劉曉峰+賈建華

摘 要：以旋流燃燒器為對(duì)象，利用數(shù)值模擬方法研究回流區(qū)內(nèi)部多個(gè)旋流的存在和旋流燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)的影響，給出了相應(yīng)的流場(chǎng)分布和回流區(qū)模擬結(jié)果，以期為今后燃燒器的改進(jìn)和相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：旋流燃燒器；數(shù)值模擬；回流區(qū)；擴(kuò)口長(zhǎng)度；流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TK223.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃燒器設(shè)計(jì)中，形成較大范圍的高溫回流區(qū)，強(qiáng)化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對(duì)穩(wěn)定燃燒非常重要?；亓鲄^(qū)的特性受燃燒器幾何結(jié)構(gòu)的影響，所以，研究燃燒器回流區(qū)的內(nèi)部流場(chǎng)分布和燃燒器的幾何參數(shù)對(duì)它的影響是十分必要的。利用數(shù)值模擬的方法不但便于研究，還可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本，并預(yù)測(cè)流場(chǎng)變化，指導(dǎo)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。

1 數(shù)學(xué)模型

以某油田注汽鍋爐共軸同向旋流燃燒器為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，中心為燃料噴槍，一、二次風(fēng)管出口布置有軸向葉片，一次風(fēng)管內(nèi)徑和外徑分別為133 mm、346.63 mm，二次風(fēng)管外徑為585 mm，出口采用擴(kuò)錐，擴(kuò)錐角度為40°。本文研究的一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5 L，同時(shí)，分析一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為L(zhǎng)和2L這兩種情況時(shí)，冷態(tài)流場(chǎng)回流區(qū)的特性。

計(jì)算用通用微分方程如下：

采用軸對(duì)稱有旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)方程式（此時(shí)，雖然 ，但

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 回流區(qū)的成因和結(jié)構(gòu)

在一次風(fēng)管出口，鑒于一次風(fēng)的流出及其徑向運(yùn)動(dòng)，原來(lái)停滯在燃料噴口的流體受卷吸而離開(kāi)，在噴口前形成真空區(qū)。根據(jù)流體的連續(xù)性介質(zhì)進(jìn)行假設(shè)，如果外圍流體沿軸線迅速補(bǔ)進(jìn)，在到達(dá)噴口時(shí)，受一次風(fēng)牽引作用而改變方向，在此位置開(kāi)擴(kuò)口，與速度更高的二次風(fēng)相遇，一次風(fēng)受卷吸與二次風(fēng)融合后發(fā)生擴(kuò)展，同時(shí)，由于射流本身的旋轉(zhuǎn)離心作用，增強(qiáng)了

離心趨勢(shì)，使射流中心流體離開(kāi)了軸心位置，形成負(fù)壓。外部氣流在壓力梯度的作用下沿軸線回流，當(dāng)回流至一定位置，一次風(fēng)提供給流體的動(dòng)量足以克服逆向壓力梯度時(shí)，回流流體便會(huì)改變速度方向，隨一次風(fēng)運(yùn)動(dòng)，形成二次回流，這是一、二次風(fēng)共同作用的結(jié)果。在熱態(tài)燃燒時(shí)，初次回流可以卷吸一部分熱煙氣，對(duì)燃料進(jìn)行初次加熱，此后，二次回流將燃料和高溫?zé)煔膺M(jìn)一步混合，實(shí)現(xiàn)再次加熱，這種流場(chǎng)布局可以有效保證著火和穩(wěn)燃。

