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二次風旋流強度對生物質顆粒燃燒機火力大小的影響
摘 要：使用重整化群(RNG)-ASM模型。對生物質燃燒機的出口流場進行了冷態數值模擬，研究了內二次風旋流強度對生物質燃燒機的流場分布、回流區大小、回流量和擴展角的影響規律，并與試驗結果進行了對比，獲得了比較一致的結果，為生物質燃燒機的設計和運行提供了一定的理論基礎，并進一步驗證了RNG
 0前言
  加拿大毆W公司的生物質燃燒機‘“21是目前在我國已運行和在建的W型火焰爐中應用的主要生物質燃燒機廠家之-生物質燃燒機的主要技術是在雙調風旋流生物質燃燒機廠家的基礎上增設了PAX裝置和煤粉濃縮裝置生物質燃燒機廠家結構如圖1所示。噴口截面力圓形，一次風為直流。沿一次風周界送入的二次風分為內二次風和外二次風。內外二次風均為旋流內外二次風的旋流強度可通過二次風環形通道內的可調葉片來調節，以保持適中的火焰長度，實現穩定著火燃燒，提高負荷調節性能另外，在W型火焰爐設計和運行中，如果對旋流生物質燃燒機廠家的旋流強度和動量選擇不當，則極易造成拱頂風下沖深度不夠。提前轉彎。影響燃盡或者煙氣回流量過小，因而影響煤粉氣流的著火。
  由于旋流的存在，旋轉射流使得在軸向和徑向上都建立了壓力梯度，這兩個壓力梯度反過來又影響流場。在強旋轉下。旋轉射流的內部建立了一個回流區這樣，旋轉射流不但從射流外側卷吸周圍介質，而且還從內回流區中卷吸介質。在燃燒過程中，從內、外回流區卷吸的煙氣對著火的穩定性起著十分重要的作用。因此，合理的二次風旋流強度對于生物質燃燒機的正常運行是至關重要的。
  對強旋轉流動的數值模擬，Abnjelala和Lil-ley在80年代中期開始用標準Kj模型模擬受隈強射流。但模擬結果與試驗結果相去甚遠，主要表現在：對回流區的預報不準確。回流區過短。因而軸向速度，尤其在軸線處的軸向速度過大：切向速度的徑向分布不飽滿，軸線處的切向速度太小；湍流量的模擬分析欠缺 90年代以后，針對強旋轉流動的特性，研究者提出了不同的模型來模擬強旋轉流魂較為成功的有張鍵周力行H1提出的新型代數應力模型(N-ASM)，該模型反映了強旋轉流動的各向異性特點，其預報結果比K3模型有較大的改進：還有口十盂琪陳義良的雙時間尺度模型，對表示湍流尺度的X方程作出了修正徐江榮陋_6。7將新型代數應力模型與重整化群X7程相結合，提出了重整化群代數應力模型(RNG—ASM)，其結果與試驗數據吻合得較好，改善了新代數應力模型的不足之處
  本文將應用RNG-ASM模型針對加拿大Babcock&Wilcox公司的生物質燃燒機進行冷態數值模擬。著重研究內二次風旋流強度對PAX生物質燃燒機廠家的流場分布、回流區大小、回流量和擴展角的影響規律，并與試驗結果進行對比。
1數學模型
  生物質燃燒機出口流場的冷態模擬所用模型為重整化群fRNGl-ASM模型
  將代數應力模型方程組改寫成統一形式，改寫過程基于以下幾點：
  (1)引進3個新的渦粘系數xr，一力和一ex，以反映強旋流的各向異性特點
  (2)為了求解的穩定性，引入偽擴散渦粘系數一f，因此源項中出現偽擴散項
  (31X方程仍使用RNGk-X模型中的形式
  (4)對湍能產生項按強旋轉湍流的特點進行簡化代數應力模型的統一形式為：
2試驗系統和測量方法
2.1試驗系統
  試驗所用生物質燃燒機廠家為本實驗室所建W型火焰熱態試驗爐上所采用的生物質燃燒機，由加拿大Babcbck&Wilcox公司設計，北京B&W公司制
  圖2所示為PAX燃嬈器的冷模試驗臺系統圖。從風機來的一、二次風經管道、調節風rl.流量計等裝置后進入生物質燃燒機
2.2測量方法
  在生物質燃燒機冷態試驗中，用標準三孔探針測量生物質燃燒機廠家出口的軸向速度和切向速度。詳細研究生物質燃燒機出口流場的特性，包括射程回流區大／J＼回流寬度射流擴展角和回流量等
  三孔探針測量的是壓差和角度，氣流合速度
 2.3測點布置
  由于生物質燃燒機出口為軸對稱因此。只測量出口流場中水平中心截面的二維流場。距噴口每隔lOcm測量一個垂直截面。
3計算結果與討論
3.1流場分布特征
  前蘇聯中ACePaHT和BⅡ．ycTmveKO等人對共軸旋轉射流復雜的相互作用進行了研究哆1，認為：旋流生物質燃燒機廠家復雜的組合射流。基本上取決于共軸外射流發展的規律而不旋轉的內部氣流從燃燒器流出時，內射流由于與外部旋轉射流發生紊流交換而被帶動旋轉，這將削弱射流的旋轉度，引起射流軸線上的回流速度下降在對PAX燃燒器出口流場的數值模擬中也驗證了這一點。改變內二次風旋流強度時，流場變化較大，如圖3和圖4所示當內二次風旋流強度較小時，PAX燃燒器出口流場回流區消失（圖3），流線水平，射流擴展角也較小，呈現近似直流射流的特征隨著內二次風旋流強度的增大，在生物質燃燒機出口流場逐步呈現旋流生物質燃燒機廠家的特征，流場中心出現回流區，且回流區大小隨內二次風旋流強度的增大而增大：同時，出口流場中的流線尾部也向上翹起：相應地，射流擴展角也隨之增大這一結果與冷模試驗也基本符合
