（工程热物理专业论文）旋流燃烧器内气固两相流动数值试验的研究.pdf

浙大学硕士掌位论文 摘要 望1 3 9 9 5 3 旋流燃烧= ；j 因为能够形成中心回流区，卷吸高温烟气，促进煤粉的着火等特 点，在工程上已经得到了广泛的应用。为了揭示燃烧器内气周飚相流动的特性， 本文埘旋流燃烧器内的气固两相流动进行了比较深入的数值模拟研究。 首先，简单介绍了旋流燃烧器和气固两相流动的特点。( 在总结和分析了国内 外学者在燃烧器内气固两相流动研究成果的基础上，确定了本文的研究对象和研 究方法。卜 文中对日i 狮应用较多的k s 模型、重正化群( r n g ) 的k 一模型及雷诺应力模 型进行了理论上的分析，经过对不同旋流强度的旋转射流的计算，比较了它们在 实际求解中的优劣。在计算弱旋气相流动时，r n gk 一5 模型可以满足工程上的 精度需求，因而没有必要运用计算量很大的雷诺应力模型。但是，在强旋流动中， 基于“有效粘性”的各个模型的计算结果和实验相差很远，只有采用雷诺应力模 型i 能得到较为满意的结果。在计算两相流动的时候，用的是脉动频谱随机颗粒 轨道模型( f s r t ) 。 在求解气相场微分方程时用s i m p l e 方法。 ( 另外，本文计算了旋流燃烧器内气固两相的速度和回流区的分布，并和已有 的实验数据进行了比较，同时还计算了湍动能、湍能耗散、雷诺应力和湍流强度 等反映湍流的物理量o y - 9 针对双调l x l 旋流燃烧器，本文运用计算机辅助试验( c a t ) 方法对一次风速度， 内、外二次风的叶片丌度及内、外二次风速度对燃烧器内流场的影响进行了数值 试验，得出了双调风旋流燃烧器推荐使用的二次风叶片丌度和速度值范围，为工 程应用提供了理论依据。 i 对于颗粒相，应用“平均体积法”得出了其在燃烧器内各个截面上的浓度分 枷，并模拟了不同直径颗粒的随机运动轨迹。7 关键词：旋流燃烧器，气固两相流动，数值模拟，湍流模型 浙4 大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，s w i r l i n gb u r n e r sh a v eb e e nu s e dw i d e l y ，b e c a u s et h e yc a ne s t a b l i s h c e n t r a lr e c i r c u l a t i o nb u b b l e sw h i c hm a k e h i g ht e m p e r a t u r eg a sf l o wb a c ks oa st os p e e d u pt h ep r o g r e s so fc o m b u s t i o no fp u l v e r i z e dc o a l i no r d e rt oc h a r a c t e rt h eg a s s o l i d t w o - p h a s ef l o wi n as w i r l i n gb u r n e r t h i st h e s i ss t u d i e st w o - p h a s ef l o wi ni tw i t h n u m e r i c a ls i m u l a t i o nd e e p l y f i r s t l y ，i t d e s c r i b e s b r i e f l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fas w i r l i n gb u r n e ra n dt h e t w o p h a s ef l o w a f t e rt h es t u d yo f t h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cw o r k so ng a s s o l i d t w o p h a s ef l o wa b o u ts w i r l i n gb u r n e r sh a v eb e e ni n t r o d u c e da n da n a l y z e dd e t a i l e d ， b o t ho f t h e o b j e c t sa n d t h em e t h o d so f t h i sp a p e rh a v eb e e ne s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e ，i tp r e s e n t st h r e et u r b u l e n c em o d e l s ( s t a n d a r dk 一m o d e l ， r e n o r m a l i z a t i o ng r o u pk 一m o d e la n dr e y n o l d ss t r e s sm o d e l ) w h i c hh a v eb e e n u s e dw i d e l ya tp r e s e n t ，a n dt h e nt h e i