（动力工程及工程热物理专业论文）一体化炉灶内流场特性研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s i nt h e i n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g e at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i ud a n s u p e r v i s o r ：p r o f q i ux i n g q i c o l l e g eo fm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：型 盘慨捌年 朗岁口同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 塞! ! 丑； 指导教师签名：钽1 雅 闩期：2 护，f 年月知1 7 同期：2 01 1 年 月夕。同 捅费 论文针对目前炊事炉灶由于缺乏炉灶结构设计与强化传热理论研究所导致的能源 消耗过大，利用率低等问题，在查阅大量相关文献的基础上，应用燃烧模化的方法将对 热态炉膛内高温烟气的流动特性研究转化为冷态炉膛的空气动力场的流动特性研究并 针对现有一体化炉灶进行冷态实验研究，得出炉内空气动力场的流动特性有以下几方 面：对于不同的轴向断面，速度沿径向变化曲线趋势为由入口中心向边壁区域速度呈现 明显的先递增后递减双峰结构。在r = 9 0 m m 区域附近，存在一定的能量交换或能量分配 不合理现象；在靠近边壁区域时速度反向，形成回流区，但该回流区对传热性能的影响 很小，没有起到延长烟气停留时间，提高传热性能的作用：应在r = 7 0 m m 1 1 0 m m 区域 内加设具体的强化传热装置，如加设扰流和旋流元件等，提高一体化炉灶的整体传热性 能。根据上述实验结论对现有一体化炉灶结构进行改进，并应用f l u e n t6 2 软件对不 同一体化炉灶结构进行三维数值模拟分析，经分析可知：在一体化炉灶内加设两层扰流 板，各层扰流板均开一个烟气流动槽，第一层扰流板半径为2 0 0 m m ，开槽方向与排烟 口同向，第二层扰流板半径为2 7 5 m m ，丌槽方向与排烟口反向，这种扰流板结构可以 形成最佳流场结构，使整体换热性能最高。最后应用场协同原理推导出一体化炉灶的最 佳流场结构，并运用具体的强化传热装置予以实现。 关键词：一体化炉灶，空气动力场，冷态模化，r s m 模型，辐射模型 r e s e a r c ho nt h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s i nt h ei n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g e l i ud a n ( p o w e r e n g i n e e r i n ga n de n g i n e e r i n gt h e 肌op h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f q i ux i n g q i a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e m st h a tl a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wu t i l i z a t i o ne x i s t e d b e c a u s eo fl i t t l er e s e a r c ho ns t r u c t u r a ld e s i g na n dh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tt h e o r y , b a s e do n n u m e r o u sl i t e r a t u r e s ，c o l dm o d e lr e s e a r c ho ft h ei n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g ew a sc a r d e do n w i t ht h eh e l po fi s o t h e r m a lm o d e l i n g ，t h er e s e a r c ho ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c s f o rh i g h t e m p e r a t u r ef l u eg a sw a st r a n s f o r m e di n t ot h er e s e a r c ho ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sf o r a e r o d y n a m i cf i e l d c o n c l u s i o n sa sf o l l o w sw e r ed r a w nf r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s f o r d i f f e r e n ta x i a ls e c t i o n s ，t h ev e l o c i t yv a r i a t i o np r e s e n td o u b l e p e a ks t r u c t u r ew i t hs i g n i f i c a n t d e c r e a s e sa f t e rt h ef i r s ti n c r e m e n ti nd i f f e r e n tr a d i u s ，f r o mt h ee n t r a n c et ot h ef u r n a c ew a l l ；i n t h er e g i o no fr = 9 0 m m ，t h e r ew a sac e r t a i nd i s t r i b u t i o no f e n e r g ye x c h a n g eo re n e r g ya n o m a l y ； i nt h er e g i o no ft h ef u r n a c ew a l l ，t h e r ew a sar e c i r c u l a t i o nz o n ew i t hl i t t l eu s eo f h e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n te q u i p m e n tm u s tb ei n s t a l l e db e t w e e n ，= 7 0 m ma n d ， 。1lo m m ，s u c ha s s p o i l e ra n dc y c l o n et oe n h a n c et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h e i n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g e b a s e do nt h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o n ，t h es t r u c t u r eo ft h ei n t e g r a t e d c o o k i n gr a n g ew a si m p r o v e d i no r d e rt of u r t h e rt h ek n o w l e d g eo ni n n e rf l o wf i e l d ， f l u e n t 6 2w a sa p p l i e dt os i m u l a t et h ei n n e rf l o wf i e l di nt h ei n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g ew i t h d i f f e r e n ts t r u c t u r e t h ea n a l y s i ss h o w st h a t ：t h eb e s ts t r u c t u r ew a st w os p o i l e rp u t t e di nt h e i n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g e ，w i t hag a sf l o ws l o t si ne v e r ys p o i l e r , t h ef i r s ts p o i l e rr a d