吳玉新,郭慧娜，馮樂樂，胡振坤， 張守玉

(1.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2. 中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116;3. 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093)

固體燃料在熱氣流中的著火是其燃燒中的重要過程，該過程中，燃料顆粒的著火受多種因素影響，包括煤種、顆粒尺寸、加熱方式等，除此之外，顆粒所在的氣流環(huán)境(自然對(duì)流或強(qiáng)迫對(duì)流)對(duì)其著火過程也具有重要影響。LIU等在豎管爐內(nèi)，研究了不同的對(duì)流強(qiáng)度對(duì)粒徑約1.5 mm的大同煙煤溫升歷程、著火延遲時(shí)間和著火機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)氣相速度增大，升溫速率明顯增加，著火提前。KHATAMI等在落管爐內(nèi)，研究了在自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流情況下不同煤階的煤粉著火機(jī)理，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于自然對(duì)流，強(qiáng)迫對(duì)流使煤顆粒的升溫速率變慢、著火延遲時(shí)間延長。雖然在不同的試驗(yàn)臺(tái)上得出了相反的試驗(yàn)結(jié)果，但該結(jié)果進(jìn)一步表明，燃料顆粒在熱氣流中升溫至著火點(diǎn)的過程在顆粒整個(gè)燃燒歷程中占據(jù)了很大一部分，準(zhǔn)確預(yù)測顆粒受熱及溫升過程，對(duì)研究燃料顆粒著火特性和著火穩(wěn)定性、燃燒工況優(yōu)化具有重要意義。

隨著雙碳目標(biāo)的提出，利用生物質(zhì)與煤耦合發(fā)電成為燃煤電廠大規(guī)模減少CO的最可行措施，由于生物質(zhì)破碎困難，目前生物質(zhì)顆粒粒徑一般為毫米級(jí)，其燃燒過程與微米級(jí)顆粒有較大區(qū)別。而流化床燃煤鍋爐中的燃料受熱及燃燒過程中，也是毫米級(jí)煤顆粒在強(qiáng)湍流密相床中發(fā)生受熱與著火。

以往研究一般通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究毫米級(jí)大顆粒燃料的燃燒過程，試驗(yàn)設(shè)備為熱重分析儀、落管爐、平面火焰法和單顆粒反應(yīng)器等，只能提供低雷諾數(shù)下的升溫和著火環(huán)境，即關(guān)注層流條件或低脈動(dòng)流場中大粒徑燃料顆粒的燃燒特性。隨著對(duì)高效、環(huán)保燃燒技術(shù)的重視，具有高速射流特征的低氧稀釋燃燒技術(shù)[11-12]日益得到重視，被認(rèn)為是新一代高效潔凈的燃燒技術(shù)。該技術(shù)中，實(shí)際爐膛內(nèi)部是一個(gè)具有強(qiáng)湍動(dòng)度、火焰拉伸率的環(huán)境，燃料顆粒如煤、生物質(zhì)等在其中受熱及燃燒。強(qiáng)湍流脈動(dòng)的流場特征對(duì)固體燃料顆粒的傳熱、著火及燃燒均具有重要影響。在氣體燃料燃燒研究中發(fā)現(xiàn)，流場的湍流脈動(dòng)會(huì)使火焰面變得褶皺，從而增大火焰面積，在一定范圍內(nèi)增大湍流燃燒速度。在固體燃料的燃燒中，湍流脈動(dòng)通過破壞固體顆粒的熱邊界層對(duì)顆粒邊界的氣相傳熱傳質(zhì)起強(qiáng)化作用。