rm e r i t s s h o r t c o m i n g sh a v eb e e nc o m p a r e dw h i l e b e i n gu s e dt oc a l c u l a t es w i r l i n gj e t s w h e nd e a l i n gw i t hal o ws w i r ln u m b e rf l o w ，t h e r e s u l t s b y r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ( r n g ) k 一m o d e la g r e ew e l l e n o u g h w i t h e x p e r i m e n t s ，s ow ed on o th a v e t oa p p l yr e y n o l d ss t r e s sm o d e l ( r s m ) b u tw h e nt h e s w i r ln u m b e ri s h i g h ，w eh a v et o r e s o r tt or s m ，b e c a u s eo ft h eo b v i o u sd i f f e r e n c e s b e t w e e n e x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a lr e s u l t s b y t h em o d e l sb a s e do n “e f f e c f i v e v i s c o s i t y ”f l u c t u a t i n g s p e c t r u m r a n d o m t r a j e c t o r y ( f s r t ) m o d e li s u s e dt os o l v e t w o - p h a s ef l o w t os o l v et h ee q u a t i o n so f g a sp h a s e ，s i m p l e m e t h o di su s e d b e s i d e s ，i nt h i sp a p e r ，t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t e sa n dr e c i r c u l a t i o na r e a so f t w op h a s e s a r es h o w n ，a n dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sa r ed i m i n u t i v e t u r b u l e n c ek i n e t i ce n e r g y ( t ) ，t u r b u l e n c ed i s s i p a t i o nr a t e ( s ) ，r e y n o l d ss t r e s sa n d t u r b u l e n c ei n t e n s i t ya r ea l s os i m u l a t e dt or e f l e c tt u r b u l e n c ef l o w f o rt h ed u a lr e g i s t e rb u m e r ，w h i l ec a t b e i n ga p p l i e d ，i ts i m u l a t e s t h ei n f l u e n c e s o ft h ef l o wf i e l di nt h eb u r n e r b yc h a n g i n g t h ev e l o c i t i e so fp r i m a r yf l o wa n d i n n e r o u t e rs e c o n d a r yf l o w s ，a n db yc h a n g i n gt h eo p e n i n gp e r c e n t so fi n n e r o u t e rv a n e s e v e n t u a l l y ，t h ea p p r o p r i a t ev a l u e s f o rv e l o c i t i e sa n do p e n i n gp e r c e n t so fv a n e sa r e r e c o m m e n d e d ，t op r o v i d ee n g i n e e r i n gp r o b l e m s w i t ht h e o r e t i c a lo r i e n t a t i o n s f i n a l l y ，t h ec o n c e n t r a t i o n s o fp u l v e r i z e dc o a la l s oh a v eb e e nc a l c u l a t e d ，w i t h a v e r a g