（热能工程专业论文）平焰燃烧流动特性的piv测试研究.pdf

内蒙击羊耳技大学硕士学位论文 摘要 p 技术楚近1 0 年发璇超来静 接触流坜溅薹技术，逶过对滚场强像的互鞠关分 析获取流速信息，克服了接触式单点测凝设备的局限性，能够进行平面二维流场、空间 三维流场的测试，是一种非常有发展前豢的无扰动流场测量技术。 平展流涤浇由予其狻特的炙洛褥浚( 火焰呈薄层黼盘形 ，褐辩子蛊焰爨浚嚣糕 吉，平焰燃烧器的火焰形状更好、更均匀和更稳定；平焰燃烧器在提高产品质量、降低 穗耗和保护环境等方丽均具有明显的优势；因此有必要对平展流流场进行研究，分辑其 速度场、联力场的分布，充分了解流场瓣褒 毛规律：黻使优亿流场缩梅。述一步笈挥平 焰燃烧器的优越性。 为此，本文采用先进的速度测试手段( p i v ) ，对乎焰燃烧冷态二维流场进行测 量；详维分聿斤流量的变化对流场结构的影响。 本文依据用等温介质模拟非等温过程的原则来建模。主要考虑几何相似、物理相 似、定鳃条件提议。最嚣按l ：1 搭建了模型。 测量了旋流强度为1 ，空气与燃气流量比分剐为1 3 6 8 、1 9 3 9 、2 1 6 7 的蔓蘩燃烧 区冷态速度场。由于冷悉实验模型内“t 体流动为有限空间内单个烧嘴的强旋流射流，在 强旋滚搏焉下，混合气体澄若扩张口内壤萄及炉顶壁巍径囱充分扩张，形成赔壁射漉， 同时沿轴向x 方向出现逆压力梯度，在烧嘴中心产生较大的回流区。匿f 比整个炉内滢合 气体的流动总体上为沿顶部的贴附射流，沿炉体侧壁的向下及沿底部向轴心方向的流 裁，沿轴心趣上方向的虱溅，骥l 量区域内混合气 奉的滚动区域仅囊翻漉区和黠壁瓣浚两 部分组成。 在回流医内，轴向速鹰沿轴向呈线性f v = a + b x l 分布，而且离烧嘴中心线越近，其 斜率越大，焱戛嶷骧中心线瓣率这至l 最大毽。当渡量鬻大，辘良邃浚也蕤羞圭骜大。 当流量增大，贴附射流厚度增加，径向速度最大德增加。 最大径向速度沿射流方向的衰减速鹰和流量天系小大；而最大轴向速度随着流量的 灌大，澄麓滚方自静衰减越瞧。 2 ， 良蒙占辩技丈学硕士学位论文 蓑建词；p w ；乎终燃烧；冷态试验；速度场； ，3 一 蠹蒙占辩筏大学硕七学侮沦文 p l vr e s e a r c ha b o u tf l 弧f l a f n eb u m i n gf l o wc h a r a c t e r a b s t i a c t p l vt e c 娩o l o 嚣i s 黼l l 秘翻l 蠢髭嚣w 螽e l dm e 氇s u r et e e b o l o 掰两i 蠢 d e v e l o p e d i nr e c e n tloy o a r s i tg e t sm ed a t ao ft h ef l o ws p e e db ys t u d y i n g i n t e r d e p e n d e n c eo f m ef l o wf i e l di m a g e s ow ec o u l do v e r c o l n el i m i 饥i o n si nt h e c 硼掘c ts i 砖g l ep i 臧m e 私灌e ，虢e 摊l dt e s 专i nt 珏e2 努雒d3 d 翁o w 蠢e l d 。s o 趱、， i sa nu n 出s t u r b e da n dg r e a tp r o s p e c t sm e a s u r e t e c h l l o l o g y 0 w i l l g t oi t ss p e c i a ln 锄eq u a l i 够，枉c hn a m ei sm i f ll a y e rd i s c c o m p 撕n g w i 也s 蚓g h t 蠢嘲eb 疆魏e r ，壬l 采曩a m eb u m e r s 珏a m e ss h a p ei s _ b e 技e r ，s m o o 搬a n d s 协l e 。确e 髓a tn 锄eb u r f l e rp o s s e s s e s a p p a f e n ta ( 1 v a f l t a g e 讯i m p r o v i n gp r o d u c t s q u a l i 移，r e d u c i n ge n e r g yc o n s 啪由ga n dp m t e c t i n ge n v 曲n n l e n t s oi ti s n e c e s s a 掣t os 船d yt h e 捉a tf l o wf i e l d ，w h i c ha n a l 夥e 越s p e e df i e l da n d d 廷缸i b t l t i l go f p r e s s 珏r e 羲e l 莲，a d e q 强a t e l yg 娜p 鬟o w 蠡e l dv # 醵a t i o nl a w 。