i u sw a s 2 0 0 m m ，s l o t t e dt ot h es a m ed i r e c t i o na n de x h a u s tp o r t ，r a d i u so ft h es e c o n ds p o i l e rw a s 2 7 5 m m ，s l o t t e dt h er e v e r s ed i r e c t i o na n dt h ee x h a u s tp o r t ，t h i ss t r u c t u r em a d et h eo v e r a l lh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h eh i g h e s t , w h i c hw a sd e r i v e dw i t hf i e l ds y n e r g y k e yw o r d s ：i n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g e ；a e r o d y n a m i cf i e l d ；c o l dm o d e l ；r s mm o d e l ： r a d i a t i o nm o d e l 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究意义1 1 1 1 课题来源l 1 1 2 课题研究意义1 1 2 研究现状2 1 2 1 中餐炉灶发展现状2 1 2 2 燃烧模化研究现状。3 1 2 3 空气动力场测量技术发展现状4 1 3 研究内容5 1 4 研究路线6 1 5 创新点6 第二章燃烧理论及其模化j 8 2 1 基本控制方程8 2 2 燃烧系统模化法则9 2 2 1 相似第一定理9 2 2 2 相似第二定理1 0 2 2 3 相似第三定理1 0 2 2 4 相似准则l1 2 3 燃烧模化方法12 2 3 1 炉内等温流动过程的模化。1 2 2 3 2 用等温模型近似模化非等温流动的方法。1 2 2 3 3 燃烧模型15 2 3 4 数学模型15 2 4 一体化炉灶冷念模化设计1 6 2 4 1 一体化炉内烟气流速16 2 4 2 一体化炉内烟气燃烧温度17 2 4 3 一体化炉内烟气雷诺数19 2 4 4 一体化炉灶冷模计算1 9 第三章冷态模化实验2 1 3 1 一体化炉灶设计2 1 3 2 实验设计2 1 3 2 1 实验装置2 2 3 2 2 实验方法及步骤2 2 3 3 l d v 测试系统设计过程2 3 3 3 1 控制参数设计2 3 3 3 2f i n d 软件参数设计一2 4 3 4 示踪粒子的选择2 6 第四章一体化炉灶内空气动力场实验分析2 8 4 1 空气动力场流动特性2 8 4 2 断面最大速度3 0 4 3 回流区流动特性3 0 4 4 空气动力场流动特性的数学表达3 1 4 5 不同操作参数对流场的影响- 一3 3 4 6 ，j 、结3 4 第五章一体化炉灶内流场数值模拟3 5 5 1 网格划分。：_ 3 5 5 2 确定计算模型。3 5 5 2 1 湍流模型的选择3 5 5 2 2 辐射模型的选择一3 6 5 2 3 边界条件的选择3 6 5 3 实验测量与模拟结果对比分析3 8 5 4 不同结构炉灶内流场分析3 9 5 4 1 加设扰流装置后的炉膛流场特性分析3 9 5 4 2 改进扰流装置后的炉膛流场特性分析4 5 5 4 3 不同结构的炉膛流场特性对比一5 l 5 5 小结5 3 第六章基于场协同原理的速度场优化分析5 4 6 1 速度场的优化模型5 4 6 2 速度场协同方程5 6 6 2 1 速度场协同方程的建立5 6 6 2 1 速度场协同方程的证明5 6 6 3 一体化炉灶内速度场协同方程5 7 第七章结论与展望6 0 7 1 结论6 0 7 1 1 理论成果6 0 7 1 2 主要结论6 0 7 2 展望6 0 参考文献6 2 攻读硕士期间取得的学术成果6 4 致 谢6 5 主要符号表 一理论空气用量，n m3 k g ；t m 一理论燃烧温度， o ，一柴油的发热量，k j k g ；，r 炉温系数，无量纲； k 一烟气量，n m3 k g ；卜实际燃烧温度， 岱一过剩空气系数，取( 1 0 5 1 1 0 ) ； r p 雷诺数，无量纲； 矿一标况下烟气总量，n m3 k g ； q 一试验工况下的空气运动粘度，m 2 s ； k 一实际工况下烟气总量，n m3 k g ； v 一试验工况下的空气流速，m s ： 彳烟气入口截面积，m 2 ； u m a x 一最大速度，m s ； h r 烟气热焓，k c a l n m3 ：口叫心角，。