3.2回流區大小分析
  生物質燃燒機內二次風為旋流，且旋流強度可調。內二次風的旋流強度設計為可調的一個主要目的就是可通過調節內二次風旋流強度來調節回流區的大小，從而使之適應各種煤種。在燃用揮發份較高的煤種時，調節內二次風旋流強度，使回流區變小。從而不易燒壞噴口。當煤種揮發份較低時，煤粉顆粒不易著火，需要更多的回流煙氣來加熱煤粉顆粒，這時可調節內二次風的旋流強度，使回流區變大，增加回流量，從而使煤粉顆粒易于著火。
  圖5所示為在不同內二次風旋流強度下，生物質燃燒機出口流場的回流區大小變化情況從圖上可以看出：當內二次風旋流強度較小時。回流區消失。隨著內二次風旋流強度的增大，回流區形基本不變，而長度和最大寬度都隨之增大回流區長度和最大寬度的計算結果與試驗結果的對比如圖6所示。從圖中可以看出：在內二次風旋流強度較大時，回流區長度隨內二次風旋流強度的增加而增勢變慢，且最大回流區寬度則變化不大這是因為在生物質燃燒機中，外二次風射流占優勢，二次風旋流強度對出口流場的影響要受到外二次風旒流強度制約。
算所得的最大回流區寬度與試驗值的趨勢是一致的，但數值偏低對于強旋流的數值模擬一直是比較困難魄雖然RNG-ASM模型較N-ASM和標準K-X模型有了非常大的改善，但與試驗也存在著一定的差距。參考文獻[9]對三者進行了細致的比較。RNG-ASM對回流區的長度和寬度的預報優于后2個模型，尤其是對回流區的長度的預報，但回流區寬度的計算值與本文一樣，低于試驗值。因此RNG-ASM模型還需要進一步的優化
  ①．A．CePmT和B.II．ycTmveKO的試驗也證實，在雙股共軸旋轉射流中，當內射流的旋流強度Kl由0變為1.35時。加大內射流的旋流度，對回流區大小影響明顯，回流區顯著變長。但當Kl進一步增大到455時’苴對射流回流區大小的影響大大減/J\.
  以上的試驗結果說明：通過調整內二次風旋流強度來改變回流區大小，在內二次風旋流強度較低時，是切實可行的。但這一調節手段受到一定制約。當內二次風旋流強度較大時。其對回流區大小已基本不能調煢
3.3回流量分析
  煤粉氣流從生物質燃燒機廠家噴出后，其著火的一個主要熱源就是高溫回流煙氣，回流區的大小對高溫回流煙氣量有一定影響。但最直觀。準確地判定煤粉顆粒難易的一個芙鍵指標就是高溫煙氣回流量。通過調節內二次風旋流強度來調節回流區大小，其目的也就是調節回流煙氣量
  計算所得的回流量與試驗值的比較如圖7所示從圖上可以看出：同試驗值一樣，計算所得的回流量隨內二次風旋流強度的增大而增大。在低內二次風旋流強度時，旋流強度的變化對回流量的影響較大；但當內二次風旋流強度較大時。旋流強度的變化對回流量的影響減弱。這是因為在高內二次風旋流強度時，回流區的長度和寬度受外二次風的制約。而變化不大，從而導致了其影響作用的降低
  當內旋流強度(Kl)為0和0.618時，計算值與試驗值相差不大，但當內二次風旋流強度(Kl)為1.27時，計算所得的回流量為195，較試驗值220偏小。造成這種情況的原因是由于計算所得的回流區最大寬度和長度在此工況下較試驗值偏小的緣故
3.4擴展角分析
  在采用旋流生物質燃燒機廠家時。為保證鍋爐安全運行，不燒壞設備，不引起爐內結渣，這就要求生物質燃燒機廠家的氣流擴展角不能太大，盡量避免產生開式回流區及飛邊現象和過短的旋轉射程，以防止火炬貼壁另一方面，過小的射流擴展角又會造成回流量不夠，以致影響煤粉顆粒的著犬
  對直流射流來說，其射流擴展角一般只與噴口幾何結構有關，且較/J\o而對旋轉射流來說，其擴展角除與噴口的幾何結構有關外，還與其他因素有關。 N．A．Chigier和AChervinsky[10‘+~出：旋轉射流的擴展角與射流的旋轉強度Kl成一次線性關系
  在不同內二次風旋流強度下，射流擴展角的計算值和試驗值的比較示于圖8與冷模試驗一樣，當內二次風旋流強度較小時，氣流擴展角隨內二次風旋流強度的增加而迅速增加：在內二次風旋流強度較大時。氣流擴展角基本不隨內二次風旋流強度變化而變化這種趨勢與N.A．Chigier和A．Chervinsky的單股旋轉射流的擴展角與旋動力 工程流強度的關系不一致這主要是因為共軸射流，基本取決于共軸外射流發展的規律。在內射流