e v o l u m em e t h o d c o a ls o l i d s r a n d o mt r a c k so f d i f f e r e n td i a m e t e r s a r et r a i l e d k e y w o r d s ：s w i r l i n gb u r n e r ，g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t u r b u l e n c em o d e l j 蕊瓣露 | l i 翻， 浙4 大掌硕士掌位论文 第一章绪论 11 本文的工程背景 随着我国i 蚓民经济的迅速发展，人民生活水平的闩渐提高，对用电量的需求越 来越大，能源行、舟国民经济中发挥着举足轻重的作用。近二十年来，我国的l i i jj 业有了很大的发展，技术水平也有了很大提高。1 9 9 5 年年底，我国的发电设备的总 装机容量已经达到了21 4 亿k w ，其中火电的装机容量为1 6 1 亿k w 。因而煤在整 个能源行业中有着不可替代的作用，而且在短期内，这个比例在我国不会有大的变化。 火力发电虽然成本较高，但是基建投资少，。一般不受地区限制，建设时问较短，能够 很快满足发展的需要。 但是，随着一次能源的闩益短缺，以及对环保的不断重视，对火电j 的常能羊蚪 保提出了越来越高的要求。 我国的电站锅炉一般都存在着大量的问题，尤其是煤种多变、煤质差、污染排放 严重等等问题。1 9 9 5 年，我国s 0 2 的排放量已经位居世界第一，其中电站锅炉和1 、世锅炉排放的s 0 2 - 与了总量的6 9 。因而，提高燃烧的效率、降低s 0 2 的污染、设计 出新的炉型、新型高效的燃烧器是目前能源行业很关键的问题。 燃烧器是燃烧系统的核心部件，燃烧器的主要功能就是将燃料和空气导入炉膛， 并加以充分的混合使其有利于燃烧。 燃烧器产生的风一煤粉混合作用的效果和燃烧器的型式密切相关。现在的电站锅 炉叶】，主要采用两种燃烧方式：即墙式布置的旋流燃烧方式和四角确i 置的直流燃烧力 式，与之对应的就是旋流燃烧器和直流燃烧器。 只有对燃烧器内的燃烧流体力学问题有了深入的理解，l 能够提出合理的计算方 法和设计方案，制定出安全合理的运行方式。燃烧器内燃烧流体力学是一门交叉学科， 它是物理、化学、流体力学、燃烧学、传热传质学、数值计算方法、测试技术等学科 的交叉。 另外由于实际的电站锅炉都很庞大，并且通常都处于高温、高压甚至有害的坷：境 - i ：作，使得实际的实验是很困难，甚至是不太现实的。这就出现了数值模拟，即用 数学的方法模拟锅炉内的流动和燃烧。随着计算机存储容量的不断增加，汁算速度的 不断提高，计算方法的不断完善，使得数值模拟得到了迅速的发展。 浙江大学岑可法院士和樊建人教授，就是在这样的背景f 提出了计算机辅助优化 试验( c a t ) n 论。计算机辅助优化试验方法是数值计算和实验的有机结合，实践已经 证明这是一套行之有效的方法。 本文就是在计算机辅助优化试验( c a t ) 的指导f ，对旋流燃烧器内的冷态流场进 行了数值试验研究。 1 2 煤粉旋流燃烧技术 旋流燃烧器的出口气流是旋转射流，它是通过各种型式的旋流发生器产生的。气 流喷入燃烧室以前，在圆管内作螺旋运动。在气流离丌燃烧器时，| | 于离心力的作 川，小仪柯轴向速度，还有一个使气流扩散的切向速度。这时，如没仃外力的作川， 它j 衄“1 沿荷螺旋线的切线方向运动，形成辐射状的环状旋转射流。 j ：| 矗| 流刑流的1 - 要特点址： 1 旋转射流的扩散角比较大，而u i 流存喷入燃烧室以后的段距离内，轴线 浙江大掌硕士掌位论支 第一章序论 上的轴向速度为负值，产生中心嗣流区。由j 二流量要保持i ) 。匾，轴线上的轴向速度小 于零，何可能会使得j 四流i 基外的速度比喷i _ 进来时候的仞始速度要大。 2 j 1 ：始时，切向速度较人，旋转效应很明显，但是衰减的很快，即气流的旋转 效应很快就会消失。之后，气流基本上就是沿着轴线运动。这是由于，在保持角动量 守恒时，回流区的卷吸作用把高温烟气和煤粉颗粒都吸进了回流区，同时由于扩展作 用，切向速度的旋转半径逐渐增加，使得切向速度减小。 3 流场中，轴向速度的最大值衰减的也很快。因为射流刁：断卷吸周围烟气和颗 粒，但是射流的总动量要保持守恒。这就使得旋转射流的射程较短。刚丌始的轴向速 度和切向速度都较大，所以早期的混合很强烈，湍流强度也大，后期的湍流较弱。 4 由于存在中心回流区，而且旋转射流的湍流扩散角度较大，因而回流区对周 围介质的卷吸能力较大，对整个流场产生了很大的扰动，使得煤粉颗粒和空气混合的 更好，这有利于着火和火焰的稳定。 在旋流燃烧器中，携带煤粉的一次风和不携带煤粉的二二次风是分别通过不同的管 道和燃烧器连接的。在燃烧器中，、二二次风的通道也是隔丌的。二次风射流。般都 是旋转的，一次风射流可以是直流的，也可以是旋流的。 1 2 1 旋流燃烧器和直流燃烧器的比较| 2 1 我们可以从下面几点来比较现在的旋流燃烧器和直流燃烧器的主要特点： 旋流燃烧器对介质的卷吸率高，射程短，减少了火焰的碰撞，沿炉膛内的热负荷 比较均匀，所以炉膛的结渣和腐蚀较容易控制。由于旋流燃烧器的一、二次风的混合 早而且强烈，所以未燃尽的炭损失小。