繩以健，劉 赫，崔運(yùn)靜，束 奇，謝 凱，張 松，王宗明

(1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010；2.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.濰坊科技學(xué)院 智能制造學(xué)院，山東 濰坊 262700；4.中國石油大學(xué)(華東) 石大山能新能源學(xué)院 山東 青島 266580)

燃燒器是各部門后勤中常見的設(shè)備，一般以平原環(huán)境為使用對象，燃燒灶室空間相對較小，因此在高海拔條件中使用易出現(xiàn)火焰長度長[1-5]，燃油易碰冷壁結(jié)焦，燃燒不完全，燃燒效率低，污染物排放高的情況。究其原因有兩方面：一是根據(jù)課題組理論研究結(jié)果[3-6]：當(dāng)海拔高度達(dá)到5 000 m時(shí)，液滴(粒徑為20～60 μm)的平均燃燒時(shí)間是海拔高度0 m時(shí)的1.75倍，平均蒸發(fā)路徑長度是海拔高度0 m時(shí)的1.6倍，即說明低氣壓條件下燃燒火焰長度將大大增加；若保持低氣壓條件下與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相同的燃空當(dāng)量比，則需增加供風(fēng)量，燃燒器出口處的氣流速度將大幅增加，火焰穩(wěn)定性降低。因此，欲將原商用平原燃燒器應(yīng)用于高海拔環(huán)境，需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造。在爐灶燃燒室中，燃燒器出口流場結(jié)構(gòu)對燃燒性能有很大影響，風(fēng)量分配對燃燒過程中油氣在前期和后期的混合直接相關(guān)，回流區(qū)對于點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒、燃燒的完全性以及碳煙的生成都有很大關(guān)系。因此這里重點(diǎn)關(guān)注燃燒穩(wěn)焰盤的設(shè)計(jì)。

武邵東[7]設(shè)計(jì)了一種新型燃燒器，數(shù)值研究了旋流葉片傾角和葉片數(shù)量對高爐煤氣燃燒器燃燒性能的影響。朱禹洲等[8]分析了三種穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)焰與混合效果，發(fā)現(xiàn)相比較而言帶有因窄縫旋流孔的高速旋流穩(wěn)焰結(jié)構(gòu)具有最高的旋流強(qiáng)度，較好地實(shí)現(xiàn)低氮燃燒器不同分區(qū)內(nèi)的空氣精準(zhǔn)分配，強(qiáng)化燃?xì)夂涂諝獾目焖倩旌喜⒈ＷC穩(wěn)定燃燒，實(shí)現(xiàn)燃?xì)獾偷紵??？梢娊柚鹘Y(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)燃燒器穩(wěn)焰。

為了保持較低大氣壓下燃油燃燒器的額定功率并使燃燒器與用能設(shè)備適配，擬采用不同的旋流穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)以穩(wěn)定配風(fēng)、縮短燃燒火焰長度。因此，首先根據(jù)冷態(tài)?；ㄕf明采用冷態(tài)流場結(jié)構(gòu)模擬熱態(tài)流場結(jié)構(gòu)分析的可行性，然后進(jìn)行高海拔條件燃燒器的穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和燃燒筒直徑適應(yīng)性數(shù)值分析，以改善高海拔條件下的配風(fēng)穩(wěn)焰問題。

1 冷態(tài)?；?/h2>

冷態(tài)?；侵高\(yùn)用相似理論來研究燃燒過程，這里采用等溫模型近似?；堑葴亓鲃?dòng)的方法對燃燒器出口流場進(jìn)行冷態(tài)?；?。根據(jù)燃燒?；瘻?zhǔn)則，試驗(yàn)采用的燃燒器模型為實(shí)際使用的燃燒器，原型和模型在幾何上相似。操作工況(實(shí)際供風(fēng)量)一致，燃燒器出口氣流動(dòng)量比相等，因此冷態(tài)實(shí)驗(yàn)的模化條件重點(diǎn)轉(zhuǎn)化為第二自?；瘏^(qū)的確定[9]。