2.2 燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)的影響

考慮旋流燃燒器幾何尺寸的影響，例如擴(kuò)口長(zhǎng)度，計(jì)算了一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5L、L和2L這三種情況。其回流區(qū)形狀變化如圖3所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果可見(jiàn)，擴(kuò)口長(zhǎng)度增大，回流區(qū)變長(zhǎng)、變寬，相應(yīng)的回流量會(huì)加大。另外，隨著一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，同一截面最大風(fēng)速點(diǎn)的位置遠(yuǎn)離中心軸線，這說(shuō)明旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角在增大，卷吸能力在加強(qiáng)。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)橐淮物L(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度決定了一、二次風(fēng)的混合點(diǎn)，當(dāng)二者遭遇時(shí)，會(huì)發(fā)生動(dòng)量交換。當(dāng)擴(kuò)口較短時(shí)，一次風(fēng)會(huì)很快與二次風(fēng)混合，混合后的一、二次風(fēng)動(dòng)量克服了回流中心的壓力，使混合流體盡快擴(kuò)展，在垂直軸線方向體現(xiàn)為射流邊界擴(kuò)大和回流區(qū)封閉，形成了短而窄的回流區(qū)。隨著擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，一、二次風(fēng)在匯合時(shí)的速度都在衰減，動(dòng)量在減小，克服逆壓梯度需要的時(shí)間和動(dòng)量積累相應(yīng)增加，使回流區(qū)前滯止點(diǎn)逐漸后移，擴(kuò)大了回流區(qū)。但是，擴(kuò)口長(zhǎng)度在達(dá)到L以后，繼續(xù)加長(zhǎng)擴(kuò)口對(duì)回流區(qū)的增長(zhǎng)收效不大，這可能是受流體動(dòng)量有限性的影響，其克服壓力形成封閉的能力存在上限。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變擴(kuò)口長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)大回流區(qū)保證燃燒時(shí)，要考慮選取一個(gè)適當(dāng)值。

不同的擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)內(nèi)部有不同的影響，從擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5L、L和2L時(shí)的流場(chǎng)圖中可以發(fā)現(xiàn)，初次回流是普遍存在

的現(xiàn)象，它的存在可以實(shí)現(xiàn)燃料和一次風(fēng)的預(yù)熱，而在此過(guò)程中，有必要進(jìn)一步探討其對(duì)穩(wěn)燃的影響。另外，當(dāng)擴(kuò)口長(zhǎng)度增加時(shí)，回流區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜化，二次回流位置逐漸向前發(fā)展，渦管截面不再平行于對(duì)稱軸，呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)。當(dāng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為2L時(shí)，在其他兩種情況所具有的一、二次回流之間又發(fā)生了一次回流，而且在軸線位置出現(xiàn)了正向旋流區(qū)，發(fā)生軸向速度正值。對(duì)此進(jìn)行分析認(rèn)為，二次回流渦管的收縮是由于二次風(fēng)的擴(kuò)展壓制其擴(kuò)大，從而形成收縮。對(duì)擴(kuò)口長(zhǎng)度為2L時(shí)的中間回流來(lái)說(shuō)，其成因是因?yàn)閿U(kuò)口的加長(zhǎng)延遲了一、二次風(fēng)的混合，所以，一次風(fēng)的擴(kuò)展和徑向運(yùn)動(dòng)是造成中間回流的主要原因。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，該回流區(qū)存在于一次風(fēng)擴(kuò)展段內(nèi)，并未受二次風(fēng)的影響。對(duì)正向旋流的生成來(lái)說(shuō)，由于其處于中間回流和二次回流之間，2個(gè)旋流外圍流體的流動(dòng)方向相同，均與軸向相反，誘使中心流體產(chǎn)生同向的流動(dòng)。對(duì)二次回流旋渦而言，其流體的回流抽吸作用在軸向正方向上產(chǎn)生負(fù)壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補(bǔ)真空，產(chǎn)生了正向旋流。這個(gè)旋流的存在使回流區(qū)的流場(chǎng)變得更加復(fù)雜，在熱態(tài)條件下，該處旋流仍然起到加強(qiáng)高溫?zé)煔夂腿剂匣旌系淖饔?，只不過(guò)不再是回流而已。

不同的燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度使其回流區(qū)尺寸和內(nèi)部流場(chǎng)均發(fā)生了變化，其共性是回流區(qū)隨擴(kuò)口長(zhǎng)度的增大而增大，回流區(qū)內(nèi)部至少有兩次回流，分別為初次回流和二次回流。當(dāng)擴(kuò)口繼續(xù)增大時(shí)，回流區(qū)增大的不明顯，內(nèi)部將出現(xiàn)中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個(gè)意義說(shuō)，回流區(qū)僅僅只是個(gè)廣義的概念，并不能代表在其范圍內(nèi)真實(shí)流體的運(yùn)動(dòng)特性。