s ow e c o u l do p t i “n z en o w 矗e l ds t m d = u r e f 叭h e rw ec o u l dd e v e l o pf l a tn a mb u r n e r s s u p e r i 洲移，s ot 1 i sp 印e ru s e sm ea d v a n t a g es p e e dm e a s u r ei n s e n t ( p i v ) ， 鑫n d | n e a s s 萎啦妥鑫| 鬯eb 啪i n gc o l 莲f 鞋o d e l2 玲爨o w 爨e l d ；主t 鑫| ，矗l y z e s 羹g 瞄，嚣e l d s n u c n i r ea f j 奄c t 矗。o mf l u x sv a r i a t i o ni nd e t a j l t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam o d e lb yt e m p e r a t l l r ee q u a lm e d i u ms i m u l a t i n g t e m p e 勰瓣强一e 唾u a lm o d i u m ，e o 珏巅e 涵g 熬g e o m e 枉ys i m i l 鹄曲y s i c ss i 棘i a r 8 n di t sb o u n d a 哆c o n d i t i o n ss i m i l a r f 洒a i l yle s c a b l s 1 1 e dam o d e li nt e m l0 fl ：1 im e a s u r e dl e a d i n gc o m b u s t i o nr e g i o nc o l dm o d e ls p e e d 贰e l dw h i c h 谢1 i r l s 溉n g 出i sl 。7 6 a n d i 拯a i f a n d c o a l g a s 基u x sr a t i os e p 躲瞧i y i s1 3 6 8 ，1 9 ，3 9 ， 21 6 7 b a u s e 讯c o l 蘸m 丽e le x p e 妇n tm o d e lg a s 蠢o wi sl i m i 铤s p a c e s 融g e f b u l e rs n o n g 、v h i r lj e tn o w u r l d e ri n n u e n c eo f t h es 1 1 d n gw h i r l ，丁h em i x 窖| a s s p r e a da l o n ge x t e n dm o u m _ m t e m a 主s u r f a c e 锄d 如m a c et o ps u r f a c ea d e q u a t o l y ， 凫r m i r 毽a j o n ts 碰囊e e j e 圭鬟o w 。a t 囊os 锄e m e ，a i o n g8 sx 琏l f e c t i o na p p e 鑫r c o n 仃a 巧p r e s s u r e 舯d i 。n t 。i nm ec t r eo f b u m e rp r o d u c eab i g g e rb a c kn o w 4 内蒙翥毒毒鼓入学硬举钕论文 r e g i o n n e 糖妇ei n 幽ew h o l e 妇l a c e m i xg a s 士1 0 w i n gi sj o n j 涨i n g 豇o n g 妇 备蹭p a 娃，萎。谢n g 曩o n gt h e 翘嚣a c es i 如d o 硼删矗n d 蠢o n g b 。钍o md 蚤e c tt o 佼e a x i sc e n t e r ，n o w i n gu p 删a l o n ga x i sc e n t e r i nm em e a s u r e r e g i o n ，m i xg a s s n o w i n gr o g i o ni sc o m p o s e do f b a c kf l c 、) l ，r e g i o na n d j o i m j e t t i n gr e g i o n 1 f lt 瓣b kf lo _ w 嘲i o n ，蕊蠢s 第o d a l 蕊g 鑫x l a li sp r e s e n t e d l i n e a f ( v = a + b 蜀a n d i ti sm o r ec l o s et ob u m e rc e n t e r t ss l o p ei sm o r eb i g g e r t i nr e 甜1t om e b i 鹊e s t w h e nf l u xj n c r e a s e ，a ) ( i a ls p e e di sm g r e a s e d w 1 1 e n l u x 遗e 羚鑫s e s ，m e 氆i e 奴e s so 匀曲髓j e 链弧gi si n e r e a s o d ，鑫n da 圭鲢l e s 魈l et i m e ，f a d 赫s p e e dn l a ) 【酶u mi si 鹅糟a s e d t h em a 她m u mr a d i a ls p e e da l 饼堞j e tn o wr e t a 】m a t i o na n dn u xr e l a t en o t o 建e n b u tm 8 x i m u ma 嫩a ls p e e d 谢呶f l u xb e r e a s e d ，i t s j e t 羁o wd e c r e a s e dm o s o w y i ( e y 骶溅：p i v ； l 拄耄_ f l 瓣ee o m 蚰s t i o n ；馥ee o l dm o & l 据s ；s p d 暴d - 5 内蒙古科技大学预专? 