旋流燃烧器的卷吸率高，气流旋转强烈，形成 高温的回流区，火焰较稳定。旋流燃烧器一般来浇比较适合于挥发分比较高的煤种。 对于直流燃烧器，由于一次风和二次风混合的比较晚，所以n o 、的生成量相对 较低。旋流燃烧器可以通过增加燃烧器之问的距离和分级配风来降低n o x 的排放。 b & w 公司开发的双调风旋流燃烧器和我国丌发的径向浓淡旋流燃烧器降低n o x 排放 的效果很显著。 由于旋流燃烧器不能采用摆动的方式来控制汽温，要用烟气再循环或双烟气通道 来调节汽温，因而成本较高。 旋流燃烧器采用前后墙布置，因此沿着炉膛的宽度方向的热负荷均匀，炉膛出l 】 以及水平烟道内的烟温偏差很小。 应该说旋流燃烧器和直流燃烧器各有其优缺点，应该根据具体的实际情况来选用 何种型式的燃烧器。 12 2 旋流燃烧器的分类 根据燃烧器的不同结构型式，旋流燃烧器可以分为蜗壳式、轴向叶片式和切向叶 片武三大炎掣。 也可以根据二次风的供风方式和一次风一煤粉混合物浓度的不同分为炎【”：普 通型、分级燃烧型和浓缩型。 表卜1 旋流燃烧器的分类 类型燃烧器的特征举例 _ u 二次风通过燃烧器集中送入炉内，蜗壳型，切向叶片7 扎轴向叶轮 普通剖 一次风和煤粉没有经过浓缩。型，旋流预燃室燃烧器，管式旋 流燃烧器等。 分级燃烧型二次风通过燃烧器分两级以i ：送戏通道外混式，烈渊风燃烧器， 浙江大掌硕士掌位论文第一章序论 入炉内，一次风和煤粉混合物没有s m 型，蜗壳一叶片式，r s f c 经过浓缩。型燃烧器等。 次j x t , f n 煤粉混合物经过浓缩后 p a x 型，n s z 型，w r 型，n s w 浓缩型 碰入炉膛，用来改善煤粉的着火及 型，径向浓淡旋流燃烧器等。 稳燃。 1 2 3 旋流燃烧器的特性参数4 1 1 5 l 般j j 气流相对于轴线的旋转动量矩m 和气流的轴向动量k 的比值，来表示旋流 燃烧器的旋转强烈程度( 或者称为旋流数) 。我们常遇到的有的三种旋流强度，即燃 烧器的旋流强度q ，实际旋流强度和综合旋流强度q ：。 表1 - 2 旋流强度和烟气回流量 编号 名称公式 代表的意义 切向动量矩 ( 1 )旋流强度 q = 8 m ( z d k )轴向动量 由燃烧器的几何结构特性决定的 旋流强度。 h r 、一实测切向动量矩 8 a ? m j w ? r ? ( 2 )实际旋流强度噶= 。l r _ ? 9 实测轴向动量 d z a ，“? 由燃烧器出口处实际测量气流速 ，= l 度计算得到的值。 q ：“j 厶。 表示多通道燃烧器或者一、j 次风 ( 3 )综合旋流强度 q ；= 忙1 。 混合以后整个燃烧器的综合旋流 强度。 “? aq 2 磐，而a a ，旦, z 1 3 表示烟气向燃烧器出口回流的数 ( 4 )烟气回流量 量，由速度场测量积分得到，分为 中心回流和边界回流两种。 上述表格中，( 1 ) 中m = 朋，w r 。表示气流旋转动量矩，k = 钟、“为气流轴向动量， q 为空气的体积流量，“、w 分别是燃烧器内的平均轴向速度和平均切向速度；月、。为 旋转e 流的旋转半径。( 2 ) 中r 是各圆环的平均半径，圆环的面积为爿。( 3 ) 中屯和 p 。分别表示通道i 的面积和当量直径，且d o = 硫，一珑，见。平1 1 d , ，为外、内通道 - f l f l j 直径。( 4 ) 中的各个变量和上面的定义一致，t 为烟气的摄氏温度值。 另外，根据综合旋流强度的概念和计算方法，还可以定义旋流燃烧器的出【 平均 速度2 1 0 1 1 平均密度岛，即 瓦：生盗上垒鱼三 u i p l m e q + u 2 p 2 a q ，+ 瓦2 瓮畿 ( 卜1 ) ( 12 ) 旋转射流扩眨角甜：般把速度等于某个截面最人速度的1 0 处定义为外边界， 旋转射流的扩展角就是射流外边界的央角，用来表征旋转气流的扩起范。 旋流燃烧器的其他特性参数，例如动量矩保持系数、能撮利j 】1 系数、燃烧7 , , s i ql j 瓿：、：! 浙江大掌硕士学位论文 系数 、气流湍流强度、气流出口f i 均匀系数、燃烧器出口煤粉分配4 i 均匀系数a 和燃料在炉内的平均停留时问等，这罩就不一介绍。 124 旋流燃烧器的设计l i l d l 进行燃烧器的设计时，除了需要提供热力计算和制粉系统计算的有关数掘外，还 需要有、二、三次风的风率和风速，及一、二次风的风速比，它们的值随着燃料的 不同会有所不同。三次风的风速一般都较高，约为5 0 一6 0 耐s 。为了使旋流燃烧器在 最佳工况下运行，一般一、二次风的风速比取1 2 1 5 之间。 在燃烧器的出口应当采用适当的扩口角度，可以在不增加能量消耗的前提下提高 旋流强度。通常，扩口角度要随着煤种的变化而变化。 为了提高炉膛的利用率，改善炉膛的充满度，获得良好的空气动力场，目前的旋 流燃烧器一般都伽置为前后墙对冲的形式。为了使旋流燃烧器能保证锅炉的安全运 行，彳i 烧坏设备，不引起炉内的结渣，就要求燃烧器的气流扩散角度不能太大，尽垦 避免产生丌式回流区及飞边现象和过短的旋转射程。 12 5 双调风煤粉旋流燃烧器7 l 8 图1 id r b e i - - d r b 燃烧器简图 1 9 7 2 年，b & w 公司开发了双调风燃烧器( d r b d u a lr e g i s t e rb u r n e r ) 。