3 結(jié)論

共軸同向旋流燃燒器是一種普遍使用的燃燒器，它可以保證熱態(tài)時(shí)的高效穩(wěn)燃和燃料加熱。本文通過(guò)數(shù)值模擬，分析了這種燃燒器回流區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性——存在多級(jí)回流的現(xiàn)象，從熱量有效傳遞的角度而言，這種回流形式可以減少高低溫傳熱損失，是有利于穩(wěn)燃和換熱的。另外，隨著一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，內(nèi)部回流區(qū)變長(zhǎng)、變寬，回流量加大，內(nèi)部旋流多元化。在實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以考慮采用長(zhǎng)的擴(kuò)口，但是，這種增長(zhǎng)是有一個(gè)適當(dāng)值的。

參考文獻(xiàn)

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[2]馬貴陽(yáng)，解茂昭.用RNGκ-ε模型計(jì)算內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流流動(dòng)[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程氣固多相流動(dòng)的理論及計(jì)算[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990.

[4]吳望一.流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1982.

〔編輯：白潔〕

摘 要：以旋流燃燒器為對(duì)象，利用數(shù)值模擬方法研究回流區(qū)內(nèi)部多個(gè)旋流的存在和旋流燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)的影響，給出了相應(yīng)的流場(chǎng)分布和回流區(qū)模擬結(jié)果，以期為今后燃燒器的改進(jìn)和相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：旋流燃燒器；數(shù)值模擬；回流區(qū)；擴(kuò)口長(zhǎng)度；流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TK223.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃燒器設(shè)計(jì)中，形成較大范圍的高溫回流區(qū)，強(qiáng)化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對(duì)穩(wěn)定燃燒非常重要?；亓鲄^(qū)的特性受燃燒器幾何結(jié)構(gòu)的影響，所以，研究燃燒器回流區(qū)的內(nèi)部流場(chǎng)分布和燃燒器的幾何參數(shù)對(duì)它的影響是十分必要的。利用數(shù)值模擬的方法不但便于研究，還可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本，并預(yù)測(cè)流場(chǎng)變化，指導(dǎo)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。

1 數(shù)學(xué)模型

以某油田注汽鍋爐共軸同向旋流燃燒器為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，中心為燃料噴槍，一、二次風(fēng)管出口布置有軸向葉片，一次風(fēng)管內(nèi)徑和外徑分別為133 mm、346.63 mm，二次風(fēng)管外徑為585 mm，出口采用擴(kuò)錐，擴(kuò)錐角度為40°。本文研究的一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5 L，同時(shí)，分析一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為L(zhǎng)和2L這兩種情況時(shí)，冷態(tài)流場(chǎng)回流區(qū)的特性。

計(jì)算用通用微分方程如下：

采用軸對(duì)稱有旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)方程式（此時(shí)，雖然 ，但

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 回流區(qū)的成因和結(jié)構(gòu)

在一次風(fēng)管出口，鑒于一次風(fēng)的流出及其徑向運(yùn)動(dòng)，原來(lái)停滯在燃料噴口的流體受卷吸而離開(kāi)，在噴口前形成真空區(qū)。根據(jù)流體的連續(xù)性介質(zhì)進(jìn)行假設(shè)，如果外圍流體沿軸線迅速補(bǔ)進(jìn)，在到達(dá)噴口時(shí)，受一次風(fēng)牽引作用而改變方向，在此位置開(kāi)擴(kuò)口，與速度更高的二次風(fēng)相遇，一次風(fēng)受卷吸與二次風(fēng)融合后發(fā)生擴(kuò)展，同時(shí)，由于射流本身的旋轉(zhuǎn)離心作用，增強(qiáng)了