学位论文 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其链人已经发表或撰写戆磺究残浆，也不包含为获得痰蒙古辩 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 9 意。 签名： ， 臼期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文酶全熬或部分内容，可以采耀影印、缭印或其缝复铡手段爨存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵绷此规定) 扭雠 内蒙古科技人学硕士学位论文 引言 平展流燃烧技术自本世纪六十年代问世以来，在工业部门尤其在冶金工业中得到广 泛的应用。平展流燃烧喷出的火焰是贴着炉壁向四周伸展的圆盘形薄层，即形成张角为 1 8 0 0 的平展火焰，同时在平焰火焰中心形成一个固定的回流区，能造成稳定的烟气回 流。由于这一特性，平焰燃烧器与般直焰燃烧器相比有火焰稳定性好、火焰温度分布 均匀等一系列优点；所以研究平展流的流场特性，以便优化流场结构，进一步发挥平展 流燃烧的优越性显得尤为重要。但是埘于热态炉，研究流场结构还仅仅停留在数值模拟 上：以往由于受测量条件的限制，对冷态流场的测量也局限于接触式单点测量( 血孔探 针) ，不可避免地对流场产生扰动；l d v 的问世，虽然克服了接触式测量对流场的扰 动，但是无法实现对流场的大面积澳4 量，满足不了充分研究平展流流场特性及其影响因 素的要求。 p ( p a n i c l ei i i l a g ev e l o c i m e 仃y ) ，即粒子图像测速技术。相对于以往测速手段，如 五孔探针、激光测速技术等，p 的一个重大突破是实现了一个平面上速度场的瞬态测 量。它能够提供瞬时整个流场的定量信息，具有极高的分辨率和精度，同时还具有不干 扰测量流场，动态响应快等其它优点。应用了互相关算法的p 方法可以引用于有回流 的复杂流动的测量，近年来p 技术得到了迅速的发展和广泛的应用。 本文汇是借助p i v 的优点，来实现对平展流冷态流场的大面积无扰动测量，探索流 量对流场结构的影响。为优化平展流流场积存点经验。 l 绪论 塑鐾吏壁堇查兰堕主堂笪! ! 鱼皇 i i 现代速度测量技术与设备 在工业生产和科学实验巾，为了控制工艺流程中的能量和动量的分布、传输情况， 需要经常了解和掌握流场中流速的分布变化规律。然而现代流体力学问题就其总体来 说，能列出方程给出分析公式的是少数，而能列出方耔并给山边界条件和初始条件，得 出精确解并给出计算公式的更是少数，所以客观上科学试验仍然是解决多数流体力学问 题的主要方法。最初的测量披术大多采用接触式测量，如：毕托管、五孔探针、热线风 速仪等。 近年来，随着科技的发展，刘流速的测量手段在进行不断的改进、优化。传统的接 触式测量如五孔探针的应用已相对减少，取而代之的是m 接触式测量仪器，如激光多普 勒测速仪( l ，d v ) 、j 维激光粒子动态分析仪( p d a ) 、车屯子图像测速仪( p i v ) 等。 l ll 粒子图象澳4 速仪( p ) 计算机技术与图像处理技术的快速发展，使得流场测试技术得以迅速发展与提高。 p ( p a n i c ki m a 窖暑v e l o c i m e t 叻技术是近l o 年发展起来的接触流场测量技术，通过对 流场图像的互相关分析获取流速信息，克服了接触式单点测量设备的局限性能够进行 平面二维流场、空间三维流场的测试，是一种非常有发展前景的无扰动流场测量技术， 已经成功地应用在水动力实验、空气动力实验的流场测量中，为科研人员深入r 群流场 内部的速度分布提供了有效手段。 1 ，1 1 1 粒子图象测逮仪( p ) 的原理 利用p i v 技术测量流速时，需要在钡4 量的空间中均匀散播跟随性、反光性良好且比 重与流体相当的示踪粒子，使用c c d 等摄像设备获取示踪粒子的运动图像，刘不踪粒 子的运动图像进行分析，就能够获得流场的速度分布。如下式( 以x 为例) ： 心= 掣z 掣= 式中：v ，、v ，为瞬刚速度；v 。、v ，为平均速度。出是测量的刊间间隔。 当缸足够小时，平均速度的大小可以精确地反应瞬时速度的大小。p i v 技术就是通 过测量示踪粒子的平均速度实现对流场的测量。 