| 鍋爐生物質(zhì)燃燒機(jī)的數(shù)值計(jì)算 |
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鍋爐生物質(zhì)燃燒機(jī)的數(shù)值計(jì)算 本文給出鍋爐生物質(zhì)燃燒機(jī)中回流流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。為了簡(jiǎn)化，把直流式生物質(zhì)燃燒機(jī)中一次風(fēng)看作二元紊流自由射流。在研究楔形物體后回流流動(dòng)中，本文還提出一種處理楔形物體斜壁面的方法。在本計(jì)算中采用控制容積法離散二元橢圓型微分方程，紊流動(dòng)能K和紊流動(dòng)能消耗8的紊流模型。為了驗(yàn)證計(jì)算方法合理性，本文還用熱線風(fēng)速儀和熒光絲法測(cè)定回流區(qū)長(zhǎng)度，把所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算值加以此較，結(jié)果是滿意的。 ～、前 言 我國(guó)設(shè)計(jì)制造的鍋爐大多數(shù)采用四角布置的直流式燃燒器。燃燒器一般放在爐膛四角上，在爐膛中心形成一個(gè)假想的切圓，促使一、二次風(fēng)混合和擾動(dòng)，使氣粉混合物提前著火和燃燒穩(wěn)定。在這種燃燒器中著火熱源主要來(lái)自一、二次風(fēng)射流所引起熱煙氣的外回流和爐膛內(nèi)輻射熱。由于外回流著火熱源不足，在 燃燒劣質(zhì)煤時(shí)，往往存在著火困難，燃燒不穩(wěn) 定和燃燒效率偏低等現(xiàn)象。 為了充分利用煤炭資源，加強(qiáng)著火熱源，使劣質(zhì)煤在直流式燃燒器上獲得穩(wěn)定燃燒，可在燃燒器的一次風(fēng)出口處加裝鈍體火焰穩(wěn)定器。氣流繞過(guò)穩(wěn)定器時(shí)，在其背后形成回流區(qū)，稱(chēng)為內(nèi)回流。內(nèi)回流的氣體來(lái)自爐膛中心高溫?zé)煔，它可提供部分熱源?lái)點(diǎn)燃?xì)夥刍旌衔锸箽夥鄯(wěn)定燃燒。 關(guān)于直流式燃燒器加裝鈍體的試驗(yàn)研究，已作過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)cIJ，并且在煤粉爐上加以使用c2J，使用情況良好，提高鍋爐效率約2～4%，經(jīng)濟(jì)效益較大。為了能進(jìn)一步推廣此技術(shù)，有必要繼續(xù)進(jìn)行深入研究。但由于爐膛尺寸較大，許多試駐受到條件和設(shè)備的限制無(wú)法進(jìn)行。本文采用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)研究此課題，計(jì)算范圍不受試驗(yàn)條件限制，按本方法可算出氣流參數(shù)、穩(wěn)定器形狀和尺寸對(duì)回流區(qū)特性的影響，為今后設(shè)計(jì)煤粉爐生物質(zhì)燃燒機(jī)提供一些參考數(shù)據(jù)． 一、基本方程 由于爐膛尺寸很大，作為階段的初步計(jì)算，可以把直流式燃燒器中加裝鈍體穩(wěn)定器后氣流近似看作為帶鈍體的紊流平面自由射流，如圖1所示，將一股流速勻布的射流噴入靜止大氣中，在噴口附近放一個(gè)楔形穩(wěn)定器，對(duì)穩(wěn)定器后回流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析。當(dāng)穩(wěn)定器尺寸較大時(shí)，計(jì)算區(qū)域取在射流外邊界之外，即取在離噴口較遠(yuǎn)的靜止大氣中，當(dāng)穩(wěn)定器尺寸較小時(shí)，計(jì)算區(qū)域可取在射流核心區(qū)域之內(nèi) 本文采用正交直角座標(biāo)系和K-8雙方程紊流模型，應(yīng)用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、紊亂動(dòng)能K和紊流動(dòng)能消耗率8等作為控制的物理方程，這些方程可用以下形式來(lái)表示。 四、邊界條件 為了便于計(jì)算，將噴口出口截面作為進(jìn)口邊界（見(jiàn)圖1）。計(jì)算出口邊界取在穩(wěn)定器回流區(qū)后的某一截面，內(nèi)邊界取在射流中心線上。以上各邊界的邊界條件可參考文獻(xiàn)E3J給定，這里不再重復(fù)。根據(jù)本文計(jì)算流場(chǎng)的特點(diǎn)，對(duì)計(jì)算區(qū)域外邊界和穩(wěn)定器的斜壁面作如下說(shuō)明： 1．外邊界 計(jì)算表明，如果鈍體穩(wěn)定器尺寸較大時(shí)（如b／B約為0.55），外邊界必須取在遠(yuǎn)離射流外邊界的大氣中（如圖1），此時(shí)可認(rèn)為在外邊界上各氣流參數(shù)與大氣的氣流參數(shù)相同，取軸向速度u為零。 