離心趨勢(shì)，使射流中心流體離開(kāi)了軸心位置，形成負(fù)壓。外部氣流在壓力梯度的作用下沿軸線回流，當(dāng)回流至一定位置，一次風(fēng)提供給流體的動(dòng)量足以克服逆向壓力梯度時(shí)，回流流體便會(huì)改變速度方向，隨一次風(fēng)運(yùn)動(dòng)，形成二次回流，這是一、二次風(fēng)共同作用的結(jié)果。在熱態(tài)燃燒時(shí)，初次回流可以卷吸一部分熱煙氣，對(duì)燃料進(jìn)行初次加熱，此后，二次回流將燃料和高溫?zé)煔膺M(jìn)一步混合，實(shí)現(xiàn)再次加熱，這種流場(chǎng)布局可以有效保證著火和穩(wěn)燃。

2.2 燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)的影響

考慮旋流燃燒器幾何尺寸的影響，例如擴(kuò)口長(zhǎng)度，計(jì)算了一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5L、L和2L這三種情況。其回流區(qū)形狀變化如圖3所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果可見(jiàn)，擴(kuò)口長(zhǎng)度增大，回流區(qū)變長(zhǎng)、變寬，相應(yīng)的回流量會(huì)加大。另外，隨著一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，同一截面最大風(fēng)速點(diǎn)的位置遠(yuǎn)離中心軸線，這說(shuō)明旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角在增大，卷吸能力在加強(qiáng)。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)橐淮物L(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度決定了一、二次風(fēng)的混合點(diǎn)，當(dāng)二者遭遇時(shí)，會(huì)發(fā)生動(dòng)量交換。當(dāng)擴(kuò)口較短時(shí)，一次風(fēng)會(huì)很快與二次風(fēng)混合，混合后的一、二次風(fēng)動(dòng)量克服了回流中心的壓力，使混合流體盡快擴(kuò)展，在垂直軸線方向體現(xiàn)為射流邊界擴(kuò)大和回流區(qū)封閉，形成了短而窄的回流區(qū)。隨著擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，一、二次風(fēng)在匯合時(shí)的速度都在衰減，動(dòng)量在減小，克服逆壓梯度需要的時(shí)間和動(dòng)量積累相應(yīng)增加，使回流區(qū)前滯止點(diǎn)逐漸后移，擴(kuò)大了回流區(qū)。但是，擴(kuò)口長(zhǎng)度在達(dá)到L以后，繼續(xù)加長(zhǎng)擴(kuò)口對(duì)回流區(qū)的增長(zhǎng)收效不大，這可能是受流體動(dòng)量有限性的影響，其克服壓力形成封閉的能力存在上限。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變擴(kuò)口長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)大回流區(qū)保證燃燒時(shí)，要考慮選取一個(gè)適當(dāng)值。

不同的擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)內(nèi)部有不同的影響，從擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5L、L和2L時(shí)的流場(chǎng)圖中可以發(fā)現(xiàn)，初次回流是普遍存在

的現(xiàn)象，它的存在可以實(shí)現(xiàn)燃料和一次風(fēng)的預(yù)熱，而在此過(guò)程中，有必要進(jìn)一步探討其對(duì)穩(wěn)燃的影響。另外，當(dāng)擴(kuò)口長(zhǎng)度增加時(shí)，回流區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜化，二次回流位置逐漸向前發(fā)展，渦管截面不再平行于對(duì)稱軸，呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)。當(dāng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為2L時(shí)，在其他兩種情況所具有的一、二次回流之間又發(fā)生了一次回流，而且在軸線位置出現(xiàn)了正向旋流區(qū)，發(fā)生軸向速度正值。對(duì)此進(jìn)行分析認(rèn)為，二次回流渦管的收縮是由于二次風(fēng)的擴(kuò)展壓制其擴(kuò)大，從而形成收縮。對(duì)擴(kuò)口長(zhǎng)度為2L時(shí)的中間回流來(lái)說(shuō)，其成因是因?yàn)閿U(kuò)口的加長(zhǎng)延遲了一、二次風(fēng)的混合，所以，一次風(fēng)的擴(kuò)展和徑向運(yùn)動(dòng)是造成中間回流的主要原因。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，該回流區(qū)存在于一次風(fēng)擴(kuò)展段內(nèi)，并未受二次風(fēng)的影響。對(duì)正向旋流的生成來(lái)說(shuō)，由于其處于中間回流和二次回流之間，2個(gè)旋流外圍流體的流動(dòng)方向相同，均與軸向相反，誘使中心流體產(chǎn)生同向的流動(dòng)。對(duì)二次回流旋渦而言，其流體的回流抽吸作用在軸向正方向上產(chǎn)生負(fù)壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補(bǔ)真空，產(chǎn)生了正向旋流。這個(gè)旋流的存在使回流區(qū)的流場(chǎng)變得更加復(fù)雜，在熱態(tài)條件下，該處旋流仍然起到加強(qiáng)高溫?zé)煔夂腿剂匣旌系淖饔?，只不過(guò)不再是回流而已。