近年来， 我国引进的相当部分大型电站锅炉均采用这种旋流燃烧器。实践已经证明：这种燃 烧器在组织煤粉气流的高效低污染燃烧中性能优越，标志着旋流煤粉燃烧器的世界先 进水平。 这种燃烧器中，在一次风的外围，粕置了两个分别控制的调风器。内部凋风器山 可调轴向叶片组成，主要作用是促进点火和稳定火焰，而切向叶片的外部调风器主要 作用是在火焰下游提供空气使燃烧完全。由于外调风的旋流强度较大，它同时也吸收 了回流的高温烟气以保证煤粉的着火和稳定火焰。最初设计的d r b 燃烧器的一次x l 管是文丘利管，目的是要使得风和煤粉颗粒的混合物分散，这样可以提高燃烧效牢。 这种燃烧器形成的火焰核心是还原性的，随着在核心火焰下游逐步的供埘，达到| ! j 降 低n o 。，又保证燃烧效率。由于外围二次风有一定的厚度和动量，核心部分的还原性 火焰要穿过二次风是不可能的，因而可以防止炉膛的结渣和腐蚀。】9 7 3 年，用这种 双调风燃烧器代替了原来的圆型燃烧器，发现可以降低n o 。排放5 0 6 0 。1 9 7 4 年， 该燃烧器在美国获得号利。 大量的运行实践经验告诉我们，这类燃烧器的n o 。排放低于污染物的控制标准。 在4 挣能南通电厂3 5 0 m w 满负荷的测量结果是，最低的n o 、排放阜可达4 4 7n l g ，7 7 1 ， 一般都i 叮以维持在6 0 0 m g 7 3 的水平。另外，d r b 燃烧器还有儿种改边型，例如比 较常见的d r b x c l ，e l x c l 等。 浙江大掌硕士掌位论文 13 气固两相流的基本理论 ，= i 管何种t 型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。因而，要改进燃烧 器，必须对，- i 吲两相流动的规律有深入的理解。 1 3 1 气固两相流的基本特点”1 单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗 粒，而且各处的固体颗粒浓度存在差异( 可以参考第四章的图4l1 ) ，这就使得炉内的 燃料颗粒流动变的相当复杂。一般来说，有以下主要的特点： ( 1 1 气体分子分前i 均匀，而燃料颗粒是分散的、且直径大小不同，为了简便起见， 人们通常仅仅考虑一个平均尺寸。 ( 2 ) 燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。 ( 3 ) 颗粒相的惯性较大，气体和颗粒问存在着速度的滑移，因而各自运动规律相瓦 会产生影响。 ( 4 ) 颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。在不等温的热流中还 存在着热泳现象。 ( 5 ) 由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。 ( 6 ) 在有压力梯度、速度梯度存在的流场中，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定 状态，颗粒问及与管壁问相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产生升力效应。 ( 7 ) 颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。小颗 粒的扩散速率比大颗粒的扩散速率大。 1 32 气固两相流的分类” 工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相 两相流和浓相两相流。这是以颗粒在气相中的含量多少来区分的，通常认为稀相两相 流中颗粒的浓度不大，使得颗粒的存在对气相运动的影响不大，颗粒相的运动规律基 本与相一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修萨就可以了。浓相两相流动就 是颗粒相浓度增加到一定数值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流 动方程就很难准确的加以描述。一般来说，颗粒的浓度小于l k g k g 空气时，可以认 为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。 对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略， 这种情况称为双向耦合( t w o w a yc o u p li n g ) 。稀相两相流的颗粒相对气相影响很小， 可以忽略不计，但是气相场决定这颗粒的轨迹和其他参数的变化，这种情况称为单向 耦合( o n e w a yc o u p in g ) 。 13 3 气固两相流的特性参数1 4 1 1 9 1 山于气固两相流中增加了颗粒相，流动中存在着一个形状与分布随机可变的柏界 面。而各个相之间又存在着一个不可忽略的相对速度，甘敛j 流 钳道的分川流f i j 比 平分川所- 的什铖比f i 牛1 | 臀。因此描述气固两相流的流动特性参数比气体单相的流 动特性参数要复杂很多。