摘要：旋流燃燒器因?yàn)槟軌蛐纬奢^大的中心回流區(qū)，卷吸高溫?zé)煔?，促進(jìn)煤粉的著火和穩(wěn)燃，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用Realizable k-ε模型研究了二次旋流風(fēng)的旋流強(qiáng)度對(duì)煤粉燃燒器回流場(chǎng)的影響，分析了不同旋流強(qiáng)度回流區(qū)的分布，形狀及其大小的影響，為燃燒器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：旋流強(qiáng)度；回流場(chǎng)；數(shù)值模擬

1前言

我國用煤煤質(zhì)多變， 尤其是難燃的劣質(zhì)煤數(shù)量較多， 這就使煤粉燃燒器的穩(wěn)燃問題更加突出。通常為了運(yùn)行的安全性， 防止爆燃事件發(fā)生， 在較低的負(fù)荷下， 要投油助燃， 因而增加了成本。為此， 需要開發(fā)能在低負(fù)荷下， 無需投油并能穩(wěn)定燃燒的技術(shù)。[1]而燃燒器的穩(wěn)定運(yùn)行主要取決于燃燒器的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，回流區(qū)的尺寸和形狀決定著火焰的穩(wěn)定性，回流加強(qiáng)了煤粉氣流與高溫?zé)煔獾膶?duì)流混合， 相互摻混，大大提高了二者之間的熱質(zhì)交換煤粉顆粒都能迅速被回流高溫?zé)煔饧訜岵⒅鹑紵?，為回流區(qū)外的煤粉氣流的著火和燃燒提供穩(wěn)定的熱源，同時(shí)在回流區(qū)形成的缺氧燃燒氣氛有利于減少NOx的生成。[2]

2 燃燒器的結(jié)構(gòu)及前處理

本文所采用的研究對(duì)象為某筑路機(jī)械工程公司一臺(tái)載荷為1600kg/h的煤粉燃燒器，它的主要結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

燃燒器為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，圖1為燃燒器上半部分剖視圖，該燃燒器中心管無風(fēng)，末端帶有擴(kuò)展角，有利于產(chǎn)生中心回流；一次風(fēng)為直流風(fēng)輸送煤粉；一次風(fēng)通道中的套筒起到了防止煤粉在之前濃淡分離后恢復(fù)的作用；二次旋流風(fēng)與一次風(fēng)混合產(chǎn)生回流區(qū)，并在此發(fā)生質(zhì)熱傳遞；二次直流風(fēng)提供氧化性氛圍，起到防止高溫腐蝕壁面和燃盡煤粉的作用。

模擬中保證一次直流風(fēng)，二次旋流風(fēng)，二次直流風(fēng)的風(fēng)量配比不變，通過調(diào)節(jié)二次旋流風(fēng)的旋流強(qiáng)度來模擬不同情況下燃燒器內(nèi)部的回流場(chǎng)情況，在文中旋流強(qiáng)度用無因次量旋流數(shù)（s）來度量，即切向動(dòng)量與軸向動(dòng)量之比。

為了使計(jì)算縮短時(shí)間，在Gambit前處理中，采用旋轉(zhuǎn)性周期邊界條件，選取旋轉(zhuǎn)角度為30°，分塊劃分網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并用的方法，并對(duì)燃燒器的頭部進(jìn)行加密處理，使得模擬計(jì)算更為精確描述梯度較大的區(qū)域，從而更好反映實(shí)際情況。劃分網(wǎng)格后如下圖2所示：

3 選用模擬的模型及求解方法

標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型對(duì)時(shí)均應(yīng)變率特別大的情形，有可能導(dǎo)致負(fù)的正應(yīng)力。為使流動(dòng)符合湍流系數(shù) 不應(yīng)是常數(shù)，而應(yīng)與應(yīng)變率聯(lián)系起來。從而提出了Realizable k-ε模型。[3]

在Realizable k-ε模型中關(guān)于k和ε的輸運(yùn)方程如下：

各字母代表的常數(shù)或者物理意義可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型比較可以發(fā)現(xiàn)，Realizable k-ε模型的主要變化是：

1）湍動(dòng)粘度的計(jì)算公式發(fā)生了變化，引入了旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容。

2）ε方程發(fā)生了較大變化，方程中的產(chǎn)生項(xiàng)（方程3-2右端第二項(xiàng)）不在含有k模方程中的產(chǎn)生項(xiàng)Gk，這樣，現(xiàn)在的形式更好地表示了光譜的能量轉(zhuǎn)換。