在額定工作狀況下，試驗(yàn)測試燃燒器額定功率為30 kW，燃料采用0#輕柴油。其理論空氣量為[10]

(1)

式中：Kar為每kg燃料中的“當(dāng)量含碳量”，Kar=Car+0.375Sar；Car、Har、Sar、Oar分別為100 kg燃料中碳、氫、硫和氧各元素所占質(zhì)量。

燃油的實(shí)際空氣量為

V=αV0Lp

(2)

式中：α為過?？諝庀禂?shù)；Lp為燃油流量，kg/h。

取α=1.08，一般燃燒器的?；R界雷諾數(shù)Recr的取值取104。

得Re=10 717.26>104

式中：υ為試驗(yàn)工況下的空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；v為試驗(yàn)工況下的空氣流速，m/s。

因此，試驗(yàn)工況處于第二自?；瘏^(qū)內(nèi)，即滿足斯林模型的?；瘲l件，因此該研究采用冷態(tài)分析方法來?；紵魅紵鹧娴臒釕B(tài)流場，探究燃燒器出口氣流的流動(dòng)規(guī)律。

2 穩(wěn)焰盤改進(jìn)設(shè)計(jì)

某商用燃燒器燃燒頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃油經(jīng)中心噴嘴以一定錐角噴出，空氣由直管燃燒筒與穩(wěn)焰盤組成的配風(fēng)器產(chǎn)生使燃油穩(wěn)定燃燒的流場結(jié)構(gòu)。穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)為中心開孔的平板蝶形穩(wěn)焰盤。因此空氣經(jīng)燃燒筒進(jìn)入穩(wěn)焰盤時(shí)被分成三股：一股通過板的中央與噴嘴組成的環(huán)形大孔隙進(jìn)入，為一次直流風(fēng)；第二股通過徑向槽縫進(jìn)入，為二次旋流風(fēng)；第三股通過燃燒筒與穩(wěn)焰盤之間的圓環(huán)空隙進(jìn)入，為三次直流風(fēng)[11]。要增強(qiáng)全自動(dòng)輕油燃燒器在一體化爐灶中的火焰適配性，縮短火焰長度，可以從穩(wěn)焰盤和燃燒筒的設(shè)計(jì)入手，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化燃燒流場，在小空間尺度下實(shí)現(xiàn)噴霧火焰的高效燃燒。這里主要關(guān)注穩(wěn)焰盤的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖1 原燃燒頭結(jié)構(gòu)

為縮短火焰長度，新穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)主要有兩種結(jié)構(gòu)。第一種主要通過調(diào)整葉片傾角從而改變旋流強(qiáng)度的方法以達(dá)到縮短火焰長度的目的。旋流葉片采用螺旋扭曲葉片(見圖2(a))，3D打印加工，葉片傾角主要取30、45和60°三個(gè)角度，葉片數(shù)目主要取12、14和15個(gè)，結(jié)構(gòu)中還嘗試增加了45°同向或反向的中心風(fēng)旋流槽結(jié)構(gòu)(見圖2(a))。第二種穩(wěn)焰盤(結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示)相對原穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，設(shè)計(jì)中保持各股風(fēng)的進(jìn)風(fēng)面積與原結(jié)構(gòu)相同，僅改變了二次旋流風(fēng)的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)。

圖2 穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)示意圖

對于旋流葉片式穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)，其旋流強(qiáng)度可用以下公式計(jì)算[12]：

(3)

式中：ro為葉片外徑,mm；ri為葉片內(nèi)徑,mm；β為葉片傾角(取葉片中心線上兩端與軸線的垂面之間的夾角的算術(shù)平均值)，(°)；Z為葉片數(shù)目；η為相鄰兩葉片出口間距，mm。

(4)

式中：δ為葉片厚度，mm。

各穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)特征如表1所示。

表1 各穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)特征

3 數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果

建立包括穩(wěn)焰盤、燃燒筒的燃燒空間模型如圖3所示，穩(wěn)焰盤來流側(cè)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用該ICEM軟件劃分六面體網(wǎng)格，模型尺寸較大，網(wǎng)格數(shù)量約566萬。