主要的参数有：两相浓度( 各相所占的相对容积，重量等) 、 空隙度( 流体所占的体积与整个两相流体的总体积之比) 、两相密度( 各棚的总重量与总 体移 的比) ，比面积( 分散颗粒相的表面积与其体积之比) 、以及两棚粘度、两十比热、 两棚导热系数和颗粒的松弛时问b 等。 除此，还有其他的一些参数，如两午h 流体的密度，颗粒，f 均尺、j 等。 浙大掌硕士学位论文 1 3 4 工程气固两相流模化实验的原理 气固两相流进行模化时，首先要做到几何相似，其次要使雷诺数相等或者气流达 到自模化区，另外，还要做到单值条件相似，即达到流动相似。为了使模型与原型中 的两相流动相似，还必须要遵循一定的准则。 表1 - 3气体湍流流动时的相似准则 准则名称表达式意义 均时性准则 风：半 速度场随时间的改变速度 付鲁德准则 n ：鉴 惯性力与重力之比，表示重力对运动的影 g l 响 雷诺准则r e = w 。l i v惯性力和粘性力之比，表示粘性力对运动 的影响 欧拉准则 e “：之：f ( r e ，n ) 压力与惯性力之比 r ”二 普朗特准则 p r ：v p p g c p 温度场和速度场的相似程度 ， 湍流准则湍流脉动的强度 芝：编。 w 。 w ，w ， 不同方向问脉动的联系 一2 l a c m 脉动准则 w 。 l 考虑脉动频率影响的准则 = l a e ，” w h ：型，r e ：l v ，f r ：笠，e “：竺， l g l p g w k z i * n 了o 耻箭w n ，w p ，瓦p p 专等。 当分散相用平均直径来模化的时候，还应该遵守以下条件：n l = i d e m ，c e = i d e m 。 n ，是和颗粒粗细分布性质有关的系数，c e 是煤粉浓度。 要同时满足以上的所有准则是很困难的，应该根据实际情况采取近似模化的方 法，通常作如下的简化： ( 1 ) 如果炉内流动过程是稳定的，可以不考虑均时性准则。 ( 2 ) 在几何相似的条件下，当气流流动达到自模化以后，湍流准则也基本上达到 了自模，如果此时满足阻力处于同一区域，那么气流脉动对燃烧颗粒的影响也可以近 似得到相似。 ( 3 ) 如果能满足进口条件相似，则意味着，。w ，= i d e m 和c e = i d e m 能得到遵守； r h = i d e m 也能得到遵守。 ( 4 ) 要求遵守准则p 。t p x = i d e m ，在等温模化t j 7 j 棚同的物质就可以做到。 综i 二所述，简化可得到两相流动的近似模化【 i ，应遵守的棚似准则为：f r ，s t 和r e ( 或者处于棚同的流动阻力区、。 浙主l 大学硕士掌位论文 13 5 气固两相流的试验测试技术l | 】i “) l 【i ” 在锅炉的调试和运行过程中，常会遇到两相流的取样和测量的问题。如果想知道 各种燃烧器内部的煤粉颗粒和空气的温度、速度浓度等，就必须对两相流进行采样测 量和分析。目前已经有很多的测量两相流的方法，例如可以利用灰粒对光线的光谱吸 收特m 戊) 匕测最装霄，n r 以利j 1 捕 乜效应、超声波、激光或者j e 他的力浊测破。 j j 要测i i i ；1 1 9 两十h 流参数l i 要有：颗粒和气流的速嫂、浓j 蔓及沁嫂，颗粒 t j 等物州： 。 常见的荆 粒述j 延测髓山法有取样；上、动量法、十火法神l 激) 匕多普糊法。可以用各 平i | i ，t j 椿”、热i i z x t 速仪和l i i 轮风速汁以及激光测迷的力法术测：i 【i 流述馊，还可以 川飘一；1 77 k f i l 小踪法来得矧速度的方阳。 流量的测 包括速度法、节流法、彳踪法、质世流艟 j ：和黼度f ：。 r j 前的测量气固两相流的方法很多，大多足利j t l 剩! 卡t 的i f - 利叶勿川陀质，例如比包 浊、光il i i 2 , 、f u 窬浊、静f b a 2 , 、超产i , i j ；l l i y 射线法等等。 miu k j ：川的 ：要测温装酉，有辐射式渝度汁和接触j h 赫 热1 1 2 缁两种。 可以用p d a 测量颗粒的粒径分布。 14 工程气固两相流的计算机辅助优化实验( c a t ) 研究方法。”1 气固两相流的研究方。法主要分为m 大类：一类赴模化实验， 类就 i ! = 数仙模拟。 i i ij 。c 1 i i i i 两相i ：i c 的复杂性，用现有的测试技术很雄了解全邝的流动特，r l ：，t 牧：l 川j 数恤 揆拟f 4 。为! 必要的补充，而实验义是检验数学模型j i 确i j 仃的标准，所以两种方法各有 优缺点，址十牟| | i 棚成的。征现往的研究q 1 ，单纯，l jj c t t ，种力 上，| 放弁使t l j 外 扣| l ，j 利i ，佝；址1 i f 学f i ，j ，也是不i j 行的。 化炙际的i ：设汁i h 列j ：给定的) d f i , jj 侈状、j t 、j 及入ii 条件刖边外条什j 、i 敦 j 以坝拟：流场分斫j ，沁搜场分伽，匀i 分浓度场，坝粒相和气相的述艘、煳 t n 0 轨 迹、泓嫂及浓度场，热流分斫j ，壁丽处颗粒沉羊j ! 牢等筲。 在6 0 年代以河，锅炉的设计办法上要靠纯经验纯的实验绌粜，或杆1 i t “删枷 i ：小模型。