考慮粒徑效應(yīng)時(shí)，由于大粒徑顆粒的弛豫時(shí)間較長，對(duì)湍流渦中的大尺度含能渦團(tuán)具有較強(qiáng)的響應(yīng)，由于微米級(jí)小粒徑顆粒的弛豫時(shí)間與湍流渦中Kolmogorov時(shí)間接近，具有較好的彌散性和傾向跟隨性。因此湍流對(duì)大顆粒燃料傳熱的作用更顯著，需要研究湍流對(duì)大顆粒燃料著火過程的影響。但目前相關(guān)試驗(yàn)研究仍非常有限，湍流強(qiáng)化氣體和液體傳熱傳質(zhì)試驗(yàn)中，典型的試驗(yàn)方法有射流火焰法、對(duì)沖火焰法、對(duì)沖風(fēng)扇法。射流火焰法通過提高來流速度以增加脈動(dòng)速度，這意味著較大的脈動(dòng)速度需要較高的時(shí)均速度，難以區(qū)分強(qiáng)迫對(duì)流與湍流脈動(dòng)的影響。對(duì)沖火焰法通過在中間平均速度接近0的滯止面上研究湍流脈動(dòng)對(duì)氣體傳質(zhì)的影響，但同樣需要較高的來流速度以達(dá)到所需的脈動(dòng)速度。對(duì)沖風(fēng)扇法是通過設(shè)計(jì)風(fēng)扇對(duì)沖流動(dòng)在空間中心形成平均速度接近0的均勻各向同性湍流區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)研究湍流脈動(dòng)對(duì)液體燃料液滴蒸發(fā)、氣體火焰?zhèn)鞑サ鹊挠绊?。BIROUK等對(duì)稱布置8個(gè)風(fēng)扇，通過在立方體的8個(gè)角放置8個(gè)風(fēng)扇構(gòu)建可控的湍流流場，并進(jìn)行各向同性湍流測量驗(yàn)證，并開展了湍流強(qiáng)度、液滴粒徑、溫度壓力等對(duì)液滴蒸發(fā)的系統(tǒng)研究，該方法的優(yōu)勢是脈動(dòng)速度大小可直接由風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)控，操作簡單高效。

由于受到環(huán)境溫度的限制，已有研究尚無法開展針對(duì)毫米級(jí)固體燃料顆粒在強(qiáng)湍流場中的傳熱及著火的試驗(yàn)。為此，筆者搭建了寬溫度范圍下的四風(fēng)扇對(duì)沖湍流試驗(yàn)裝置，開發(fā)了流場及顆粒溫度的測量方法。在不同湍流強(qiáng)度下，觀測煙煤顆粒的著火現(xiàn)象。為了區(qū)分湍流強(qiáng)化傳熱與傳質(zhì)，利用粒徑4.4 mm的銅球顆粒在高溫湍流環(huán)境下開展湍流強(qiáng)度對(duì)顆粒傳熱特性的試驗(yàn)研究，并提出了考慮湍流強(qiáng)化作用的單顆粒受熱修正關(guān)聯(lián)式，采用粒徑2 mm的銅球顆粒進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步明確了湍流對(duì)毫米級(jí)煤顆粒著火過程的促進(jìn)作用。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)與測量裝置

搭建的各向同性湍流試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，由排氣系統(tǒng)、電爐加熱系統(tǒng)、風(fēng)扇系統(tǒng)、顆粒給樣系統(tǒng)、激光測量系統(tǒng)及數(shù)采系統(tǒng)等部分組成。其中湍流電爐內(nèi)腔為八棱柱，豎直截面為正八邊形，其內(nèi)切圓直徑為200 mm。經(jīng)設(shè)計(jì)與校驗(yàn)，爐內(nèi)最高加熱溫度可達(dá)900 ℃。電爐的前后門為開關(guān)式，且在中部開有觀察窗，用于高速相機(jī)拍照；左右兩側(cè)壁面開設(shè)激光通道。電爐內(nèi)對(duì)稱布置4臺(tái)相同的風(fēng)扇，葉輪直徑為70 mm。每臺(tái)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由單獨(dú)的變頻器控制，最高安全工作轉(zhuǎn)速可達(dá)8 000 r/min，借助風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)在爐子中央構(gòu)建各向同性湍流流場。試驗(yàn)過程中，單顆粒銅球/煤樣由剛玉管和熱電偶絲固定，并通過給樣系統(tǒng)送至電爐中央。電爐內(nèi)部流場特性由粒子圖像測速儀(PIV)協(xié)同連續(xù)激光器進(jìn)行測量，顆粒溫度采用K型熱電偶和無紙記錄儀。采用Omega K型熱電偶，不確定度為±2.2 ℃或測量值的0.75%。PIV測量主要誤差來自示蹤粒子的位置，經(jīng)估計(jì)相對(duì)誤差為±1%。煤顆粒的著火時(shí)間通過高速拍照識(shí)別，對(duì)應(yīng)時(shí)間誤差為0.1 s。