首先對圖2(a)所示螺旋扭曲葉片穩(wěn)焰盤下游流場進(jìn)行葉片傾角影響的數(shù)值分析。采用Realizedk-ε湍流模型，DPM離散相模型，霧化方式采用離散液滴群設(shè)置。燃料和空氣入口為質(zhì)量流量入口，燃料流量為0.002 8 kg/s，溫度273.15 K，霧化方式選擇壓力-旋流霧化，所用噴嘴噴口直徑0.3 mm，過?？諝庀禂?shù)α取1.2，助燃空氣溫度273.15 K。出口設(shè)定為壓力出口。燃燒筒設(shè)置為固壁?？諝饷芏热?.831 kg/m3，大概對應(yīng)海拔3 595 m、0 ℃環(huán)境的空氣密度。

圖3 計(jì)算模型(含穩(wěn)焰盤、曲線型燃燒筒)及網(wǎng)格劃分情況

計(jì)算得到表2所示不同旋流角度相同旋流葉片數(shù)目的穩(wěn)焰盤所對應(yīng)的回流量，可見葉片傾角越小，回流量越大。測量位置從噴嘴(y=0)出口沿y向確定。

表2 不同葉片旋流角度的回流量

圖4為6號穩(wěn)焰盤扭曲葉片處的氣流速度矢量圖，可以看出氣流流經(jīng)傾斜曲面葉片時(shí)，氣流流向發(fā)生明顯改變，引起該葉片具有明顯的旋流導(dǎo)向作用。

圖4 6#穩(wěn)焰盤葉片間氣流速度矢量圖

保持相同的燃料和空氣質(zhì)量流量、溫度、壓力出口等邊界條件，比較兩種穩(wěn)焰盤的回流區(qū)(vy≤0)，圖5所示冷態(tài)數(shù)值計(jì)算得到的回流區(qū)，可以看出開槽平板式結(jié)構(gòu)明顯可以增大回流區(qū)。

3.2 熱態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將原型穩(wěn)焰盤和表1中兩類穩(wěn)焰盤分別安裝于同一臺燃燒器上，在高海拔條件下(氣壓0.061 MPa)進(jìn)行裸燒試驗(yàn)檢驗(yàn)，裸燒試驗(yàn)火焰照片如圖6所示，所選取火焰照片為相應(yīng)燃燒視頻中最能反映火焰平均形狀特征的圖片。從圖6可以看出開槽平板式穩(wěn)焰盤(1號)較其他型號能夠明顯縮短火焰長度粗短火焰，更適合高海拔條件應(yīng)用，優(yōu)于旋流葉片式結(jié)構(gòu)。而旋流葉片數(shù)越多，二次風(fēng)過流面積越小，導(dǎo)致射流動(dòng)量越大，火焰被軸向拉長；2號和3號穩(wěn)焰盤的旋流葉片均為12片，中心風(fēng)旋槽與二次風(fēng)旋向關(guān)系不同，可以看出內(nèi)外相同旋向(3號)明顯比相反旋向(2號)的火焰長度小，火焰直徑大，但葉片數(shù)增多后(如4號和5號、6號和7號這兩組)，穩(wěn)焰盤內(nèi)外旋向的影響不明顯，但火焰長度隨葉片數(shù)目增加呈縮短趨勢。

圖5 回流區(qū)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖6 不同穩(wěn)焰盤結(jié)構(gòu)燃燒試驗(yàn)照片

另外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)僅1號穩(wěn)焰盤上沒有積灰，其他型號穩(wěn)焰盤中心柱處都有少量積灰，說明旋流葉片式穩(wěn)焰盤徑向厚度僅有1 mm的中心柱，起到了駐留氣體的穩(wěn)焰作用，但卻容易造成噴嘴結(jié)焦，因此該結(jié)構(gòu)應(yīng)加以改進(jìn)。

4 燃燒筒適配改進(jìn)