实验，i q ：d , 1 - 相似舰律整珲数据的半经验改计方法。这类方法在f 1 前，l c 令 将求邪仃啦蛆的作h ，町以给出定性的有用判抛。当然，只靠这类疗洲i 肯定柯许多的 4 i 足之处。这些方泄i 经验性太强，l n i 町使用 ! l ： n 1 不够广。随苻计算机、数值分析、 i t 弹流休j 学、汁钾：传热学及汁t 竹燃烧学等学科的发展，从l ：代至今逐渐形成了 “曲相流动和燃烧的数值模拟”这分支。 浙 l ：人学岑可法院十和樊建人教授提出了计算_ ! j u f i l 助优化数值i l = s g ( c a l 、) 方法， 就是将数值计算方法、两相流体力学、传热传质学、燃烧学以及锅炉的设计运行等l l j 忆结合亿+ 起，刈备利一填休j ：程实际问题，n ；合适的物耻微型、数理统汁删沦和汁钾 哎i 1 干分 i 厅“i 的j i i , 甘之h 进行人时的馍拟优化竹，从i l l 件川 埘l2 挂心川仃指导 意义f | ( j 结论，使典验的疗阳性蜓j j i | i ”j 确。 c a t 办法f l i j 点川士0 锅炉t i 仃如下些1 ：婴特点矧应川： 1 在没汁新的锅炉时，呵刈各个方案进fj ：数值模拟年分 i ，求得较为合删的改 力案。 1i ，以指导新型燃烧器、j * t 4 f i 煤粉的分眦等。 2 i j 以坝测4 i 煤利，、变负倘、变宅7 1z 讪j1 况叫j 能小的越发m * 决，j “ 3 州以f hc a t 力；上发肌现任的锅炉“j 能会小的n 0 越，许挺肼 枷1 ，繁 4 1 j n l 刈新钭刈流换热i f l f f l , i 姒化传热及麟坝，绌浍筲进 j 川j 、v 的t , j f 究* 等。 我们川以川个流列h i 来衷示c a i 、方法： 兰兰查兰墨主兰竺竺查! ! ! ! ! ! 兰 l 练含 ： 幸 进行基础实验验砭数学横型和织得必要的参数 童 掘嵫涮澄j 一簟一 正交安验洼最氆寰验 蠢 露窟媛合洁 t 在计算机上送行计隽 一一i l拟寮】经验公式发现可能出现的问题 确定最佳运行工况 簟 i 自导工程人员工作 图1 2c a t 框图 c a t 数值模拟方法大致可以分为以下的几个主要步骤： ( 1 ) 建立基本的守恒方程组：数值模拟的第一步是由流体力学、热力学、传热传 质学、燃烧学及其他一些基本原理出发，建立质量、动量、能量、组分、湍流特性等 守恒方程组，如连续方程、扩散方程、湍流动能方程等。 ( 2 ) 确定边界条件：按照给定的几何形状以及相应的尺寸，由问题的物理特征出 发，确定计算区域，并且给定计算区域的进出口、轴线( 和对称面) 以及边壁或者自由 面处的条件。对于两相流需要分别给出各相中各变量的时均值和脉动值的边界条件。 f 3 ) 建立或选择模型和封闭方法：在第一步中列出的方程组往往是不封闭的，特 别是湍流两相流更是如此。解决这一问题，使方程组封闭，是数值模拟理论的关键问 题。必须由实验或者物理概念的基本假设出发来构造或者选择各个分过程的模型，如 湍流流动模型、两相流模型、湍流气相反应模型等等。 ( 4 ) 建立和求解离散化方程：用数值法求解偏微分方程组后，必须将方程组离散 化，湍流两相流动常用的离散化方法是差分方法。 ( 5 ) 研究计算技巧：对湍流两相流必须探讨两相问迭代以及反应和流动问迭代的 最佳步骤，颗粒相连续性的校币、轨道积分方法等。 ( 6 1 编写并调试计算程序。 ( 7 1 模拟与实验的对比及改进模型和解法。 总的来浼。用数值模拟的方法来选择实验或者设汁的最仕方案，”j + 以使实验f i 标 浙江大掌硕士掌位论文第一章序论 更加明确，减少实验次数，节省大量的人力、物力和财力。【划而，c a t 方法对实验 有很大的指导意义，并且可产生巨大的经济效应。 当然，数值模拟必须要和具体的实验紧密的结合，这两种方法是相辅相成、缺一 不可的。 1 5 煤粉燃烧器内气固两相流的研究现状 从8 0 年代后期开始，国内的很多高校和研究机构对旋流燃烧器内的气固两相流 动进行了研究，清华大学、浙江大学、华中理工大学和哈尔滨工业大学等，都对气固 两相流动的研究做出了很多卓有成效的工作。 首先，张经武 1 6 1 、吴承康 1 7 1 、周吴1 ”、阎维平2 、李勇、孙锐1 2 ”、李志 强1 、胡建根2 “、徐一1 】、陆慧琳【2 ”、会燕【1 8 】等先后对旋流燃烧器内的气固两 相流动进行了实验上的研究。 近年来由于计算机技术闩新月异的发展，给数值模拟带来了无限生机，气固两相 流数值模拟的对象和深度都达到了一个崭新的台阶。 1 9 8 9 年，岑可法和樊建人首先提出了一个新的两相流动数学模型一一脉动频谱 随机颗粒轨道模型 5 2 ”，并用它成功的模拟了气固两相同轴射流。在1 9 9 2 年，他 们又提出了计算机辅助优化数值试验( c a t ) 方法l l ”，讨论了数值试验方法在大型电站 锅炉中应用的可能性，同时也为数值模拟气固两相流提供了方向性的指导。 在对湍流气相场进行数值模拟时，得到最广泛应用的是k s 模型。在能满足工 程需要的前提下，它也是最简单有效的双方程模型。吴承康1 17 1 、郑亚13 0 、徐明厚【3 ”、 李成之 3 2 1 等都应用k 一模型对燃烧器内的湍流流动进行了数值模拟。