： 中国石油人学( 华东) 硕：1 ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 中国人民解放军总后勤部科研项目：高效节能加热技术与应用研究。 1 1 2 课题研究意义 能源与环境目前已成为人类生存和社会发展所关注的焦点。而与人类生存息息相关 的炊事炉灶由于缺乏炉灶结构设计与强化传热理论研究，强烈制约着我国国民经济的发 展和人民生活水平的提高，同时也使得我国的广大地区，尤其是人口密集的城市范围内 的环境状况急剧恶化。因此，如何提高炊事炉灶的效率对于一个人口众多、发展速度快、 能源紧缺，尤其人均能源拥有量较低的我国来说，极为重要。节约和合理利用能源，降 低能源消耗，提高能源利用效率，是缓解能源制约，提升经济增长质量，创新发展模式 的重要手段。 本课题所研究的一体化炉灶j 下是从提高能源利用效率角度来解决能源与环境问题 对我国国民经济发展和人民生活水平提高的制约。其基本原理是：在炒灶炉膛内设置环 形水套，用同一热源在炒菜的同时加热水套为蒸箱提供蒸汽，实现副食和主食一体化。 它区别于一般炉灶的最突出特点是用一个加热设备，同时完成主食、副食的加热加工， 具有结构设计紧凑、模块化组合、操作简便：使用可靠、机动灵活并能够满足车辆装备 行进i 、日j 炊事作业能力的要求等特点。经过部队的试用和部分地方的推广试用，已经在部 队平时保障、野外住训和逐行保障任务中发挥出重要作用；并且具有突出的节能效果， 使同类产品的热效率相比国家行业标准( c j t 2 8 ) 提高了l 倍以上( 由2 0 - 3 0 提高到 6 0 - - - - 7 0 ) ，很好地完成了“十一五 期间我军5 0 的伙食单位节约燃料3 0 的建设目 标。 目前，一体化炉灶受人关注的技术问题表现在：( 1 ) 燃烧过程着火及火焰的稳定性： ( 2 ) 锅炉出力；( 3 ) 锅炉热效率；( 4 ) 与燃烧过程有关的污染、结渣、腐蚀等安全问 题。这些问题均与一体化炉灶内部流场的流动状态和流动结构有关。因此对一体化炉灶 内部流场流动状态和流动结构的研究，一方面可以丰富该类燃烧的理论内容，从本质上 揭示一体化炉灶的设计规律，对炉灶的工业设计具有重要的理论指导意义；另一方面可 以把分散的理论分析和试验现象统一起来，通过计算结果与试验数据的对比，检验和发 展理论模型，深化对燃烧过程的认识和预言新现象的发生，进一步揭示燃烧规律。 第一章绪论 综述所述，通过研究中餐一体化炉灶，重视和加强高效加热技术的研究与应用，其 发展前景广阔，并具有重大的现实意义和深远的战略意义。 1 2 研究现状 1 2 1 中餐炉灶发展现状 中国是餐饮消费大国，中餐的烹饪方式需要消耗大量的燃料，由于烹饪过程的复杂 性和传统燃烧炉灶的不科学性，导致了大量燃料的浪费，如表1 1 所示。据中国饭店协 会的统计【l 】，全国共有各式饭店、酒楼、食堂等餐饮单位共计近4 0 0 力家，保守估算中 餐饭店是3 0 0 万家，按照平均每家饭店3 个炉灶( 头) 估算，全国餐饮行业拥有和使用 着9 0 0 万个炉灶( 头) 。全国饭店炉灶每年能耗约4 5 0 0 万吨燃油气( 或者9 0 0 亿立方天 然气) ，同时排放近1 5 亿吨的二氧化碳。 表1 - 1 民用炉灶能耗表 ! 璺垒! ! ! ：!垦旦竺! g ! ! 壁望! 坚望! 巳! ! 竺望殳! ! 垒! 堕q 望! 堕! i ! ! ! 旦! 箜 炉灶日j h j 时和时耗未安装炉灶t l 。l - 日匕i 尺。k 。，所以流体处于第二自模化区，则实验时不必遵守r = r 。：条 件，而只要让试验时的r 。 尺。k 。就行。 由 r 。：一v d ( 2 2 0 ) d v ，：盟 1 0 0 0 0 1 5 0 6 1 0 - 6 0 1 0 6 = 1 4 2 3 ( m s ) 式中：u 为试验工况下的空气运动粘度m 2 s ； 1 ，为试验工况下的空气流速r n s 。 综上所述，当模型按原型一定比例缩放满足几何相似，入口空气流速大于1 4 2 3 m s 满足流体处于第二自模化区时，即满足斯林模型的模化条件。 中国石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 第三章冷态模化实验 炉膛空气动力场主要指的是空气( 包括空气携带的燃料) 以及燃烧产物在燃烧设备 及炉灶内的流动方向和速度值的分布【2 6 1 。