根據(jù)計(jì)算將旋流葉片式穩(wěn)焰盤安裝原燃燒筒時(shí)，所形成附近流場結(jié)構(gòu)如圖7(a)或圖8(a)所示，因此為了充分發(fā)揮火焰直徑增大長度縮短的優(yōu)勢，使旋流穩(wěn)焰盤與燃燒筒更好適配，計(jì)算了無燃燒筒情況，分析組分流動(dòng)路徑和回流區(qū)變化。所使用的計(jì)算域模型和求解設(shè)置均同前，區(qū)別是將原燃燒筒分別設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面(Standard wall)和內(nèi)部面(Interior)。在軸剖面內(nèi)穩(wěn)焰盤附近的流動(dòng)情況如圖7所示。對比兩種情況計(jì)算結(jié)果可以看出無燃燒筒時(shí)，穩(wěn)焰盤旋流引起的低速區(qū)更大，更易在穩(wěn)焰盤上方形成較大的回流區(qū)，如圖8所示。

圖7 軸剖面內(nèi)穩(wěn)焰盤附近流動(dòng)情況(β=30°)

圖8 軸剖面內(nèi)回流區(qū)示意圖(β=30°)

圖9為燃燒筒附近的徑向氣流流動(dòng)，圖中燃燒筒從上到下分為三段，分別記為A、B和C，這三段的組分質(zhì)量流量分別如表3所示。正號表示流體徑向向外流動(dòng)，負(fù)號表示徑向向里流動(dòng)。中間B段位于旋流葉片周邊，受穩(wěn)焰盤外錐面的引導(dǎo)，氣流向外擴(kuò)張，如果沒有旋流，A段將成為徑向向外流量最大的號段，穩(wěn)焰盤的旋流葉片有向中間聚攏的作業(yè)，因此A號段徑向向外的流量迅速減小，B段為徑向向外流量最大的號段。而C段燃燒筒外圍為回流死區(qū)，氣流徑向回流。

圖9 燃燒筒所在面各段流量統(tǒng)計(jì)分區(qū)

表3 燃燒筒各段組分流量統(tǒng)計(jì) kg/h

因此，燃燒筒尺寸建議適當(dāng)增大到圖9中虛線圓柱框位置，即直徑從78 mm增大到90 mm，可使旋流氣流充分發(fā)展，再聚攏，可生成較大回流區(qū)。

5 結(jié) 論

根據(jù)冷態(tài)?；瘻?zhǔn)則，試驗(yàn)用某輕油燃燒器的出口流場在額定工況下大于臨界雷諾數(shù)104，處于第二自模化區(qū)內(nèi)，可用冷態(tài)流場?；療釕B(tài)燃燒場進(jìn)行流場分析。然后對應(yīng)用于高海拔條件的輕質(zhì)油燃燒器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值分析，主要設(shè)計(jì)了旋流葉片式和平板開槽式穩(wěn)焰盤，并分別進(jìn)行了回流區(qū)數(shù)值計(jì)算分析和高海拔熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的火焰比較，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了燃燒筒直徑的適配性改進(jìn)分析。數(shù)值計(jì)算表明：螺旋扭曲葉片傾角β越小，回流氣量越大，傾斜曲面葉片對氣流旋流有明顯的引導(dǎo)作用。從高海拔裸燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，開槽平板式穩(wěn)焰盤較旋流葉片式能夠明顯縮短火焰長度，其粗短火焰更適合高海拔條件應(yīng)用。旋流葉片數(shù)越多，二次風(fēng)過流面積越小，導(dǎo)致射流動(dòng)量越大，火焰被軸向拉長。旋流葉片數(shù)目不同，中心風(fēng)旋槽與二次風(fēng)旋向關(guān)系對火焰形狀影響不同。對比計(jì)算有無燃燒筒時(shí)穩(wěn)焰盤下游回流區(qū)，認(rèn)為原有燃燒筒與高旋流穩(wěn)焰盤不適配，若將燃燒筒直徑從78 mm增大到90 mm，可使旋流氣流充分發(fā)展，再聚攏，生成較大回流區(qū)。