不同的燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度使其回流區(qū)尺寸和內(nèi)部流場(chǎng)均發(fā)生了變化，其共性是回流區(qū)隨擴(kuò)口長(zhǎng)度的增大而增大，回流區(qū)內(nèi)部至少有兩次回流，分別為初次回流和二次回流。當(dāng)擴(kuò)口繼續(xù)增大時(shí)，回流區(qū)增大的不明顯，內(nèi)部將出現(xiàn)中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個(gè)意義說(shuō)，回流區(qū)僅僅只是個(gè)廣義的概念，并不能代表在其范圍內(nèi)真實(shí)流體的運(yùn)動(dòng)特性。

3 結(jié)論

共軸同向旋流燃燒器是一種普遍使用的燃燒器，它可以保證熱態(tài)時(shí)的高效穩(wěn)燃和燃料加熱。本文通過(guò)數(shù)值模擬，分析了這種燃燒器回流區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性——存在多級(jí)回流的現(xiàn)象，從熱量有效傳遞的角度而言，這種回流形式可以減少高低溫傳熱損失，是有利于穩(wěn)燃和換熱的。另外，隨著一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，內(nèi)部回流區(qū)變長(zhǎng)、變寬，回流量加大，內(nèi)部旋流多元化。在實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以考慮采用長(zhǎng)的擴(kuò)口，但是，這種增長(zhǎng)是有一個(gè)適當(dāng)值的。

參考文獻(xiàn)

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[2]馬貴陽(yáng)，解茂昭.用RNGκ-ε模型計(jì)算內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流流動(dòng)[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程氣固多相流動(dòng)的理論及計(jì)算[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990.

[4]吳望一.流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1982.

〔編輯：白潔〕

摘 要：以旋流燃燒器為對(duì)象，利用數(shù)值模擬方法研究回流區(qū)內(nèi)部多個(gè)旋流的存在和旋流燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)的影響，給出了相應(yīng)的流場(chǎng)分布和回流區(qū)模擬結(jié)果，以期為今后燃燒器的改進(jìn)和相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：旋流燃燒器；數(shù)值模擬；回流區(qū)；擴(kuò)口長(zhǎng)度；流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TK223.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃燒器設(shè)計(jì)中，形成較大范圍的高溫回流區(qū)，強(qiáng)化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對(duì)穩(wěn)定燃燒非常重要。回流區(qū)的特性受燃燒器幾何結(jié)構(gòu)的影響，所以，研究燃燒器回流區(qū)的內(nèi)部流場(chǎng)分布和燃燒器的幾何參數(shù)對(duì)它的影響是十分必要的。利用數(shù)值模擬的方法不但便于研究，還可以有效降低實(shí)驗(yàn)成本，并預(yù)測(cè)流場(chǎng)變化，指導(dǎo)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)。

1 數(shù)學(xué)模型

以某油田注汽鍋爐共軸同向旋流燃燒器為研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，中心為燃料噴槍，一、二次風(fēng)管出口布置有軸向葉片，一次風(fēng)管內(nèi)徑和外徑分別為133 mm、346.63 mm，二次風(fēng)管外徑為585 mm，出口采用擴(kuò)錐，擴(kuò)錐角度為40°。本文研究的一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5 L，同時(shí)，分析一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為L(zhǎng)和2L這兩種情況時(shí)，冷態(tài)流場(chǎng)回流區(qū)的特性。