3）ε方程中的倒數(shù)第二項(xiàng)不具有任何奇異性，即使k值很小或?yàn)榱?，分母也不?huì)為零。這與標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和RNG k-ε模型有很大的區(qū)別。

總之，Realizable k-ε模型作為一種帶旋轉(zhuǎn)修正的k-ε模型可以更好的適用于模擬強(qiáng)旋流動(dòng)的情況。[4]差分方程采用Simple算法。

4計(jì)算結(jié)果與分析

二次風(fēng)在無旋流或者旋流強(qiáng)度不高的情況下，如下圖3-5所示，旋流燃燒器存在兩個(gè)回流區(qū)，一個(gè)位于燃燒器中心，主要是由中心管無風(fēng)，且?guī)в袛U(kuò)角，以下稱為內(nèi)回流區(qū)。另一個(gè)在二次旋流風(fēng)出口，以下稱為外回流區(qū)。兩個(gè)回流區(qū)都為封閉式，其中內(nèi)回流區(qū)卷吸煤粉和高溫?zé)煔?，外回流區(qū)卷吸高溫二次風(fēng)，在兩者的共同作用下，形成煤粉的穩(wěn)定燃燒。并且隨著旋流數(shù)由0增加到0.2時(shí)，兩個(gè)回流區(qū)大小沒有發(fā)生明顯的變化。當(dāng)旋流數(shù)增加到0.3的時(shí)候，外回流區(qū)變小，而在爐膛中部外圍出現(xiàn)一個(gè)漩渦，這對(duì)工況是不利的。

隨著二次旋流風(fēng)旋流數(shù)的不斷增加，在其較強(qiáng)的卷吸作用下，一次風(fēng)被迫向四周擴(kuò)散，中心回流區(qū)不斷縮小，一次風(fēng)粉被迫卷吸到出口四周，這對(duì)濃淡分離和穩(wěn)定燃燒是不利的，并且旋流強(qiáng)度過大容易形成緊貼燃燒器壁面的飛邊氣流，飛邊氣流容易形成貼壁火焰，從而引起結(jié)渣，無論中心回流區(qū)縮小還是形成飛邊氣流，這些都是對(duì)燃燒不利的，在運(yùn)行中應(yīng)該避免這種工況的發(fā)生。如下圖7所示。

結(jié)論

在上述結(jié)構(gòu)的燃燒器中，各風(fēng)道通風(fēng)量不變的情況下，二次風(fēng)旋流數(shù)的變化對(duì)燃燒器回流場(chǎng)的影響很大。特別是二次旋流風(fēng)旋流數(shù)達(dá)到0.5以上時(shí)，中心回流區(qū)消失，這是由于二次風(fēng)的卷吸作用增強(qiáng)的原因。

要想通過增強(qiáng)二次旋流風(fēng)旋流強(qiáng)度來取得較大尺寸的回流區(qū)，我們可以通過采取以下措施：適當(dāng)增大燃燒器二次旋流風(fēng)通道的橫截面積，從而使得在保持原有風(fēng)量和風(fēng)量分配比率不變的情況下，降低二次旋流風(fēng)的風(fēng)速，減弱其卷吸作用;適當(dāng)減小二次旋流風(fēng)通風(fēng)量或者增強(qiáng)一次風(fēng)的風(fēng)量來減小兩者的動(dòng)量比懸殊，但由于一次風(fēng)量取決于煤粉的著火性能，一次風(fēng)量過小則不能使煤粉揮發(fā)份完全燃燒，從而降低內(nèi)回流區(qū)的溫度，是燃燒較難組織，過大同樣會(huì)降低內(nèi)回流區(qū)溫度而使燃燒不穩(wěn)定，因此一次風(fēng)量的調(diào)節(jié)范圍較小，第二種辦法減小的二次旋流風(fēng)風(fēng)量可以通過增加二次直流風(fēng)風(fēng)量來彌補(bǔ)，完成煤粉的完全燃燒。

參考文獻(xiàn)

[1]秦裕琨，李爭(zhēng)起，孫銳等.風(fēng)包粉系列濃淡煤粉燃燒技術(shù)的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 1999，10， 19(10):32-36.

[2]蹇守衛(wèi)，馬保國，郝先成.窯用多通道燃燒器回流區(qū)的三維數(shù)值模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006年6月， 28(6):41-44.

[3]王福軍.CFD軟件原理及應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[4]周玨. 在數(shù)值計(jì)算中數(shù)學(xué)模型和數(shù)值解法的選擇.數(shù)值計(jì)算與工程仿真， 2005年3月，1(4):1-7.