圖1 均勻各向同性湍流試驗(yàn)臺(tái)示意Fig.1 Schematic diagram of the homogeneous and isotropic turbulence experimental setup

采用高速相機(jī)對(duì)無單顆粒煤/銅球的流場進(jìn)行拍攝及流場特性分析，拍攝區(qū)域?yàn)闋t膛中間20 mm × 14 mm。試驗(yàn)過程為：① 根據(jù)試驗(yàn)工況調(diào)整4臺(tái)風(fēng)機(jī)的頻率至相應(yīng)轉(zhuǎn)速，同時(shí)向流場中均勻散布示蹤粒子；② 打開連續(xù)激光器，使激光照亮所拍攝區(qū)域的示蹤粒子；③ 打開高速相機(jī)調(diào)整相機(jī)距離激光面的距離，選用適當(dāng)?shù)溺R頭焦距、光圈值，設(shè)置拍攝頻率及相機(jī)的曝光時(shí)間；④ 將拍攝的粒子圖像傳輸至計(jì)算機(jī)，采用TSI公司的Insight 4G處理軟件，根據(jù)連續(xù)的兩幀間的示蹤粒子位移計(jì)算局部的流場速度。試驗(yàn)設(shè)備的主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)備及主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)工況與數(shù)據(jù)處理方法

PIV流場4臺(tái)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化為1 000～4 000 r/min。通過Insight 4G軟件后處理可得到拍攝區(qū)域內(nèi)任一坐標(biāo)點(diǎn)下沿,方向的瞬時(shí)速度，。

(1)

(2)

時(shí)均速度分量計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中，為圖像對(duì)的個(gè)數(shù)。

為分析脈動(dòng)速度在不同工況流場中的差異，采用均方根計(jì)算脈動(dòng)速度分量，即

(5)

(6)

式中，，分別為沿，方向的均方根速度，即對(duì)測量平面上的脈動(dòng)速度分量進(jìn)行時(shí)間平均。

時(shí)均脈動(dòng)速度即湍流強(qiáng)度Vel計(jì)算公式為

(7)

利用式(3)～(7)可計(jì)算拍攝區(qū)域內(nèi)每一點(diǎn)的平均速度與脈動(dòng)速度，可用于流場特性分析以及計(jì)算顆粒雷諾數(shù)等。

在湍流中，流場的均勻性指時(shí)間平均湍流量與空間位置無關(guān)，即在每個(gè)位置的值相同；各向同性指湍流的統(tǒng)計(jì)平均性質(zhì)與空間的方向無關(guān)，湍流量在任何給定位置的所有方向上均相同，如=。為了量化均勻性與各向同性的程度，定義均勻性指數(shù)、各向同性率的計(jì)算公式為

(8)

(9)

其中，(,)為區(qū)域中心位置坐標(biāo)；(,)為區(qū)域的其他位置坐標(biāo)。通過計(jì)算拍攝區(qū)域的，即可表征流場的均勻性與各向同性。

銅球升溫測量工況見表2。由于不同粒徑的顆粒升溫趨勢基本一致，因此升溫試驗(yàn)采用2種代表性粒徑的銅球：一種為粒徑4.4 mm的銅球，升溫范圍100～500 ℃，根據(jù)其升溫結(jié)果開發(fā)湍流強(qiáng)化傳熱的模型；另一種為粒徑2.0 mm的銅球，其升溫結(jié)果用于湍流強(qiáng)化傳熱模型的驗(yàn)證。

表2 銅球升溫測量工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 湍流流場特性分析

圖2為各轉(zhuǎn)速下沿，方向流場的平均速度和脈動(dòng)速度分布?？梢钥闯觯S著轉(zhuǎn)速由1 000 r/min增至4 000 r/min，脈動(dòng)速度逐漸由0.8 m/s增至3.2 m/s，平均速度由0.1 m/s增至0.6 m/s，且流場的脈動(dòng)速度隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速線性增加，各風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的脈動(dòng)速度均遠(yuǎn)高于平均速度。流場分析結(jié)果與文獻(xiàn)[20-22]一致，試驗(yàn)中可通過改變轉(zhuǎn)速來改變流場的湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。