为了得到流速分布的细节情况，散播在流场中的示踪粒子的粒径应废非常小、浓度 应该足够大，使得采集到的图像对有足够的流场信息，这就很难从两幅图像中分辨同 应该足够大，使得采集到的图像对有足够的流场信息，这就很难从两幅图像中分辨同一 2 - 内蒙古科技人学硕士学( ! ：7 ：论文 个粒子，也就无法获得所需的相对位移。而利用互相关分析理论，可以轻松地解决这个 问题。 图像采集系统获得的每一对图像都是从相同的空间位置上得到的，且暴光的时间间 隔可以作为已知参数。流场中的示踪粒子反射来自片光源的光线，每一粒子上反射的光 强信号与其空间位置成单一映射，这就形成光强信号与其空间位置的函数映射关系，使 用互相关分析方法可以确定两幅图像之间的对应关系。 设时刻的光强信息为厂( x ) = ，( x + 葺) ，岛时刻的光强信息为s ( x ) = ，( x + 叠) ； ( d ) 为，( x ) 与s ( x ) 的互相关函数，则由互相关函数的定义： 尺一( d ) = j ，( x d 声( x ) 出 = j ，( x + 一一d ) ，( x + t ) 出 = f ，( x d + 薯一p ( x ) 出 另外，函数，( x ) 的自相关函数，) 的定义为： r ( d ) = j ，( x d ) ，( x ) 出 因此上述讨论的互相关函数可以转化为： 如( d ) = 巾一 d 一( _ 吨) ) 小) 出 = r 一一( _ 一t ) = ，( d 一叙) 白相关函数是偶函数，且有如f 性质： r ( o ) ，( x ) 所以，当d = 缸时，厂( x ) 与s ( x ) 的互相关函数取得极大值。 采用上述方法，对图像对划分网格，通过计算图像对的互相关函数，利用互相关函 数极大值的位置确定图像网格的相对位移，即示踪粒子在时刻f 1 与“之间的位移。由于 图像对的采集间隔出已知，可以进一步计算出示踪粒子在f 的瞬时平均速度，从而能 够获得流场内部的速度分布。 1 1 1 2 粒子图象测速仪( p i v ) 的应用 ( 1 ) 对甲烷空气火焰速度场的测量 美国的n i s t ( n a t i o r l a li i l s t i m t eo f s t a l l d 删sa n dt e c l n 0 1 0 9 y ) 使用p i v 列+ 甲：鼢空气 扩散火焰的速度场进行了测量晗3 。其测量目的主要是为了获取原始速度扰动对火焰面 3 一 内蒙古科技大学硕+ ：学位沦文 和湍流结构相互作用的影响。测试装置如图1 1 图1 1非稳态火焰速度测量的燃烧器和p i v 实验装置 在试验中，采用靠声音控制的燃烧流，以实现扩散火焰的周期性变化：这种周期性 变化的频率和火焰自然交化的频率接近。如图2 i ，函数发生器产生振幅分别为0 7 5 伏 特和1 5 伏特的正弦声波，将o 7 5 伏特的萨弦声波称为平缓扰动、1 5 伏特的正弦声波 称为强烈扰动；这一正弦波驱使与n i s t 原始燃烧器相连接的扩音器发出声音，声音通 过连接在燃烧器下部的橡胶隔膜传递到燃烧流场。 一个轴对称的、在大气压力下的、自由扩散的火焰由环形燃烧器产生；环形燃烧器 由内、外两环组成，内环是直径为1 1 1 i n m 的燃料管、外环是直径为1 0 1 m m 的空气隔 栅；用玻璃珠状物填充空气隔栅以使喷出的气流均匀；燃料和空气的流量分别采用泡沫 流量计控制，控制精度均小于1 。 测量中使用的示踪粒子为直径为1 5 “用的三氧化二铝。 测量结果为：用于做定性分析的阴影图和用于做定量分析的速度场矢量图。对应于 每种扰动下，将其一个周期分为十个相位；对每种扰动的十个相位均做阴影图和速度矢 量图的测量、分析。 整个测量过程由函数发生器控制，函数发生器产生的信号同时传递给扩音器和滞后 发生器：扩音器控制火焰的原始速度扰动；滞后发生器将信号传给同步器，同步器指令 d 一 内蒙占科技大学硕十学位论文 平缓扰动( o 7 5 v ) 强烈扰动( 1 5 v ) 图1 2速度矢量图 一5 内蒙古科技大学硕十学位论文 图1 _ 3阴影图( a 为平缓扰动、b 为强烈扰动) 激光器发出激光束，激光束转化成片光源照射到测量位置，同时c c d 将测量位置的速 度信息记录下来，所记录的数据再传递给计算机处理系统，经过计算机处理即可获得速 度矢量图。阴影图的测量方法是：先将激光器产生的激光束扩展开，再将扩展歼的激光 束聚集到直径为2 r m 的玻璃球上，从玻璃球散射出来的光组成一个直径为5 0 m m 的光 柱，这一光柱穿过火焰照射在距离燃烧器中心为1 9 0 c m 的屏幕上，最后用c c d 拍摄在 屏幕上形成的火焰阴影图。 图1 2 、图1 r 3 即为测量所得的速度矢量图和阴影图。 在速度矢量图中，用颜色表示速度大小、箭头表示速度方向；对比阴影图和速度矢 量图可得：在瞬时火焰尖上，具有很高的速度值，引起周围气流被强烈地向内吸入。 由试验所得的速度矢量图中速度的大小可清晰地反应出：流动是受浮力驱使的，最 大速度高达1 8 m 居，相当于燃烧器出口燃气流速的2 3 倍之多；最大速度出现在火焰尖 面上，从而导致周围气流强烈地流向火焰尖面。对于不同的扰动强度，火焰面呈现出不 同的变化规律。例如：刘于平缓扰动，在相位为6 0 时出现火焰分离；f 而对于强烈扰 动，则在相位为3 0 是就出项了火焰分离。