本文通过冷态模化实验对现有一体化炉灶结构 进行空气动力场测试，分析该结构下流场的流动特性，找到优化一体化炉灶结构的突破 口，确保一体化炉灶的燃烧性能更稳定，能量利用率更高，运行更安全可靠。 3 1 一体化炉灶设计 本文所研究的一体化炉灶的基本原理是：在炒灶炉膛内设置环形水套，用同一热源 在炒菜的同时加热水套为蒸箱提供蒸汽，实现副食和主食一体化加工的炊事炉灶。它区 别于一般炉灶的最突出特点是用一个加热设备，同时完成主食、副食的加热加工，具有 结构设计紧凑、模块化组合、操作简便、使用可靠、机动灵活并能够满足车辆装备行进 间炊事作业能力的要求等特点，如图3 1 所示。 3 2 实验设计 图3 - 1 一体化炉灶结构图 f i 9 3 - 1s t r u c t u r eo ft h ei n t e g r a t e dc o o k i n gr a n g e 2 l 第三章冷态模化实验 3 2 1 实验装置 本实验选用l z l 型粒子发生器加热7 , - - 醇产生的白色烟雾作为示踪粒子，通过鼓 风机控制入口风速，应用l d v 测试仪对不同截面进行速度分析。实验流程装置图如图 3 2 所示。 图3 - 2 实验装置连接图 f i 9 3 2 s k e t c ho ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s 3 2 2 实验方法及步骤 1 实验模型及操作参数的选择 根据第二章的冷模计算，所取冷态模化试验模型的几何尺寸是实际原型的0 4 倍， 满足几何相似条件；结合实验室鼓风机本身的排气量，选择试验空气入口平均流速为 5 5 m s ，满足处于第二自模化区条件。 2 实验流程 ( 1 ) 搭建冷念实验台； ( 2 ) 设置f i n d 软件参数，调试l d v 测试系统； ( 3 ) 选择示踪粒子、确定粒子温度及流量，调试l z l 型粒子发生器； ( 4 ) 对现有一体化炉灶结构在不同操作参数条件下进行测试。 2 2 中陶石油人学( 华东) 硕t ：学位论义 图3 - 3 一体化炉灶冷态模化实验流程图 f i 9 3 3 s k e t c ho ft h ee x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e 3 3l d v 测试系统设计过程 3 3 1 控制参数设计 为了得到精确的数据和有效的测量结果，必须要在确定实验装置的整体结构参数 后，结合行之有效的仪器操作测控参数2 刀，如频率的波段以及频移、相位差的多少和方 向、带通滤波器的信噪比和截止频率、时间计数器的计时方式、信号分析处理模式( 连 续模式或随机模式，多通道多普勒激光测试系统应选择连续模式测量粒径) 、光电倍增 管( p m t ) 的电压值、置信度选取的合适与否等操控参数。这些参数均可由多通道数字 示波器进行在线监控。 对于一体化炉灶冷态模化实验而言，信噪比是影响测量结果的关键。根据课题组大 量的实验结果显示，可以从示踪粒子选择、激光功率的调节、软件控制参数的设置、镜 头和环境光改变等方面来提高外差信噪比。 由于一体化炉灶具有对称性，为减少实验成本，实验均以炉灶出口中心位置为起始 点，分别沿向和周向对半个灶体进行测量。如图3 4 所示 第三章冷态模化实验 图3 - 4 测试截面不意图 f i 9 3 4 v e r t i c a lv i e wo f t e s t i n gs e c t i o n 3 3 2f i n d 软件参数设计 。 f i n d 软件是可对测量数据进行实时监控和后处理的多普勒测试系统专业软伊2 引， 要保证测量结果精确，必须对该软件的参数进行正确设置，如图3 5 至图3 8 所示。实 验时为保证激光器的正常工作，防止超载，应注意在一体化炉灶开始工作后，再打开 f i n d 软件，开始测量时打开“d a t am o n i t o r 进行数据采集和监控。 ，o - o o o o o o _ _ _ - - _ _ _ _ - _ 一- ，o _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 。一，_ _ - _ - - - - - _ _ _ i ：! 壁鲨兰! 塑! 壁婴ip r , a c 戡t o rc o n h o il 兰! 塑生i 堕i “o 。