圖3為轉(zhuǎn)速2 000 r/min下流場的均勻性指數(shù)和各向同性率的空間分布云圖，中心虛線圓環(huán)表示后續(xù)升溫和著火試驗(yàn)中單顆粒位置，由于坐標(biāo)比例尺的原因這里顯示為橢球形，而實(shí)際上試驗(yàn)顆粒為球形?？梢钥闯?，試驗(yàn)顆粒所在的流場區(qū)域均勻性指數(shù)約為1，由于遠(yuǎn)離中心，氣流不對(duì)稱，流場的非均勻性增加；各向同性率在1.0～1.2波動(dòng)。

從流場特性分析看，試驗(yàn)系統(tǒng)雖存在宏觀平均速度，但遠(yuǎn)低于脈動(dòng)速度，同時(shí)爐內(nèi)中心位置流場具有良好的均勻性與各向同性，這使得研究湍流脈動(dòng)對(duì)顆粒傳熱的促進(jìn)作用成為可能。因此，可以認(rèn)為試驗(yàn)在近似均勻各向同性湍流條件下進(jìn)行。

圖4為爐內(nèi)中心處在不同轉(zhuǎn)速下，沿，軸方向的瞬時(shí)速度，以及沿著45°方向瞬時(shí)速度的概率密度函數(shù)?？梢钥闯?，各轉(zhuǎn)速下，3條曲線幾乎重合，說明風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的變化不影響爐內(nèi)流場的均勻性。

2.2 湍流強(qiáng)度對(duì)銅球顆粒升溫的影響

為進(jìn)一步研究湍流對(duì)傳熱的作用，并區(qū)分傳熱與傳質(zhì)，采用粒徑為4.4 mm的銅球，在不同爐溫和轉(zhuǎn)速下進(jìn)行顆粒升溫試驗(yàn)(圖5)，每個(gè)工況重復(fù)3次，重復(fù)性良好。可以看出，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著爐溫升高，升溫速率加快。為了分析湍流強(qiáng)度對(duì)升溫速率的影響，計(jì)算了爐溫為100 ℃時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下銅球的升溫速率(圖6(d))。爐溫一定時(shí)，在快速升溫階段，隨著轉(zhuǎn)速的提高，即湍流強(qiáng)度提高，銅球的升溫速率加快。對(duì)于某一確定時(shí)刻，低轉(zhuǎn)速時(shí)，如0～1 000 r/min，升溫速率的變化對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增大較為敏感；高轉(zhuǎn)速時(shí)，如2 000～3 000 r/min，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，升溫速率變化不大。這是由于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加，從氣相到顆粒表面的傳熱增強(qiáng)，從而顆粒溫度升高，同時(shí)也減小了顆粒內(nèi)部和氣相的溫差，較小的溫差降低了顆粒內(nèi)、外熱量的傳遞，即對(duì)升溫速率的增大產(chǎn)生“負(fù)反饋”效應(yīng)。轉(zhuǎn)速越高，該作用越明顯。因此在高轉(zhuǎn)速下，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速，雖然湍流脈動(dòng)速度增大，但相同時(shí)刻升溫速率的增量變化不大。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下流場的平均速度與脈動(dòng)速度分布Fig.2 Mean velocity and fluctuating velocity distribution of the flow field observed for different rotation speeds

圖3 流場的均勻性指數(shù)與各向同性率分布云圖(2 000 r/min)Fig.3 Spatial distribution of the homogeneity index and isotropy index observed for a rotation speed of 2 000 r/min

2.3 湍流強(qiáng)化顆粒傳熱模型

基于流場測量結(jié)果和顆粒升溫結(jié)果，可建立湍流強(qiáng)化顆粒傳熱的模型。

對(duì)于粒徑4.4 mm銅球，其畢渥數(shù)?0.1，因此可采用集總參數(shù)法進(jìn)行分析。假定著火前未反應(yīng)發(fā)生，顆粒受熱來自爐壁的熱輻射和氣相與固相之間的傳熱。根據(jù)經(jīng)典的顆粒加熱零維模型，顆粒的升溫速率可表示為

圖4 不同轉(zhuǎn)速下瞬時(shí)速度的概率密度函數(shù)Fig.4 Probability density functions of velocity for various fan speeds

圖5 不同溫度、不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下4.4 mm銅球的升溫結(jié)果Fig.5 Heating results of a 4.4 mm copper ball at different furnace temperatures and fan speeds

(10)

