旋流強度對生物質燃燒機出口附近顆粒碰撞數的影響
摘 要：為了解決電站鍋爐爐膛結渣的問題，研究了對結渣有重要影響的顆粒碰撞數受二次風旋流強度影響的規律。利用相位多譜勒儀fPDA)測量了旋流生物質燃燒機模型出口流場。用以驗證同工況下的計算結果，比較結果表明，氣流的平均速度在生物質燃燒機出口能很好地符合。在此基礎上徵值計算了不同內二次風旋流強度下生物質燃燒機出口的流場，并用隨機軌道模型對流場進行后處理，計算顆粒碰撞數。結果表明，顆粒碰撞數占總顆粒數比例很小。顆粒碰撞數與內二次風旋流強度大小成反比旋流強度大時，顆粒碰撞數小。
  近十幾年來。結渣數值模擬多應用于直流燃燒器旋流生物質燃燒機中較少應用[1-4]旋流生物質燃燒機二次風的旋流強度對爐內空氣動力場特性有重要影響p引。進而影響飛灰顆粒的運動軌跡，導致影響顆粒與水冷壁面的碰撞研究旋流生物質燃燒機二次風的旋流強度變化對顆粒碰撞數的影響。得出使顆粒碰撞數小的旋流強度，對減輕旋流生物質燃燒機出口結渣有重要意義o
  本文研究的生物質燃燒機是一種雙調風低N@旋流生物質燃燒機，結構簡圖如圖1所示該生物質燃燒機的一次風和內外二次風都是旋流。一次風的旋轉通過蝸殼產生。內外二次風的旋轉通過旋轉葉片產生生物質燃燒機中心通一股直流的三次風f類似于其他生物質燃燒機中的中心風、
  本文先將實驗結果與計算結果進行比較，符合較女子o然后用數值計算方法研究了不同二次風旋流強度下生物質燃燒機出口流場在此基礎上，用隨機軌道模型計算顆粒運動軌跡，并用UDF程序計算顆粒碰撞數。
1實驗測量和數值計算
1.1實驗測量
  實驗裝置如圖2所示，包括測量段、供風系統和PDA測量系統，實驗段頂部為內徑200mm的軸向進氣口，通向旋流生物質燃燒機模型喉部出口，模型尺寸是實際生物質燃燒機尺寸的1／8實驗段的測量體為總長1.Sm，內徑Im的圓筒，沿測量段軸線方向有寬380mm，厚度為20mm的光學玻璃作為光學窗口以便激光束的射入和接收供風系統包括鼓風機，引風機分風箱和連接管道
  用PDA測量了內二次風葉片開口為30%，外二次風葉片開口為30殤的氣相流場。實驗中使用了焦距為800mm的鏡頭，易于測得中心處的速度。
  實驗中采用煙霧發生器作為示蹤粒子發生器。示蹤粒子為水、乙二醇和丙二醇的混和油。由煙霧發生器加熱至氣態后噴入爐膛，PDA測得氣態混和油粒徑為7．弭m
  為了獲得比較明顯的流場結構，實驗中采用較大的一次風和二次風風速，其中一次風管道速度為30m／s，二次風管道速度為25m居
  實驗中在軸向取8個生物質燃燒機出口附近的測量截面(h=40，60，80，120，160，200，240，280mm)，達些測量截面上沿徑向分別取20個測點。在二次風出口速度變化大處，測點加密每個測點2min內有效取樣為1000個數據
1.2數值計算
  計算域為旋流生物質燃燒機模型附近的水冷壁和爐膛區域根據旋流生物質燃燒機出口附近的流場特性，采用二維軸對稱結構模擬該區域為了得到較好的收斂結果，對生物質燃燒機喉部壁面附近、水冷壁附近進行了網格細分。并采用模擬旋流結果最好的RealizableK{?！?1進行計算計算工況與實驗工況相同
2結果與討論
2.1計算結果驗證
  圖3為氣流的平均軸向速度和平均切向速度計算值與實驗值的對比圖中x表示截面離生物質燃燒機出口的距離，R表示測點與中心線的距離，D表示燃燒器模型喉部直徑
  從平均軸向速度比較圖中可以看出，在所有截面，速度整體變化趨勢計算值和實驗值符合的非常好在前3個截面，軸向速度峰值大小和出現位置均相同。在后5個截面，實驗值速度峰值稍小于計算值，出現位置比計算值接近中心軸線
  在進行比較的截面，計算值和實驗值都表現出相同的流場結構。中心處均有回流區，這是由氣流的旋轉造成的氣流卷1及o外二次風出口軸向速度達到最大值，這是由外二次風的剛性馴起的。外二次風出口沿徑向壁面方向，由于氣流的強烈旋轉引起速度衰減劇烈，速度從最大值迅速降到接近零值