并将试验结果与先前所得的数值计算进行了 比较，除了在火焰尖处存在较大的差异外，在其它部位基本吻合：产生这种差异的原因 很多，但是潜在的、重要的原因是燃烧器出口原始条件的选择，在数值计算中采用抛物 一6 一 内蒙占科技大学硕士学位论文 线形的管流实现对原始速度场的扰动，而不象在试验中采用声波控制的周期函数来实现 扰动。这样不仅给出了原始速度扰动对火焰面和湍流结构相互作用的影响，也可对数值 计算结果进行检验。 ( 2 ) 对喷射火焰速度场的测量 美国的n i s t ( n 鲥o n a li n m 山t eo f s 诅n d a r d sa i l dt e c h n o l o g y ) 使用p 对喷射火焰 的速度场进行了测量沼3 。 测试装置如图1 4 ： 图1 4喷射火焰速度场测试图 燃料从圆柱体中心的喷射器中喷出；圆柱体周围顺时针旋转的空气流用以稳定火 焰。采用p 测得喷射火焰不同高度上三个速度分量沿圆柱体半径方向的变化规律。 成功地对喷射火焰速度场进行了测量研究，并对经济、实用的数值模拟计算提供验 证依据。 ( 3 ) p r v 研究微重力下的火焰特性 重力对于稳定在固体材料上的火焰有两方面的影响四3 ：来自火焰排出的热气和随 后由于自然对流夹带进去的空气流。如图1 5 ： 显然，火焰结构受重力和对流相互作用的影响。 f n s m a ( m ef r e n c hn a 石o n a ls c h o o lo f m e c h a 血c sa 1 1 da e r ot e c h n o l o g v ) 通过a 3 0 0 空 中客机在高空中作抛物线形快速飞行以实现微重力状态；同时由安装在飞机上的p 系 统对其速度场进行测试、研究。 研究结果表明：在微重力状态下，速度场发生彻底改变。t 形燃烧器拐角的涡流消 失了、呈现出层流态并沿着墙壁向上移动。火焰温度和烟灰浓度增加。在冷态和热念下 夹带的质量流几乎相等。而且，所夹带的质量流总是小于在重力状态下所夹带的质量 流。 一7 内蒙占科技人学顾十学位论文 图1 5稳定在t 形平板上的火焰结构图 ( 4 ) 双通道煤粉燃烧器冷态流场的测量 双通道燃烧器是将一次风喷口分成上下两股，形成两个通道，在两个通道之间设计一 个回流空间，通过一次风射流自身产生一个强烈的回流区，利用高温烟气的热回流，加热一 次风煤粉使煤粉气流燃烧稳定。双通道燃烧器与普通煤粉燃烧器的工作原理与流动特性 都有很大的不同，普通煤粉燃烧器一次t | ) ( 1 煤粉气流是在炉膛火焰热辐射和受热面冷辐射 的双重作用着火的，而双通道燃烧器除了接受火焰热辐射外主要靠烟气热回流的热量着 火的。所以，双通道燃烧器的出口附近流场状念以及回流区的大小都对一次风煤粉的着 火和稳定燃烧有重大的影响。因此华中科技大学采用p 对双通道燃烧器出口附近冷态 流场进行了定量测试、研究”“”。测试装置如图1 6 ： l 激光器：2 同步器；3 c c d 摄像机； 4 计算机；5 燃烧器模型；6 风机；7 烟雾收集室；8 烟雾发生器 图1 6p 测量双通道燃烧器出口冷态流场装霞图 在测试中，分别对不加钝体、在腔体出口两侧加装条形钝体、两一次风道加装钝体 三种工况进行了测量。 8 一 内蒙古科技大学硕十学何论文 试验结果表明：不加钝体时，在两股射流中间有较稳定的低速区，浚低速区中心部 分存在着回流区。安装钝体将对双通道燃烧器出口流场有重大的影响，从而会影响燃烧 器的着火与稳燃等特性。在腔体出口两侧安装条形钝体可以在不改变回流区大小的情况 下提高回流强度。而在上下两一次风通道内安装钝体的方法，可以提高流速，但破坏了 原有的回流结构，使回流区减小，将对燃烧造成不利的影响。 】1 1 - 3 粒子图象测速仪( p i v ) 的特点 运用互相关算法的p i v 能够成功地运用于冷、热态流场( 尤其是有回流的复杂流 场) 的测量问题。p 测速可以得到瞬念的流场信息，通过对连续多幅测量结果进行平 均可以得到时间统计平均意义下的测量结果。在类似的实验中将比传统的单点测量方法 有明显的优势。 1 1 2 激光多普勒测速仪( l d v ) l d v 测速仪本质上是利用检测流体中跟随流体一起运动的小微粒的散射光来测定 流速的。散射光到达接收平面的所经过的光路氏短不同，因而产生干涉，形成光强明暗 相间的干涉条纹图。接收透镜将干涉条纹图投射到位于接收平面上的光检测器上，光检 测器便输出一串d o p p l e r 脉冲信号。这个信号的频率正比于粒子通过测量体的速度。 激光多普勒流动测量技术自1 9 6 4 年首次用激光多普勒测速仪( l d v ) 成功地测得 管流层流速度分布以后，便得到了迅速发展和广泛应用，现已成为当今一种很重要的流 动测量手段。 中国科学技术大学成功地应用三维激光多普勒测速仪( l d v ) 系统对火旋风的卷吸 现象进行了观察和测量m 3 ，获得了火旋风的径向速度、切向速度和轴向速度等特性参 数，深化了对火旋风卷吸机理的认识。 南京航空航天大学采用l d v 对小流量发动机短环直流燃烧室的流场进行了测试 眨引。充分了解和掌握了该种燃烧室内气流流动情况，为更好地组织其燃烧工作过程做 好了准备。 