計(jì)算用通用微分方程如下：

采用軸對(duì)稱有旋轉(zhuǎn)的流動(dòng)方程式（此時(shí)，雖然 ，但

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 回流區(qū)的成因和結(jié)構(gòu)

在一次風(fēng)管出口，鑒于一次風(fēng)的流出及其徑向運(yùn)動(dòng)，原來(lái)停滯在燃料噴口的流體受卷吸而離開(kāi)，在噴口前形成真空區(qū)。根據(jù)流體的連續(xù)性介質(zhì)進(jìn)行假設(shè)，如果外圍流體沿軸線迅速補(bǔ)進(jìn)，在到達(dá)噴口時(shí)，受一次風(fēng)牽引作用而改變方向，在此位置開(kāi)擴(kuò)口，與速度更高的二次風(fēng)相遇，一次風(fēng)受卷吸與二次風(fēng)融合后發(fā)生擴(kuò)展，同時(shí)，由于射流本身的旋轉(zhuǎn)離心作用，增強(qiáng)了

離心趨勢(shì)，使射流中心流體離開(kāi)了軸心位置，形成負(fù)壓。外部氣流在壓力梯度的作用下沿軸線回流，當(dāng)回流至一定位置，一次風(fēng)提供給流體的動(dòng)量足以克服逆向壓力梯度時(shí)，回流流體便會(huì)改變速度方向，隨一次風(fēng)運(yùn)動(dòng)，形成二次回流，這是一、二次風(fēng)共同作用的結(jié)果。在熱態(tài)燃燒時(shí)，初次回流可以卷吸一部分熱煙氣，對(duì)燃料進(jìn)行初次加熱，此后，二次回流將燃料和高溫?zé)煔膺M(jìn)一步混合，實(shí)現(xiàn)再次加熱，這種流場(chǎng)布局可以有效保證著火和穩(wěn)燃。

2.2 燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)的影響

考慮旋流燃燒器幾何尺寸的影響，例如擴(kuò)口長(zhǎng)度，計(jì)算了一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5L、L和2L這三種情況。其回流區(qū)形狀變化如圖3所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果可見(jiàn)，擴(kuò)口長(zhǎng)度增大，回流區(qū)變長(zhǎng)、變寬，相應(yīng)的回流量會(huì)加大。另外，隨著一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，同一截面最大風(fēng)速點(diǎn)的位置遠(yuǎn)離中心軸線，這說(shuō)明旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)展角在增大，卷吸能力在加強(qiáng)。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是因?yàn)橐淮物L(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度決定了一、二次風(fēng)的混合點(diǎn)，當(dāng)二者遭遇時(shí)，會(huì)發(fā)生動(dòng)量交換。當(dāng)擴(kuò)口較短時(shí)，一次風(fēng)會(huì)很快與二次風(fēng)混合，混合后的一、二次風(fēng)動(dòng)量克服了回流中心的壓力，使混合流體盡快擴(kuò)展，在垂直軸線方向體現(xiàn)為射流邊界擴(kuò)大和回流區(qū)封閉，形成了短而窄的回流區(qū)。隨著擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，一、二次風(fēng)在匯合時(shí)的速度都在衰減，動(dòng)量在減小，克服逆壓梯度需要的時(shí)間和動(dòng)量積累相應(yīng)增加，使回流區(qū)前滯止點(diǎn)逐漸后移，擴(kuò)大了回流區(qū)。但是，擴(kuò)口長(zhǎng)度在達(dá)到L以后，繼續(xù)加長(zhǎng)擴(kuò)口對(duì)回流區(qū)的增長(zhǎng)收效不大，這可能是受流體動(dòng)量有限性的影響，其克服壓力形成封閉的能力存在上限。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變擴(kuò)口長(zhǎng)度來(lái)擴(kuò)大回流區(qū)保證燃燒時(shí)，要考慮選取一個(gè)適當(dāng)值。

不同的擴(kuò)口長(zhǎng)度對(duì)回流區(qū)內(nèi)部有不同的影響，從擴(kuò)口長(zhǎng)度為0.5L、L和2L時(shí)的流場(chǎng)圖中可以發(fā)現(xiàn)，初次回流是普遍存在

