梯度增大，卷吸氣流的能力增強，在燃燒器出口，形成了氣流的回流，此時卷的是一次風，徑向氣流的卷吸效果強于軸向卷吸．此后，射流發展，軸向逆向壓力梯度的增強引起了軸向氣流的卷吸，形成了再一次的回流發生，這次回流是軸向和徑向氣流共同參與的結果，
3 結論
(1)旋轉射流軸向速度受一次風擴口角變化影響不大，其切向速度在旋流外圍服從擬等勢旋渦規律和在旋流中心服從剛體旋轉規律．
(2)隨一次風擴口角度的增大，回流區徑向尺寸絕對增大，軸向尺寸先增加后減小．考慮熱態燃燒時，穩燃和加熱的需要，燃燒器設計時要考慮一個一次風擴口角度．
(3) -次風擴口角度的增大，引起徑向壓力梯度的增大，從而形成了多次回流區域的存在．它對于分段加熱，減少溫差熱損失是有利的。
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