如果鈍體穩(wěn)定器尺寸較小時(shí)（如b／B約為0.2左右）穩(wěn)定器放入，對(duì)紊流自由射流擾動(dòng)較小，計(jì)算外邊界還可取在自由射流核心區(qū)之內(nèi)（如圖2），因此外邊界的邊界條件可認(rèn)為所有參數(shù)的垂直通量等于零，此時(shí)，計(jì)算范圍較小，網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)可減少，從而芾省計(jì)算時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)性。 2．穩(wěn)定器的斜壁面 穩(wěn)定器的斜壁面是一固壁，固壁速等于零。緊靠壁面的區(qū)域中流體性質(zhì)有一個(gè)陡峭的變化，為了能用較少的計(jì)算結(jié)點(diǎn)，而得到滿意的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于固壁的影響，通常都可按Couette流理論推導(dǎo)出的壁面函數(shù)的特殊關(guān)系 式¨1，算出紊流剪切應(yīng)力項(xiàng)F。加到離散方程的源項(xiàng)中去。 由于計(jì)算采用正交矩形網(wǎng)格，斜壁與網(wǎng)絡(luò)線相交曰角，使用壁面函數(shù)時(shí)，必須對(duì)斜壁進(jìn)行適當(dāng)處理，一般現(xiàn)有資料所介紹的斜壁處理方法是采用許多小臺(tái)階壁面近似代替斜壁4]，在每一小臺(tái)階壁面附近再采用壁面函數(shù)，當(dāng)小臺(tái)階數(shù)取得相當(dāng)多時(shí)，也就是在網(wǎng)格較密情況下。此種方法能達(dá)到工程要求。 本文用另一種方法來(lái)考慮斜壁影響，認(rèn)為氣流流經(jīng)斜壁時(shí)，在斜壁面上速度等于零，在鄰近斜壁附近區(qū)域，變量沿著斜壁方向變化可忽略不計(jì)，主要考慮垂直于斜壁的擴(kuò)散影響。因此，對(duì)斜壁面采用壁面函數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)于斜壁的剪切應(yīng)力是由平行于斜壁的氣流速度產(chǎn)生的。該速度可利用參數(shù)投影的方法，求出速度"和V沿斜壁方向分量而獲得。由該分量計(jì)算出平行于斜壁的剪切應(yīng)力系數(shù)f，和剪切應(yīng)力F8，在計(jì)算速度銘方程中剪切應(yīng)力系數(shù)Tprj.可由以下式子確定： 斜壁上網(wǎng)格面積s可采用參數(shù)投影方法，求出控制容積沿斜壁方向的面積，最后把剪切應(yīng)力分量F，cos0加到銘方程源項(xiàng)中去。 解離散方程時(shí)，把剪切應(yīng)力考慮到源項(xiàng)中去，由于上述方法是利用參數(shù)投影，求出平行于斜壁的氣流速度、結(jié)點(diǎn)離斜壁的距離和網(wǎng)格面積，算出剪切應(yīng)力來(lái)后，直接對(duì)斜壁考慮壁面函數(shù)，所以在網(wǎng)格不太密情況下，計(jì)算精度同樣能達(dá)到工程要求。當(dāng)然這種投影法對(duì)實(shí)際流動(dòng)是近似的。 五、計(jì)算步驟 使用SIMPLE算法來(lái)解非線性方程組時(shí)，需要多次迭代才能收斂，因此提高收斂速度，減少迭代次數(shù)，有助于降低計(jì)算費(fèi)用，改善經(jīng)濟(jì)性。加快收斂速度從下列幾方面進(jìn)行。 1．給出合理的計(jì)算區(qū)域 由于本文計(jì)算自由射流，因此外邊界如取在遠(yuǎn)離射流的靜止大氣中，計(jì)算區(qū)域必須取得足夠大，否則會(huì)影響收斂速度。如果外邊界取在射流核心區(qū)域，則計(jì)算區(qū)域必須小于射流核心區(qū)域，否則會(huì)出現(xiàn)誤差。 2．給出一個(gè)較合理的初場(chǎng) 雖然穩(wěn)定器后回流區(qū)流場(chǎng)較復(fù)雜，初場(chǎng)不太好給，但盡可能對(duì)穩(wěn)定器上游給出較合理流場(chǎng)能減少迭代次數(shù)。 3．變低松馳因子 松馳因子對(duì)收斂速度影響很大，計(jì)算表明松馳因子太小，收斂太慢，松馳因子太大，會(huì)引起發(fā)散，因此為了加快收斂速度，對(duì)不同變量采用不同松馳因子。K、8等變量不易發(fā)射，松馳因子可取大些，如在0.5～0.8范圍內(nèi)選擇。釓、y、p變量松馳因子可取小些，一般不超過(guò)0.5。在開(kāi)始迭代時(shí)，為了防止發(fā)散、松馳因子可取小些，經(jīng)過(guò)一定迭代次數(shù)后松馳因子可取大些。 七、試 驗(yàn) 為了驗(yàn)證計(jì)算方法正確性，本文還測(cè)定回流區(qū)長(zhǎng)度。