激光多普勒测速仪( l d v ) 虽然具有精度高、响应快、空间分辨率高、不扰乱流场 等优点；但是它仅能对空间单点进行测量，不能在同一时刻记录下整个测量平面的有关 信息。 1 1 3 相位多普勒分析仪( p d p a ) 相位多普勒分析仪( p d p a ) 的工作原理与激光多普勒测速仪( l d v ) 相似。二者 都是由光检器输出的d o p p l e r 脉冲信号的频率来确定粒子通过测量体的速度；不同之处 9 一 内蒙古科技大学硕十学位论文 是相位多普勒分析仪( p d p a ) 不仅可以确定粒子通过测量体的速度，而且可以确定粒 子的大小，这是由不同光检器信号间的相位差决定的( 相位差正比于该粒子的大小) 。 清华大学采用三维相位多普勒颗粒分析仪( p d p a ) 对旋流浓淡煤粉燃烧器出口区域 冷态两相流动特性进行了实验研究瞠”；试验中，用0 1 0um 的二氧化钛( t j 0 2 钛白粉) 作为气相示踪粒子：煤粉颗粒用玻璃微珠模拟，其球形度达8 0 折射率1 5 1 5 5 ， 粒径范围1 0 2 0 0pm ( 大部分颗粒在4 0 7 0 “m 之间) 。获得了陔燃烧器在不同旋流叶 片丌度、不同煤粉浓缩构件遮盖度、不同旋流二次风和直流二次风配比下的气固两相流 场和浓度场的分布规律。 华中科技大学采用p d p a 系统研究了不同旋流数下突扩旋肛l 筒内气粒两相湍流特性 的变化规律。”。在相同的进口形状和总风量的条件下，分别测量了旋流数为0 、0 5 和 1 o 时气相和颗粒相的轴向、切向的平均速度和脉动速度。 哈尔滨工业大学以某电厂6 7 0t h 锅炉为原型，应用激光多普勒测速仪( p d a ) 对其冷 念模型燃烧器区域的浓度场进行试验测量。1 ，研究发现，燃烧器六角布置的切向燃烧锅炉 在炉膛角部和近壁区存在较高的煤粉浓度，成为高温受热面结渣的原因之一。 利用激光相位多普勒分析仪( p d p a ) 不仅可以测量流体的速度，而且可以测量悬浮 粒子的速度、悬浮粒子的尺寸大小和分布、悬浮粒子的浓度；因此p d p a 是当前一种较 先进的颗粒流体两相流动测试方法。但是它和l d v 一样仅能对空间单点进行测量，不 能在同一时刻记录下整个测量平面的有关信息。仅能用于稳态流场的显示。 1 1 4 其它流场显示技术介绍 用毕托管配倾斜式微压计测管道内流体的流速或流量是一种最基本的测量方法。流 体的压力可分为三种：静压、动压、全压。静压是由于流体本身的分子热运动所形成的 内在能量，不管流体在宏观上是运动的，还是静止的，它的分子都时刻在作热运动，静 压能的存在只决定于分子的热运动，而与宏观流动与否没有关系。而动压则是由于流体 的宏观流动所产生的能量。因此，如果没有流体的宏观流动也就不会产生动压。动压与 静压之和叫全压。全压是流体的宏观流动与分子热运动的综合反映。 动压有两个明显的特性，一个是它与流体速度的二次方成正比例关系，即： 易叫丢 式中：p d 流体的动压，p a ；v 流体速度，州s ；r 流体重度， 肺3 ；g 重力加速度，m 5 2 ； 二是不能从全压中单独分离出来而独立传输，因而也就不能用仪器单独地直接感 一j o 内蒙古科技人学硕士学位论文 受动压，而只能通过同时感受全压和静压再以二者之差的间接形式显示在仪器中。 因此在采用毕托管测速时，萨是应用动压的这两个特性，先由全压和静压之差求出 动压，再计算出速度值。由于它的测量原理可靠，仪器耐用，故其先自u 被广泛地应用于 速度的测量中。 作为一种简便直接的测量手段，五孔球探针可同时得到三维流场的气流速度、气流 方向。重庆大学温良英等采用五孔探针对炉顶供热的炉子流场特性进行了研究陀。卜 北京化工大学的顾锦鸿等用血孔探针剥旋x 1 分离器流场进行了测定与分析b b ”。 1 _ 2 平焰燃烧的特- 陛及研究进展 平展流燃烧技术自本世纪六十年代问世以来，在工业部门尤其在冶金工业中得到广 泛的应用。平展流燃烧喷出的火焰是贴着炉壁向四周伸展的圆盘形薄层，即形成张角为 1 8 0 0 的平展火焰。由于平焰燃烧器与一般直焰燃烧器相比有火焰稳定性好、火焰温度分 布均匀等一系列优点；所以平焰燃烧器的热工特性、流场特性越来越受到科技工作者的 关注。 1 2 1 平焰燃烧的结构及特点 1 - 2 1 1 平展流的气动特性 平展流是由强旋流配以喇叭形出口而得到的。 图1 7 为强旋流的流体流动结构特点图： 罔1 7受迫旋转射流结构特点 旋转气流即气流在离开喷口前被强迫旋转，切向有分速度v 。任意一点的气流速度 可以用轴向( 流动方向) 的速度w 、径向速度“、切向( 旋转方向) 的速度v 来描述。 旋转流的流场大致可分为两个区域。即外围旋转( 自由旋涡) 区和中心核心区。在中也 内蒙占科技大学硕十学值论文 核心区，射流横截面内切向速度相当于固体旋转式分布。最大切向速度所在的表面将中 心核心区与外围旋转区划分开。在外围旋转区域中，射流横截面上的切向速度随着旋流 半径r 的增大而降低。由于旋转离心效应，在旋涡核心产生了负压区( 即 p ：一望：箬i 垒) ，燃烧室中心部分压力达到最小值。中心核心区的负压使得 邻近这个区域的流线相当于射流轴发生偏斜。