_ _ - _ - - _ _ - _ - _ _ _ _ - o 一- _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - 1 _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - 一 璺崩n 聊 c h a n n e lo n e c h a r m e lt w oc h a m m lt h r o e ： l is e a r c ha l l 重 3m h z2 0m h z ，i i3 0 0k h z3m h zvmi1m h z1 0m h zv i l u 墨誓笛i i ；五五i i _ l 相兰凹l 皇绷l 一毒= 醴j m i n t h r e d m d m v ) ：即1 日阿= 田和c 曰 龟 一。1 缸t 话憾荔弗z 、。嗨“：? 。矿。缈壤毽够弛j 嚏，- f l ? ? 钴嚣? ? 纠瓤|? ， 图3 - 5处理器控制参数设置 f i 9 3 5 c o n t r o l sp a r a m e t e ro fp r o c e s s o r 2 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 一m o d e ， 疗鞭潲 。“ 厂日e 圈 1 8 抛 图3 - 6 处理器工作参数设置 f i 9 3 - 6w o r k i n gp a r a m e t e r so fp r o c e s s o r 图3 7c o l o r l i n k 通道1 参数设置 f i 9 3 - 7p a r a m e t e r so f c o l o r l i n kc h a n n e l1 第三章冷态模化实验 匝亟五互臣亟五亟硒_ ：，_ _ _ ； o v 掰c 峨翻嗽 m o n i t o r d z ( m s 团囡圈团 【_ ，。 。一 l j ? * 毯? ：t “j 。“? 。? ? ? 札? ，t ，? ：。n 一”。，v 气 一m “一j 一口 图3 - 8c o l o r l i n k 通道2 参数设置 f i 9 3 8 p a r a m e t e r so fc o l o r l i n kc h a n n e l2 = b 1 基t 呻o n 甘吐t 秘i s v 8 f k l ib 竹ts t 墨t l n le 如t l 曲l 置1 “竹黼p 丑抽u 攀 m 叠髓l o c i t y，tl】匝ft i = 苴e s t a k pc 咀1c w 】 c v 2 c w ( 1 j 2一5 5 5 2 1 9 a a 7 1 7 44 9 6 1 8 4 2 90 8 858 0 8 o 0 8 0 2一5 7 0 7 1 98 8 0 5 45 6 9 24 0 5 2 3 7 2 1o o o oo g o 8o i lo o o 2一5 0 0 0 4 98 1 9 24 z z 5 2 ，1o o od 0 8 8 8 0- o o 283 9 9 4 0 51 4 3 2 62 5 2 4 0 6 5 3 j 7 8o i l0 0 0 0 0 80 9 0 士一3 4 5 2 ，5 ：1 2 84 1 3 64 0 6 5 8 1 0 1 8 8 08 0 0o8 0 85 2一4 4 4 8 4 51 0 9 5 6 81 0 7 54 0 6 6 $ ，t 8 1o o o 5 0 8 8 2一4 2 7 7 2 71 5 3 6 01 5 0 54 0 ( ；7 0 5 1 ；60 9 90 0 8o 0 0 8 2一3 ，2 2 11 0 2 4 0 ? 4 49d ； 7 5 3 1 88 0 0 0o9 0 00 0 0 9 0 8 ；三一二 婴：! 曼l ，毒竺婴肇! k o 塑旦墨o 坐三竺氅。毒害。唧毒曼易。唧。一 p u s hn 水m o o 蛐o n t op o 呻c h a r m e e h 溯隋m m 眦j f s , n 2 0 q q o q o r l，：1 3 4 6 1 8 2 5l 7 一 ；7 3 图3 - 9 速度实时测量图 f i 9 3 - 9 r e a l - t i m ec a p t u r e dp i c t u r ew h e nm e a s u r i n gp a r t i c l ev e l o c i t y 3 4 示踪粒子的选择 在本次一体化炉灶冷态模化实验中，测试对象是空气，因此必须选用合适的示踪粒 子，才能对该流场进行的有效测试。用于气体的示踪粒子主要有两种2 9 】：一种是固体示 踪粒子，如炭化硅，空心玻璃球等；另外一种是液体示踪粒子，如有机物液滴，水蒸汽 液滴等。