的現(xiàn)象，它的存在可以實(shí)現(xiàn)燃料和一次風(fēng)的預(yù)熱，而在此過(guò)程中，有必要進(jìn)一步探討其對(duì)穩(wěn)燃的影響。另外，當(dāng)擴(kuò)口長(zhǎng)度增加時(shí)，回流區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜化，二次回流位置逐漸向前發(fā)展，渦管截面不再平行于對(duì)稱軸，呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)。當(dāng)擴(kuò)口長(zhǎng)度為2L時(shí)，在其他兩種情況所具有的一、二次回流之間又發(fā)生了一次回流，而且在軸線位置出現(xiàn)了正向旋流區(qū)，發(fā)生軸向速度正值。對(duì)此進(jìn)行分析認(rèn)為，二次回流渦管的收縮是由于二次風(fēng)的擴(kuò)展壓制其擴(kuò)大，從而形成收縮。對(duì)擴(kuò)口長(zhǎng)度為2L時(shí)的中間回流來(lái)說(shuō)，其成因是因?yàn)閿U(kuò)口的加長(zhǎng)延遲了一、二次風(fēng)的混合，所以，一次風(fēng)的擴(kuò)展和徑向運(yùn)動(dòng)是造成中間回流的主要原因。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，該回流區(qū)存在于一次風(fēng)擴(kuò)展段內(nèi)，并未受二次風(fēng)的影響。對(duì)正向旋流的生成來(lái)說(shuō)，由于其處于中間回流和二次回流之間，2個(gè)旋流外圍流體的流動(dòng)方向相同，均與軸向相反，誘使中心流體產(chǎn)生同向的流動(dòng)。對(duì)二次回流旋渦而言，其流體的回流抽吸作用在軸向正方向上產(chǎn)生負(fù)壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補(bǔ)真空，產(chǎn)生了正向旋流。這個(gè)旋流的存在使回流區(qū)的流場(chǎng)變得更加復(fù)雜，在熱態(tài)條件下，該處旋流仍然起到加強(qiáng)高溫?zé)煔夂腿剂匣旌系淖饔?，只不過(guò)不再是回流而已。

不同的燃燒器擴(kuò)口長(zhǎng)度使其回流區(qū)尺寸和內(nèi)部流場(chǎng)均發(fā)生了變化，其共性是回流區(qū)隨擴(kuò)口長(zhǎng)度的增大而增大，回流區(qū)內(nèi)部至少有兩次回流，分別為初次回流和二次回流。當(dāng)擴(kuò)口繼續(xù)增大時(shí)，回流區(qū)增大的不明顯，內(nèi)部將出現(xiàn)中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個(gè)意義說(shuō)，回流區(qū)僅僅只是個(gè)廣義的概念，并不能代表在其范圍內(nèi)真實(shí)流體的運(yùn)動(dòng)特性。

3 結(jié)論

共軸同向旋流燃燒器是一種普遍使用的燃燒器，它可以保證熱態(tài)時(shí)的高效穩(wěn)燃和燃料加熱。本文通過(guò)數(shù)值模擬，分析了這種燃燒器回流區(qū)內(nèi)部流場(chǎng)的復(fù)雜性——存在多級(jí)回流的現(xiàn)象，從熱量有效傳遞的角度而言，這種回流形式可以減少高低溫傳熱損失，是有利于穩(wěn)燃和換熱的。另外，隨著一次風(fēng)擴(kuò)口長(zhǎng)度的增加，內(nèi)部回流區(qū)變長(zhǎng)、變寬，回流量加大，內(nèi)部旋流多元化。在實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以考慮采用長(zhǎng)的擴(kuò)口，但是，這種增長(zhǎng)是有一個(gè)適當(dāng)值的。

參考文獻(xiàn)

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[2]馬貴陽(yáng)，解茂昭.用RNGκ-ε模型計(jì)算內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)湍流流動(dòng)[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程氣固多相流動(dòng)的理論及計(jì)算[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1990.

[4]吳望一.流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1982.

〔編輯：白潔〕