在这低压区的上游沿射流轴线上某一点被 偏转流动的速度等于零，此点与喷嘴出口之前的低压区之间，产生了一个反向回流区， 此反向流动引起了射流核心区的轴肘称回流旋涡，并使轴向速度分佰成驼峰型分布。在 远离喷嘴处速度场才逐渐均匀。 图1 8喷头形式对回流区及速度分布的影响 通常用旋流强度s 来表示气流旋转的强弱程度。一般将旋流强度定义为切向动量与 轴向动量的比值，其数学表达式为： 1 2 一 一7 国茂一 、 ， 内蒙古科技大学硕十学位论文 s 2 岳3 商筠 对于叶片式旋流器，不需要知道旋转射流中切向速度、轴向速度匕及静压p 沿 半径，的分布规律，；可以直接根据旋流器入口的初始条件来近似计算旋流强度。计算 s = =t a n 口 可见，只要知道旋流器的内外半径 和及叶片安装角妒，就可以求出它的旋流强 度。 研究发现，当旋流数s 0 6 时，属于强旋流。随着旋流数的不断提高，射流轴向反压梯度大到已不可 能被沿轴向流动的流体质点的动能所克服，这时在射流的两个滞点之问就会出现一个回 流区。 除了旋流强度外，烧嘴喷头的几何形状也对旋转流股的流动影响很大。如图1 8 所 示，喷嘴加装扩张口后，可以增加回流区的尺寸和回流量。 1 2 1 2 平焰燃烧的火焰特性 依据前述平展火焰形成的动力学机理，通常以一种燃烧介质( 空气) 作为旋转气 流，它从扩张口流出时形成平展流，并借助旋流中心产生的负压将中心管喷出的另一种 燃烧介质( 旋转或不旋转) 连同炉内高温气体一起被吸入、混合、燃烧而形成平焰。如 图1 9 所示。这样的平焰，其火盘直径大、热辐射能力强、工件加热速度快而均匀。 回流区的存在，是一切旋转流股、平展形流股的共同特点和优点。由于回流区的存 在，使燃气燃烧空间( 在燃烧室内) 出现以下几个过程和现象：由于高温燃烧产物席卷 进平焰中，进行着热量的传输过程，在平焰的根部等于增加一个热源，对燃气的稳定燃 烧至关重要，尤其是在丌炉点火初期，回流区显得尤为重要；从回流区的前滞点往回 倒流时，流速是越来越快，到烧嘴根部，回流介质与主流股混合，这里进行着动量传输 过程，促进回流区范围内、外介质的交换混合，促进燃烧室( 炉膛) 内的温度均匀化； 1 3 一 一一一如 ，i一，。， 一 一 一 l l 内蒙古科技大学硕士学位论文 当回流介质与主流股在火焰根部混合时，一部分没有束得及燃烧的可燃物可与主流股的 燃料一起继续燃烧，在这罩进行着质量传输过程。三个传输过程的综合作用将是：燃气 燃烧完全、燃烧稳定、燃烧室( 炉膛) 内温度均匀、热加工质量高。 戮7 呖糕己7 ；+ f 三二，7 7 7 7 7 z z e j z o 一一鬻冬 、 图1 9平展流燃烧的火焰特性 1 2 2 平展流的研究进展 1 2 2 1 速度分布特性 重庆大学温良英等通过冷态模型试验，研究了炉顶平焰供热情况下炉内径向速度、 轴向速度的分布，探索了炉膛高度、热负荷的变化对炉内速度场的影响“。 冷态模型试验是按相似理论的用等温介质模拟非等温过程的原则进行。 试验模型的原型为重庆大学冶金热工研究室的热态试验炉，炉子尺寸为长：宽：高 = 1 3 0 0 ：7 0 0 ：7 0 0 ；模型的几何相似比c l 选为1 ；模型与原型入口的动量比相等；确保 模型的流动进入第二自模化区。 试验研究内容包括：在保持炉膛相对高度( h d ) 不变的条件f ，考查改变气体供 入量时，炉内速度场的变化特征；在保持供入炉内气体流量不变的情况下，考查改变炉 膛相对高度时，炉内速度场的变化特征。 ( 1 ) 对于炉顶附近的气流，当供给的气量不变时，随炉膛相对高度h d 减小，轴向 速度w 愈小，径向速度u 起作用的区域愈大，火盘直径相应也大。而且炉膛相对高度 加l 值愈小，这种效果愈明显。当炉膛相对高度不变时，随供气量增加，速度u 值相应 增大，而速度w 值减小并趋向于零，也即随供气量的增加，火盘直径将增大。 一1 4 内蒙古科技人学硕十学位沦文 即炉膛相对高度越小、供气量越大，火盘直径越大。 ( 2 ) 对于炉膛中部的气流，当炉膛相对高度不变，随着供气量增加，无论速度u 和速 度w 均有所增加，而其合速度的方向是指向烧嘴砖中心方向，即此时气流 回流增强。 当供气量不变，随着炉膛相对高度增加，无论径向速度u 还是轴向速度w 均有所减 小，而其合速度的方向仍是指向烧嘴砖中心方向。即在供气量不变时，随炉膛相对高度 的增加，炉子中部气流回流将减弱。 ( 3 ) 对于炉底附近气流，当炉膛高度小时，供气量的变化对炉底气流的径向速度u 分布影响不大。而对其轴向速度w ，则随供气量增加而增大。 当炉膛相对高度大时，炉底气流径向速度u 随供入气量增加而增大，而轴向速度w 随供气量增加而沿径向开始增加而后减小。 虽然对轴向速度、径向速度随炉膛高度和供气量的变化规律进行了讨论；但是由于 受测量条件( 单点测量) 的限制，没有对整个流场的详细理论进行探讨。 1 2 2 2 回流区特性、压力分布特性 虽然回流区吸卷外围及下游高温烟气，有助于稳焰燃烧；但是有关这方面的研究为 数不多。华东冶金学院采用定性、定量相结合的方法口”，用试验研究方法来确定回流 区的大小。在试验中，为了既简化研究过程又缩短试验研究与实际应用的时间，采用 1 ：1 的烧嘴实物进行试验。