在选择示踪粒子时主要需要考虑两方面因素：一是要选择跟随性好、无污染、 中国石油人学( 华东) 硕 ：学位论文 散射效果好的示踪粒子；二是要保证粒子在测量部位的浓度要得当。 示踪粒子的跟随性主要取决于粒子材料的密度。根据斯托克斯拖拽定律可以推导出 流场中理想持续加速示踪粒子的速度延迟公式，如式3 1 所示。 。：旦型：d口p2(pr-p)u d 。= j l 一= 口 5 u 。 1 8 9( 3 1 ) 有上式可知，当示踪粒子密度与被测流体密度相同或接近时，u 趋近于o 的时间越 短，即示踪粒子获得与流场相当速度的肘间越短，跟随性越好。 另外，选择光散射性好的示踪粒子可以有效的增加数据采集率，一般来说，示踪粒 子直径越大、表面越光滑且接近球形，散射星号越强，文献【3 0 l 证明：“光经过微小粒子 散射的强度是粒子大小、形状、所在位置及粒子折射指数与粒子所在介质( 流场) 折射 指数之比的函数。 根据课题组大量实验表明，仅保证示踪粒子具有较好的跟随性和光散射性，并不能 确保实验数据具有较高的采集率，粒子的浓度也是影响采集率的重要因素。课题组进行 过的瓦斯燃烧器冷态实验结果表明，采用特制的l z l 型粒子发生器，将乙二醇加热蒸 发、冷凝形成雾状颗粒，由风机吸入助燃空气的管道中，具有较高的数据采集率，如表 3 1 所示，因此本实验测试选取乙二醇烟雾作为示踪粒子。 表3 - 1 冷态流场测试粒子效果对比 t a b l e 3 - 1e f f e c to fd i f f e r e n tt r a c e rp a r t i c l e si nt h ec o l df l o w 2 7 绝旧章一体化炉灶内窄气动力场实验分析 第四章一体化炉灶内空气动力场实验分析 冷态实验的目的是研究现有一体化炉灶内的空气动力场特性、断面最大速度分布规 律、回流区特性等。通过对上述内容的研究，分析现有炉灶结构的流场特性及影响炉灶 整体传热性能的关键因素，最后总结现有一体化炉灶内空气动力场特性的数学表达式。 另外，通过现有一体化炉灶冷态实验为数值模拟提供边界条件并验证模拟结果的f 确 性。本实验利用图3 2 所示冷态实验装置进行了一体化炉灶内部的流场测试。 4 1 空气动力场流动特性 炉膛空气动力场的流动特性主要是指炉膛内的烟气流动方向和速度场分布变化规 律。组织结构良好的空气动力场，可以有效的延长烟气在炉膛内的停留时间，提高锅炉 出力及热效率，达到节能与环保的双重目的。通过测试和数据处理，得到一体化炉灶内 部4 个断面沿径向各点的轴向速度分布曲线，如图4 1 所示。 由图可见，对于不同的轴向截面，速度沿径向变化曲线趋势基本一致，即由入口中 心向边壁区域速度呈现明显的先递增后递减双峰结构。在r = 9 0 m m 区域附近，速度有骤 减的现象，说明该区域存在一定的能量交换或能量分配不合理现象。由于受到炉膛空间 的控制，在靠近边壁区域时速度反向，形成凹流区，并存在一个j 下向气流与反向气流能 量交换的区域，在该区域内速度骤减。 另外，对于不同的周向截面，均在r = 7 0 m m 1 l o m m 之间出现速度峰值，说明在该 区域内，气流已经充分混合，紊流强度达到最大，是影响一体化炉灶空气动力场流动特 性的关键区域。因此，优化一体化炉灶内空气动力场结构，提高一体化炉灶的整体传热 性能，应在该区域加设具体的强化传热装置，如加设扰流和旋流元件等。 ；蒿 一翟r a m ) 弋 圆心角伊- - 6 0 0 中国石油人学( 华东) 硕1 j 学位论文 ；一 二， 、 圆心角0 = 9 0 0 0 ? 篷圹一i 印，( ) 0 k 圆心角0 = 1 2 0 0 ；蔷彩一 ，( i m n ) 姚 圆心角8 = - 1 3 5 0 图4 - l 轴向速度沿径向变化曲线图 f i 9 4 1 r e l a t i o n s h i pb e t w e e na x i a lv e l o c i t ya n dr a d i u s 他。瞄眈o；：引舶艄。；!“ 一，ii|v ”。蛇。舭小舶舶。舭州舶 一s，量一 ”。雌眈o m舶舶舶。；! 一s，量 第叫帝一体化炉灶内窄气动力场实验分析 4 2 断面最大速度 对最大速度沿周向分布规律的研究，可以揭示出周向的能量分布情况，为一体化炉 灶的结构改进提供理论依据。 通过统计流场测试结果，可以得到最大速度甜沿周向的分布规律，如图4 2 所示。 实验表明：最大速度值由出口向炉膛内部呈现出明显衰减趋势。这是由于一体化炉灶内 部炉膛较小，而且没有扰流装置，大部分高温烟气直接由出口排出所致。