試驗(yàn)是在常壓燃燒試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行。模型試驗(yàn)段為矩形，尺寸為150×ioomm,鈍體穩(wěn)定器安裝在離試驗(yàn)段出口20mm處，我們分別用x型熱線探針鈍體穩(wěn)定器后回流區(qū)長(zhǎng)度，用熒光絲法測(cè)定回流區(qū)形狀。試驗(yàn)中所用鈍體錐角為600,相對(duì)寬度b/B為0.2和0.55。 八、計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較 1．回流區(qū)邊界和長(zhǎng)度 按照計(jì)算結(jié)果我們?cè)趫D5和圖6上畫(huà)出流函數(shù)線（啦／咖。）的分布，回流區(qū)邊界可由零流數(shù)線（咖／咖。=O）來(lái)確定，零流函數(shù)線和零速度線( u-o)在z軸線上相重合點(diǎn)為回流區(qū)的后駐點(diǎn)，該點(diǎn)到穩(wěn)定器尾緣的軸向距離為回流區(qū)長(zhǎng)度L。 由圖5可知，當(dāng)b/B= 0.55時(shí)，則L/2b=-2.13，r／b =1.17．由于射流噴入空間，卷吸周?chē)鷼怏w，從而擴(kuò)大射流寬度。 由圖6可知，當(dāng)b/B= 0.2時(shí)，則L/2b=2.21} r／b=1,08,可見(jiàn)blB值對(duì)回流區(qū)尺寸影響不大，這一點(diǎn)也可從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到證實(shí)。 為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，我們用z型二維熱線探針測(cè)定回流區(qū)長(zhǎng)度。通過(guò)比較，實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值基本一致（見(jiàn)附表）。此外，我們還用熒光絲測(cè)定回流區(qū)形狀。由圖7可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相近，我們認(rèn)為計(jì)算方法基本合理。 2．回流比 由圖8可知，當(dāng)bl B= 0.2時(shí)，回流比的計(jì)算值為0.048,而實(shí)驗(yàn)值為0.06。當(dāng)b/B- 0.55時(shí)，回流比的計(jì)算值為0.092,而實(shí)驗(yàn)值為0.11。可見(jiàn)，用熱線測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果略微大些。 3．軸向速度和靜壓分布 圖9和10分別為計(jì)算所得的穩(wěn)定器后軸向速度分布值和靜壓系數(shù)Cp的分布值。 由圖10可知，在回流區(qū)內(nèi)軸線上軸向速度為負(fù)值，回流區(qū)后駐點(diǎn)速度為零，回流區(qū)外軸向速度為正值。 九、結(jié)束語(yǔ) 1．本文用橢圓型方程分析自由射流中放置鈍體穩(wěn)定器二元素流流動(dòng)情況，并對(duì)此進(jìn)行理論計(jì)算。由于計(jì)算范圍不受試驗(yàn)條件限制，可把計(jì)算結(jié)果部分代替因鍋爐尺寸大而無(wú)法進(jìn)行從而減少試驗(yàn)費(fèi)用，加快把鈍體穩(wěn)定器推廣應(yīng)用到鍋爐上去，這對(duì)節(jié)約能源、合理地使用燃料資源是有現(xiàn)實(shí)意義的。 2．本計(jì)算方法可以作為初始階段應(yīng)用于鍋爐生物質(zhì)燃燒機(jī)研究。本計(jì)算假設(shè)煤粉粒很小，忽略煤粉對(duì)氣流速度的影響。至于考慮煤粉粒的兩相流和整個(gè)燃燒器的計(jì)算，可以作為下一步工作，但目前關(guān)于鈍體穩(wěn)定器尺寸對(duì)回流區(qū)內(nèi)氣流參數(shù)影響的計(jì)算結(jié)果，可為鍋爐鈍體燃燒器初步設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。 3．由于鈍體穩(wěn)定器后回流區(qū)流場(chǎng)復(fù)雜，紊流度又較高，使用熱線風(fēng)速儀和熒光絲測(cè)定回流區(qū)是有一定的測(cè)量誤差，估計(jì)±2%左右。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖强己擞?jì)算結(jié)果，令人滿意的是計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本相符。
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