式中，為顆粒質(zhì)量，kg；為顆粒定壓比熱，J/(kg·K)；為顆粒表面積，m；為顆粒溫度，K；為氣體溫度，K；為輻射壁面溫度，K；為發(fā)射率；為對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算公式如式(11)所示；為玻爾茲曼常數(shù)。

(11)

式中，為努謝爾數(shù)；為銅球直徑，m；為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

以往關(guān)于煤顆粒升溫著火以及熱解研究中，一般只考慮流場的對(duì)流作用對(duì)升溫的影響，并采用經(jīng)典的Ranz-Marshall公式計(jì)算。

(12)

其中，為顆粒雷諾數(shù)，計(jì)算公式為

(13)

式中，為氣體密度，kg/m；為顆粒速度，m/s；為氣體黏度，Pa·s。

利用式(10) ～(13)計(jì)算不同粒徑銅球顆粒在不同轉(zhuǎn)速下的升溫曲線，并與試驗(yàn)升溫曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。由圖6可以看出，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0 (即不存在氣體脈動(dòng)速度)時(shí)，利用式(12)計(jì)算的與試驗(yàn)值較為一致；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為500～3 000 r/min(即存在氣體脈動(dòng)速度)時(shí)，計(jì)算值明顯小于試驗(yàn)值，且這種偏差隨著脈動(dòng)速度的增加而增大。通過對(duì)比不同粒徑銅球的升溫結(jié)果可以看出，顆粒粒徑越大，不考慮湍流脈動(dòng)速度帶來的計(jì)算偏差越大，說明湍流對(duì)促進(jìn)大顆粒的傳熱作用更明顯。圖7為利用Ranz-Marshall公式計(jì)算的與根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反推值對(duì)比，可以看出，這種偏差是由于只考慮對(duì)流作用而不考慮氣體脈動(dòng)作用時(shí)的計(jì)算值(即傳熱系數(shù))遠(yuǎn)小于實(shí)際值。

湍流強(qiáng)脈動(dòng)存在的情況下，忽略氣體速度的脈動(dòng)對(duì)單顆粒傳熱的促進(jìn)作用將帶來較大的溫度偏差。這是因?yàn)楹雎詺怏w脈動(dòng)將使計(jì)算得到的小于實(shí)際值，因此需要對(duì)的計(jì)算方法進(jìn)行修正。

由于試驗(yàn)系統(tǒng)存在較小的宏觀平均速度，仍需用Ranz-Marshall公式計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)顆粒傳熱的作用。為了比較湍流與層流對(duì)傳熱影響效果的異同并保證公式的簡潔性，考慮仍采用Ranz-Marshall公式的形式計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正。

(14)

其中，為氣體的脈動(dòng)速度對(duì)傳熱的作用。查閱文獻(xiàn)可知，目前尚無關(guān)于的計(jì)算公式，但有學(xué)者為了提高Ranz-Marshall公式的計(jì)算精度，采用引入額外因子的方法對(duì)其進(jìn)行修正。參考其中的方法，可表示為

圖6 不考慮氣體脈動(dòng)時(shí)預(yù)測的銅球升溫結(jié)果Fig.6 Predicted heating result of copper ball without considering turbulent fluctuating velocity

(15)

其中，為顆粒湍流雷諾數(shù)，以脈動(dòng)速度計(jì)算；下標(biāo)f，w分別為流體和壁面；，和為待確定的系數(shù)?；?.4 mm銅球顆粒的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照多元線性回歸理論可求得，和的推薦值分別為 -2.346 5，1.318 9，-4.112 3，代入式(14)～(15)可得以上擬合關(guān)聯(lián)式在試驗(yàn)范圍內(nèi)有效，其中>1。事實(shí)上，很多學(xué)者試驗(yàn)研究了湍流條件下管流中的壁面?zhèn)鳠崽匦?，文獻(xiàn)[30-31]表明，在強(qiáng)湍流條件下，表達(dá)式中雷諾數(shù)的指數(shù)大于1，最高可達(dá)1.96。因此，式(16)中顆粒雷諾數(shù)的指數(shù)大于1是合理的。此外，通過引入()表示湍流脈動(dòng)對(duì)熱邊界層中熱物性不均勻的影響。以上結(jié)果表明湍流強(qiáng)化毫米級(jí)顆粒傳熱的原因主要因?yàn)橥牧鲗?duì)壁面邊界層的破壞。