  從平均切向速度比較圖中可以看出，在所有截面，速度整體變化趨勢計算值和實驗值符合的也很好類似平均軸向速度的比較。在前3個截面，切向速度峰值出現位置均相同，峰值大小很接近在后5個截面，實驗值速度峰值稍大于計算值在外二次風出口處切向速度達到最大值
  從比較結果可以看出，在前3個截面。不管是氣流軸向速度還是切向速度。計算值與實驗值符合得很好，這是流場影響顆粒碰撞率的重要區域，接下來的數值計算將重點考察該區域的流場。計算值能提供精確的結果o后5個截面。速度變化趨勢定性符合誤差來源主要在于PDA對旋流的測量誤差和強旋流動的湍流模型選取o盡管如此，數值計算已基本預報出旋流生物質燃燒機出口附近的流場特性，并可以用于工程實際問題的分析。
2.2實際旋流生物質燃燒機出口流場數值模擬
  生物質燃燒機出口流場對顆粒與水冷壁面的碰撞有重要影響計算與實驗比較表明。在生物質燃燒機出口區域。計算結果有足夠的精確度。因此能用數值計算來預報實際生物質燃燒機出口流場的情況，并研究二次風不同旋流強度對流場的影口向通過計算顆粒碰撞率研究二次風旋流強度對結渣的影響。
2.2.1二次風旋流強度對生物質燃燒機出口流場的影響
  在二次風流量和一次風流量不變的情況下，研究了內二次風旋流強度對生物質燃燒機出口流場的影口恕旋流強度的定義如下[引：
  K=8//rDp．  (1)其中：，是旋轉動量矩，』=dq。wRsW緲是氣流的體積流量；w是氣流切向速度：R。是旋轉氣流的旋轉半徑；D是生物質燃燒機喉部直徑；p是軸向動量矩，p=
  圖5給出了生物質燃燒機出口附近內二次風旋流強度各個工況平均軸向速度和平均切向速度的比較圖中x表示截面離生物質燃燒機出口的距離，尺為徑向距離，D表示生物質燃燒機喉部直徑
  內外二次風和一次風的入口邊界軸向速度依據  從圖中比較可以看到，內二次風旋流強度大時，電廠現場采集到的數據設定分別為30m／s25m／ 中心回流區尺寸和回流量大。二次鳳出口軸向速度s和25.6qm／s。切向速度依據不同的旋流強度K 和切向速度峰值尢并且近壁面的回流區也
 2.2.2顆粒碰撞數計算
  在流場計算的基礎上。采用顆粒隨機軌道模型進行顆粒軌跡的求解和碰撞統i，+o顆粒軌道模型在二維流場中已經有非常成功的計算效率和結果o統計顆粒碰撞數所需的顆粒軌道數目由以下因素確定¨叫：水冷壁網格數目70。假定必須要有一個顆粒碰到壁面才能進行統計，則最少需要70條顆粒軌道，也即70個顆粒，再假定平均每5個顆粒才會有一個顆粒碰到壁面和需要有10組不同粒徑的顆粒。則總共所需的顆粒軌道數為3500，即被統計的顆粒總數為3500個。
  為統計方便，用程序將水冷壁處理成為顆粒一碰到壁面就被吸收的邊界條件在后續的研究中，將在顆粒碰撞數的基礎上，考慮更多的影響顆粒粘附壁面的因素，如顆粒粘度、入射速度和角度等來改進該程序，用以更精確地計算結渣率
  從圖中可以看出，顆粒碰撞數隨著內二次風旋流強度的逐漸增大而逐漸減/J、旋流強度為0.5時的顆粒碰撞數是旋流強度為1.7時的4倍o這是因為大的旋流強度產生大的卷吸，顆粒多集中于中心回沆區。整體而言，顆粒碰撞數占總顆粒數的比例很小，最大顆粒碰撞數占總顆粒數的碭。從圖5中可以看出，水冷壁面附近氣體軸向速度非常小，并且切向速度非常大。這就阻止了顆粒向壁面的運動，這是導致顆粒碰撞數普遍較低的原因。
3結 論

  本文用PDA測量了旋流生物質燃燒機模型出口的流場，驗證了同工況下數值計算的流場比較結果表明，在生物質燃燒機出口區域，計算值與實驗值符合地較好，能用RealizableK趣湍流模型研究其他工況下同區域內的流場。

生物質氣化站，598jx