用空气模拟液化气，模拟( 液化气) 空气量按动量守恒原 理计算。 采用明火炬仔细寻找流场边界上的每个点，再在每个点上用探针定量数据。最后不 仅获得了给定工况下回流区的大小，而且也获得了平展流流股的直径和厚度。 此外，还对回流区的压力分布进行了专门的测试研究，压力测试工作是沿整个流场 的中心线上进行的。在试验工况下，在远离烧嘴砖平面的5 0 0 h l n l 处就丌始出现负压， 随着测点逐步接近烧嘴砖平面和深入其内部，负压值越来越大，从2 p a 增到3 0 p a ；沿 整个流场内，包括平展形流股及回流区在内，压力都是负值，这再一次证明回流区产生 的原因。 可见，不管是回流区的产生还是轴线上的负压分布，它们的共同原动力都是旋流强 度很大的旋转流股。 1 3 研究目的和研究内容 平展流燃烧由于其独特的火焰特性( 火焰呈薄层圆盘形) ，因此它具有很多优点。 首先，它对工件的加热非常均匀，即使在加热薄板时也刁i 会产生局部过热。其次，它的 1 5 内蒙占科技大学硕士学位论文 加热覆盖面很大，这样就提高了炉壁的温度，炉壁温度的提高将增加通过辐射传给工件 的热量，一般能增加1 0 2 0 。另外，采用平焰燃烧器还可以使炉内压力均匀，阻止 冷风的吸入。平焰火焰中心都有一个固定的回流区，能造成稳定的烟气回流，从而使平 焰燃烧的烟气污染较小，烟气中的n o x 含量也底。 相对于直焰燃烧器而占，平焰燃烧器的火焰形状更好、更均匀和更稳定；平焰燃烧 器在提高产品质量、降低能耗和保护环境等方面均具有明显的优势；因此对平展流流场 进行研究，分析其速度场、压力场的分布，充分了解流场的变化规律；以便优化流场结 构。进一步发挥平焰燃烧器的优越性。 综上所述，尽管许多专家学者对平展流的流场特性及热工特性做了不断的探讨、研 究；并取得了一些值得借鉴的成果。但是其研究内容尤其是对流场结构及其影响医【素的 分析、研究不够详细透彻，对速度变化规律的认识不够全面。 比较p i v 、l d v 、p d p a 几种非接触式速度测量手段；l d v 、p d p a 都仅能对流场 进行单点测量，而p i v 在同一时刻能给出整个测量面上的速度信息。本课题试图采用 先进的速度测试手段( p i v ) ，系统全面地研究平焰燃烧的冷态流动特性。 1 3 1 研究内容 对于热态炉，由于流场结构对燃气燃烧完全性、燃烧稳定性、燃烧室( 炉膛) 内温度 均匀性、热加工质量等都起着至关重要的作用；所以有必要对热态的流场特性进行详细 的研究，但是目前由于受测量条件的限制，对热态流场的研究仅限于数值模拟或局部小 区域的测量；因此本论文对冷态速度场进行大面积测量，力争对热态流场的研究奠定基 础。 ( 1 ) 建立平焰燃烧炉冷态流场测试装置，用p 对平展流冷态流场的轴向、径向进 行测量，分析研究负荷对速度场的影响规律。 ( 2 ) 对回流区的大小、回流区内负压分布随负荷的变化规律进行研究。 1 6 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 试验模型 2 1 冷态试验模型 冷态模型试验是按相似理论的用等温介质模拟非等温过程的原则进行。模型的冷空 气分别模拟助燃空气和液化石油气。通过冷态试验研究来确定冷态流场的变化规律。 2 1 1 冷态试验模型的设计 2 1 1 1 模型相似条件 模型设计的关键是建立与实际问题相似的试验模型。要想保证所建模型与实际相 似，必须满足如下条件： ( 1 ) 几何相似。所建立的模型是实际模型按一定比例缩小的模型，即模型与实际各部 分的比例应为同一常数。 对于本试验，模型的原型为能源与环境学院实验室的热态试验炉，炉子尺寸的长： 宽：高一1 8 0 0 ：1 0 4 4 ：8 0 0 m m ，额定热负荷为4 0 万大卡( 即4 6 5 2 k w ) ；平焰燃烧器也 为自己研制的液化石油气平焰燃烧器。考虑到原型几何尺寸较小，而且燃烧器形状较复 杂，模型的几何相似比c 1 选为1 。 ( 2 ) 物理相似。模型与实际过程中所进行的应为同一类过程，即两过程服从同一自然 规律，有形式相同的控制方程，并且在过程发展的任一时空点上同名相似准数必须存在 且有相同的数值。但是在实际的模型设计中要做到完全相似是非常困难的，几乎是不可 能的，所以模型研究方法一般是将次要的因素忽略，仅保证主要因素作用下相似即可。 对于本试验模型，除了考虑几何相似比外，还应该考虑物理相似和边界条件相似； 由于炉内流动是粘性流体的受追流动，根据连续性方程、运动方程导出如下相似准则： 均时眭准数f 舶：旱1 f 弗劳德准数f 乃：娶l 、v ，、 欧拉准数i 觑：乓i lp v 雷诺准数fr e ：型1 l 但是在实际的模型设计由于我们关注的是稳态下的流场特性，所以可以不考虑均时 性准数；弗劳德准数表示重力和惯性力的比值，由于流动介质和模型的大小均己确定， 1 7 内蒙古科技人学硕士学位论文 因此可通过改变流量来调整流态，使其进入第二自模化区，这样尽管雷诺准数不相等， 也可保证流场相似；进入第二自模化区的流体由于其进入了强烈的紊流状念，流速很 高，惯性力很大，相比之下重力对流场结构的影响很小，可忽略不计，从而在进行冷态 模型设计时，可不考虑弗劳德准数；欧