这一实验现象 同时表明，要提高一体化炉灶的能量利用率，应该在炉膛内部加设扰流装置，增加高温 烟气的流动路径及停留时间，进而有效利用高温烟气的余热。 1 3 1 2 一i i 鼍 1 i o - 9 0 8 o 7 5 06 07 08 09 01 0 01 1 01 2 01 3 01 4 0 口( 。) 图4 - 2 最大速度沿周向分布规律 f i 9 4 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m u mv e l o c i t ya n d0 4 3 回流区流动特性 由于受炉膛空间的控制，在炉灶边壁位置出现了一个明显的反向速度区域，即回流 区。但是该回流区由于不是通过人为增加强化传热装置产生的，其对一体化炉灶空气动 力场的影响尚不明确，所以该回流区的流动特性需要进一步的研究。通过统计流场测试 结果，可以得到回流区最大速度“二。沿周向的分布规律，如图4 3 所示。 实验表明：除靠近锅底的z = 1 7 m m 截面外，回流区内速度变化十分平缓，并不存在 强烈的脉动，说明该区域几乎没有强烈的能量交换。这表明该回流区对传热性能的影响 很小，并不能起到延长烟气停留时间，提高传热性能的作用。对于z = 1 7 m m 截面，尽管 最大速度沿周向变化呈现出较大波动，但主要是由于该截面贴近锅底，存在二次流对主 流体的影响，并不是主流烟气的能量交换所致，因此对传热性能的影响也很小，同样没 有起到延长烟气停留时间，提高传热性能的作用。 3 0 中国石油人学( 华东) 硕l 二学位论文 图4 - 3 回流区最大速度沿周向变化规律 f i 9 4 - 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a x i m u mv e l o c i t ya n d0 i nt h er e c i r c u l a t i o nz o n e 4 4 空气动力场流动特性的数学表达 对空气动力场流动特性的研究，最终应把分散的理论分析和试验现象统一起来，通 过计算结果与试验数据的对比，检验和发展理论模型，深化对燃烧过程的认识和预言新 现象的发生：进一步揭示燃烧规律。要实现这一目标，必须寻找对空气动力场的流动特 性统一表达，其中数学表达是最精炼准确的表达方式。 本文根掘实验数据及图4 1 中的数据曲线，应用专业数据处理软件1 s t o p t 对数掘进 行整理分析，得到三维数据拟合曲线，根据该拟合曲线可以得到反映一体化炉灶内空气 动力场结构的速度场表达式。 假设圆心角0 为x ，半径，为y ，速度甜为z ，将实验数据输入到1 s t o p t 软件中，建 立拟合命令。该拟合中的优化算法采用麦夸特法，拟合模式为麦夸特法与通用全局优化 法相结合的模式，具体设置如图4 4 所示，拟合结果如图4 5 所示。 由图4 5 的拟合结果可知，对于不同的轴向截面，速度分布规律基本一致，均为一 单峰抛物面，这说明速度沿轴向基本保持不变。造成这一变化规律的主要原因是炉膛轴 向空间狭小，烟气入口流速较大，气流得不到充分发展所致。 5 1 5 ，5 2 5 3 5 4 5 田l卜2 l 3 l 4 1 11-l - 1 - s ，暑一鼍 第旧章一体化炉灶内空气动力场实验分析 鼍馓法：阳酾飘蕊鬲舔萧面1 f | 蕙：法参数设定f i a t ) 一一一一 固敞省设置 收敛拍i 指标： 量犬迭代数： 砻甯蚋离出摆撇 r 拣睦0 a t ) 带标准仰) + 道用全局饯化法 麓复数： 授恻迭代数： ，收敛辫断迭代数： f 习 图4 - 4 算法设置 f i 9 4 - 4a l g o r i t h ms e t t i n g s 7 07 5 口i e 2 1 1 1 z - - - - 12 m m 皓阳7 5 茑 臣1 口托 船1 盥 z = 1 4 m m 笛7 0 巧* 1 1 2 t 1 1 2 1 地1 盈1 强 z = 1 6 m m z = 1 7 m m 图4 - 5 不同轴向截面速度场分布曲面 f i 9 4 5 d i s t r i b u t i o no fv e l o c i t yi nd i f f e r e n ta x i a ls e c t i o n 3 2 中周石油人学( 华东) 硕i ：学位论文 由于速度场沿轴向变化的影响可以忽略，因此在对一体化炉灶内部空气动力场进行 数学分析时，仅考虑周向变化参数目和径向变化参数，。应用1 s t o p t 软件对速度场进行 数