但是在许多流 动较复杂的工程实际中，k 一模型的计算结果会和实际情况产生较大的误差。所以， 很多学者又提出了对k 一模型的改进和修正【3 ”4 i ，例如对双方程中的系数c 、c ，或 者c 。进行修正1 3 5 1 ”】，以及近年来应用较多的重i f 化群( r n g ) 一s 模型1 3 7 1 1 ”1 等。 虽然改进的k 一模型能够在一定程度上满足工程的需求，但总的来说，对于强 旋流动、有浮力的流动等比较复杂的湍流而言，它们都不能正确反映湍流的各向异性 特征，因而在计算这类流动的时候有必要引进雷诺应力模型。 雷诺应力模型( r s m ) 中的代数应力模型( a s m ) 因其相对简单而得到了比较多的应 用13 9 - 4 1 。此外，还有一些研究者应用双流体模型d 2 1 14 i 和双时间尺度模型【4 4 1 进行了湍 流的数值模拟。 对于气固两相流动，在模拟时或者把颗粒群当作拟连续介质或者拟流体，或者把 颗粒群看作离散体系。 颗粒拟流体模型的核心问题是颗粒湍流模型，目前一般采用两种方法：一种是基 于颗粒追随流体脉动概念的h i n z e t c h e n 颗粒湍流代数模型( a 。模型) ”5 ；第二种是颗 粒湍动能方程模型( k 。模型) ”j f 4 4 8 j 。除此之外，还有统一的二阶矩模型( u s m ) 州5 州 及基于统计方法的p d f 模型1 50 】【5 ”。a 。模型和k 。模型只适用于湍流脉动是各向同性 的流动，所以它们在模拟强旋的流动时是不成功的，而且颗粒动力学相位多普勒测速 仪( p d p a ) 的实验结果已经表明一模型是不准确的”。u s m 和p d f 考虑了湍流脉动 的各向异性，似i 是其中u s m 对于颗粒雷诺应力方程的扩散项和两柏速度脉动关联项 模拟的合理。队，还有待j ：进一一步的研究和验证。 颗粒群轨上c ! 模掣和脉动频谱随机颗粒轨道模型1 2 9 1 1 ”l 【s 3 - 5 5 1 ，d 于考虑了颗粒的扩 敝，能够较为真实的反映 b 颗粒的实际运动，因而得剑了很。泛的应用。这鼬- 个模型 浙江大掌硕士学位论文 都是把颗粒当作分散相来处理的，而不是拟连续介质或者拟流体。 在求解颗粒运动轨迹时，考虑的颗粒受力情况一般比较简单”俐5 6 。5 ，只考虑儿 个主要力的作用。 综上所述，尽管许多研究人员对燃烧器的气固两相流问题做了研究。但这些上作 中对于气相场模拟的时候，采用的大多数都是基于“有效粘度”的湍流模型。由于 强旋的两相流动呈现出典型的各向异性，即使对k f 模型进行过修正，模拟的结果 仍然不能让人满意，特别是对回流区的预报。 近年来雷诺应力模型得到了越来越广泛的应用，但是除了文献【4 9 】和 6 0 】以外， 一般研究人员都是选用经简化了的代数雷诺应力模型，较少有人直接用雷诺应力的微 分方程模型( d s m ) 来模拟强旋湍流流动的。 16 本文的主要研究内容 为了用数值模拟的方法再现旋流燃烧器内气固两相流动的特点，本文选定了文 献f 6 1 】和文献f 1 8 】中旋流燃烧器为研究对象，主要研究内容如下： 1 ) 首先，将对国内外在气固两相流体力学中较常见的物理模型进行分析和评述。 在对三个常用的气相湍流模型( 标准k s 模型、r n gk s 模型和雷诺应力模型) 进行 详细比较后，选定本文数值模拟时要应用的模型。 2 ) 应用r n gk 一占模型模拟【6 1 】中旋流燃烧器内的气相流动；直接应用以前的研 究中较少用到的雷诺应力模型对【1 8 中双调风旋流燃烧器内的气相流动进行数值试 验，并探讨双调风旋流燃烧器的内、外二次风叶片丌度和各次风速度对燃烧器内流动 的影响，特别是对于中心回流区的影响。求解气相湍流微分方程组时用s i m p l e 方法。 3 ) 用脉动频谱随机颗粒轨道模型( f s r t ) 模拟气固两相的流动特性，在求解颗粒的 浓度场和速度场的时候引进“体积平均法”。 4 ) 应用脉动频谱随机颗粒轨道模型( f s r t ) 跟踪颗粒在燃烧器内的运动轨迹。 0 浙江大掌硕士学位论文 第= 章气同两相流动数值模拟的理论基础 第二章气固两相流动数值模拟的理论基础 气围两相流的应用范围相当广泛，例如各种工业炉窑、锅炉、冶金炉、燃烧器、 流化床等等，其中的流动都是两相流。一般来说，为了进行准确的计算机数值模拟， 必须要首先建立两相流动的数学模型，然后给出相应的微分方程，再来求解这些微分 方程。般都足先建立简单的气相场的流动模型，在这个基础上再j j h a 颗粒相。 本章的主要内容就是建立两相流动的模型，并且讨论如何求解这些模型的数学方 程组。 2 1 湍流气相流体模型的建立及其求解 湍流气相场的研究有两种方法，即欧拉方法和拉格朗只方法。欧拉方法把问题归 结到空间某些定点在不同瞬间的脉动情况，但是在湍流工况下，真讵的运动是不稳定 的。欧拉方法可以得到整个流场任何一个位置的运动情况。拉格朗同方法则是跟踪某 个湍流微团( 或者是某个颗粒) ，研究其在不同时刻内运动轨迹和状态的变化。但是拉 格朗同方法不能给出整个流场的情况。所以在对整个流场作研究的时候，一般都采用 欧拉方法，在求解运动轨迹的时候用拉格朗同方法。 表2 - 1 几种主要的湍流模型4 提出者湍流模型模型类别 b o u s s i n i s q旋涡理论“0 ”方程模型 p