石俊峰， 王會寧

(北京航天動力研究所， 北京 100000)

水煤漿熱媒爐爐內空氣動力場的數(shù)值模擬研究

石俊峰， 王會寧

(北京航天動力研究所， 北京 100000)

采用k-ε雙方程湍流模型，對爐內氣相湍流流動進行了數(shù)值模擬。分析比較了冷態(tài)空氣經不同旋流角度的燃燒器后在爐內的空氣動力場情況，研究表明冷態(tài)空氣經旋流葉片為30°的旋流燃燒器后在爐膛內的空氣動力場具有較好的分布特性。

水煤漿； 空氣動力場； 旋流； 速度矢量

0 前言

水煤漿為具有一定粒度級配的煤粉與水并加少量添加劑的混合物，是從20世紀80年代發(fā)展起來的一種以煤代油的新型燃料[1]。在國際油價居高不下的情況下，水煤漿作為代油燃料其價格優(yōu)勢十分明顯，所以以水煤漿作為燃料的燃燒設備已經在多個行業(yè)有了廣泛的應用。針對此種情況，本文結合當前市場需求，以及自身的設計、生產實力，研究開發(fā)了YJW- 11615型熱媒爐。

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬技術已被研究人員廣泛采用。數(shù)值模擬從物理模型、數(shù)學模型出發(fā)，對研究的問題進行數(shù)值求解，其數(shù)值結果對于實驗研究有很獨特的優(yōu)點,如成本低,周期短,能獲得完整的數(shù)據(jù)等。應用數(shù)值實驗研究可以對所設計的新型水煤漿熱媒爐輻射爐膛和燃燒器進行結構特性分析和各種工況下的運行分析，組織良好的爐內空氣動力場，提高燃燒效率和燃燒火焰的穩(wěn)定性，防止爐膛高溫結渣和腐蝕，降低污染物的排放量，即進行優(yōu)化和放大設計[2-5]。

本文對所開發(fā)研究的水煤漿熱媒爐爐膛進行了冷態(tài)的空氣動力場數(shù)值模擬分析研究，對在不同旋流角度入射的冷態(tài)空氣，在爐膛內所形成的流場進行了分析和比較。

1 數(shù)學模型

以水煤漿熱媒爐爐內空氣為研究對象，建立氣相流動模型。

1.1 質量守恒方程

(1)

式中ρ—流體的密度；u、v、w—x、y、z三個直角坐標上的流體速度分量(下文同)。

1.2 動量守恒方程組

x方向(u速度)動量方程：

(2)

y方向(v速度)動量方程：

(3)

z方向(w速度)動量方程：

(4)

上述動量方程中，p—流體的壓力；

μe—有效湍流粘性系數(shù)。它定義為湍流粘性系數(shù)μt和層流粘性系數(shù)之和μl，即：

ue=ut+ul

(6)

1.3 湍流模型

在k-ε雙方程模型中，湍流粘性系數(shù)μt按下式計算：

(7)

式中k—湍流動能；ε—湍流動能的耗散率；cμ—湍流模型常數(shù)。其控制方程如下：

k方程：

(7)

(8)

其中Γk=μe/σk和Γε=μe/σε。

湍流產生項

(9)

其中常數(shù)C如表1所示。

表1 選用的常數(shù)值

1.4 邊界條件

1.4.1 入口條件

各物理量在各燃燒器噴口處都取均勻入口條件，然后根據(jù)設計時給出的熱態(tài)風速進行冷態(tài)?；雭泶_定選取口氣流速度。下式為氣相湍流動能和湍流耗散率方程：

(10)

(11)

1.4.2 出口條件

設y方向為出口流動方向，按充分發(fā)展的管流條件，各變量在出口處沿流動方向的變化率為零，即：

(12)

1.4.3 壁面條件

在固體壁面上，氣流按壁面無滑移條件且無湍流運動處理，?。?/p>

φ|wall=0 φ=u，v，w，p，k，ε

(13)

1.5 初始條件

本文的模擬對象為水煤漿熱媒爐爐膛，冷空氣經爐側面的兩個旋流燃燒器后進入爐膛內，圖1給出了計算區(qū)域的結構和其網格的劃分。為比較空氣經不同旋流角度的燃燒器對于爐內空氣動力場的影響，模型選用兩種入射角度的旋流燃燒器，燃燒器中的旋流葉片分別為30°、45°，圖2給出了入射角度為30°的旋流葉片及網格劃分。

圖1 計算域結構及網格劃分

圖2 入口旋流葉片及網格劃分

2 結果和討論

圖3 燃燒器噴口中心截面速度分布圖(旋流葉片30°)

圖4 燃燒器噴口中心截面速度分布圖(旋流葉片45°)

圖3和圖4為冷態(tài)空氣經過不同角度的旋流燃燒器后，在燃燒器噴口中心截面所形成的速度分布圖。通過圖3可以看出，冷空氣經旋流燃燒器后在爐膛內形成了較為理想的空氣動力場，速度梯度分布均勻，噴口處氣體剛直有力。圖4所示可以看到冷空氣經旋流燃燒器后在爐膛內部發(fā)生比較嚴重的擴散現(xiàn)象，壁面處的空氣速度較大，對燃燒器四周的壁面會產生比較嚴重的沖刷，不利于組織燃燒。并且冷空氣經過兩個燃燒器后發(fā)生比較嚴重的干涉現(xiàn)象，爐內空氣動力場分布較為不均勻。通過圖3和圖4的比較，冷態(tài)空氣經不同的旋流角度入射，會對爐內的空氣動力場以及燃燒的組織產生比較大的影響。