(16)

圖7 Nu的計(jì)算值與根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反推值對(duì)比Fig.7 Comparison of Nu number calculated correlation and experimental results

圖8 考慮氣體脈動(dòng)時(shí)預(yù)測的銅球升溫結(jié)果Fig.8 Predicted heating results of copper ball considering turbulent fluctuating velocity

將該傳熱模型應(yīng)用于零維模型，預(yù)測不同粒徑、爐膛溫度、爐膛轉(zhuǎn)速下的顆粒升溫，如圖8所示。可以看出，模型預(yù)測結(jié)果與的試驗(yàn)結(jié)果非常接近。因此，通過在經(jīng)典的Ranz-Marshall對(duì)流換熱關(guān)聯(lián)式中添加湍流作用項(xiàng)，并借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)，可描述湍流脈動(dòng)對(duì)顆粒傳熱的作用。

2.4 湍流強(qiáng)度對(duì)煤顆粒著火的影響

在爐溫為500 ℃時(shí)，研究粒徑為4.4 mm的左云煙煤顆粒在不同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的著火試驗(yàn)，高速相機(jī)拍攝的典型時(shí)刻照片如圖9所示。由圖9可以看出，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0 時(shí)，在44 s煤顆粒著火，反應(yīng)主要在表面發(fā)生；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，在30 s時(shí)煤顆粒著火；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，在15 s時(shí)煤顆粒即發(fā)生著火。在煤顆粒燃燒過程中沒有觀察到明顯的揮發(fā)分火焰，這是由于爐膛溫度為500 ℃時(shí)，煤顆粒處于低溫燃燒狀態(tài)。根據(jù)著火結(jié)果可知，提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速即提高湍流脈動(dòng)速度，可強(qiáng)化大粒徑煤顆粒的傳熱過程，促進(jìn)煤顆粒升溫著火。

圖9 不同轉(zhuǎn)速、不同時(shí)刻的煤顆粒照片F(xiàn)ig.9 Photos of coal particles at different speeds and at different moments

深入分析風(fēng)扇轉(zhuǎn)速提高促進(jìn)煤顆粒升溫著火的原因，需要分析湍流脈動(dòng)對(duì)傳熱傳質(zhì)2方面的影響。一方面，隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加，顆粒的湍流雷諾數(shù)增大，由式(16)可知，隨之增加，說明湍流脈動(dòng)增加提高了氣固兩相之間的傳熱系數(shù)，促進(jìn)了氣相向顆粒的傳熱過程；另一方面，根據(jù)傳熱和傳質(zhì)的可比擬性，擴(kuò)散系數(shù)也隨之增大，保證了顆粒表面有較多的氧氣以及揮發(fā)分能較快析出，促進(jìn)了顆粒著火。對(duì)于小粒徑如微米級(jí)煤顆粒，也可參考本文的研究方法修正傳熱模型，以準(zhǔn)確計(jì)算湍流脈動(dòng)對(duì)其升溫著火的影響。需要指出的是，微米級(jí)煤顆粒在湍流場中傾向于顆粒群燃燒，湍流作用通常表現(xiàn)在亞網(wǎng)格尺度，因此相對(duì)小，且微米顆粒的擴(kuò)散作用增強(qiáng)，的影響顯著降低。

3 結(jié) 論

(1)爐膛中心附近的流場可近似為均勻各向同性湍流，其平均速度遠(yuǎn)小于脈動(dòng)速度，且脈動(dòng)速度隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速線性增加。

(2)隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加，煤顆粒著火提前，銅球顆粒的升溫速率加快。湍流脈動(dòng)速度增大明顯促進(jìn)氣相向顆粒相的傳熱過程。

(3)在強(qiáng)湍流環(huán)境下，湍流對(duì)傳熱的強(qiáng)化作用不可忽略，且顆粒粒徑越大，湍流對(duì)顆粒傳熱的強(qiáng)化作用越明顯。

(4)在傳熱過程中，通過在經(jīng)典的Ranz-Marshall公式中引入湍流作用項(xiàng)，建立湍流強(qiáng)化顆粒傳熱模型，可準(zhǔn)確表征湍流脈動(dòng)對(duì)顆粒傳熱的強(qiáng)化作用。

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