圖5為冷空氣經過旋流燃燒器后，在旋流燃燒器噴口中心截面處所形成的速度矢量圖。從上圖中可以得出，當流場處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，空氣在燃燒器附近的速度矢量較大，同時空氣擴散效應較小，這就保證了組織燃燒時的火焰剛直有力，考慮此處的熱強度較大，在此處沒有布置受熱面。爐膛頂部左側為死角，在此處產生了回流，這樣就避免了此處的受熱效果不好問題。產生回流的原因是因為氣體高速射入爐膛時，會帶動入口周圍的空氣一起向速度方向運動，這樣在進口周圍就產生了一定的真空度，導致空氣入口附近的空氣不斷地補充進來，這樣就形成了旋渦，且爐膛內空氣的速度隨著與入口距離的增大而不斷減小。從圖中還可以看出，進口的速度遠遠大于回流速度，爐膛內氣體速度較低。

圖5 燃燒器噴口中心截面速度矢量圖(旋流葉片30)

圖6為冷態(tài)空氣經旋流燃燒器后距離燃燒器噴口不同距離的爐膛截面處的速度矢量圖，通過圖6a可以看出，冷態(tài)空氣經過燃燒器后，在燃燒器附近產生了較強的旋流作用，這是由冷態(tài)空氣經燃燒器中的旋流葉片后產生的，同時兩個燃燒器產生的旋流并沒有發(fā)生明顯的干涉現(xiàn)象。在熱媒爐運行時，旋流作用會卷吸周圍的高溫煙氣，使燃燒區(qū)溫度上升，有利于組織燃燒，同時旋流作用會增加煤粉顆粒在爐內的停留時間，使煤粉顆粒燃燒完全?；鹧娌话l(fā)生干涉也能使燃燒穩(wěn)定進行。通過圖6b可以看出，旋流區(qū)的強度減弱，發(fā)生了一定的擴散效應，同時爐膛上方有回流現(xiàn)象發(fā)生。這是由于冷態(tài)空氣經過一段距離后動量減弱，同時高速氣流會帶動周圍的空氣一起向速度方向運動，這樣在空氣周圍就產生了一定的真空度，導致周圍空氣不斷地補充進來，這樣就形成了回流。通過圖6c可以看出，冷態(tài)空氣向上運動，速度矢量較小。由于此截面與出口較近，出口處速度較大，在此截面的上方形成了旋流。通過圖6a、圖6b、圖6c可以看出，隨著距離燃燒器噴口截面的距離增大，旋流強度減小，氣流的擴散效應增強。

圖6 爐膛不同截面速度矢量圖(旋流葉片30)

3 結論

對水煤漿熱媒爐爐內空氣動力場進行了數(shù)值模擬研究，研究結果表明冷態(tài)空氣經角度不同的旋流葉片進入爐膛后會對爐內空氣動力場的分布產生比較大的影響。對于旋流葉片角度為30°和45°的燃燒器來講，冷態(tài)空氣經旋流葉片角度為30°的燃燒器后會在爐內形成較好的空氣動力場分布。冷態(tài)空氣經旋流葉片角度為30°的燃燒器后，產生了強烈的旋流，強烈的旋流會增加煤粉顆粒在爐內的停留時間，使煤粉顆粒燃燒完全，同時減少了火焰在水平方向的剛度，避免了氣流對后墻的直接接觸，且兩股氣流間并沒有發(fā)生明顯的干涉現(xiàn)象。經燃燒器噴出的高速氣流會卷吸周圍的空氣，能夠使爐膛頂部不容易受到氣流沖刷的死區(qū)產生回流。

[1] 李智偉，我國水煤漿燃燒技術與工業(yè)發(fā)展前景[J].云南冶金，2002，31(6)：43-44．

[2] Fiveland W A, Latham C E. Use of Numerical Modelling in the Design of Low-NOxBurnace for Utility Boiler,Comb. Sci. and Tech.，1993，93：53-72.

[3] Gorner K, Insser W. Prediction of Three Dimensional Flows in Veility Baler Furnaces and Comparison with Experiment,Comb. Sci. and Tech.，1988，58：43-57.

[4] Fan J R, Sun P. Numerical and Experimental Investigation on the Reduction of NOxEmission in a 600MW Utility Furnace by Using OFA Fuel,1999，78：1387-1394.

[5] 馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及計算(第三版)[M].北京：科學出版社，2003.

Numerical Simulation Research of Aerodynamic Field in Coal Water Slurry Furnace

SHI Jun-feng，WANG Hui-ning

The gas-phase turbulent flow in the furnace is implemented based on classicalk-εturbulence two-equation model. The different aerodynamic fields formed by different swirling burners are analysed and compared, the research shows that air sprayed by swirling burner with the swirling blade angle of 30° can form good aerodynamic field.

coal water slurry； aerodynamic field； rotational flow； velocity vector

2015-03-12

石俊峰(1982-)，河南安陽人，工程師，碩士，主要從事加熱爐設計工作。

TF821

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1003-8884(2015)03-0045-04