二次风旋流强度对生物质颗粒燃烧机火力大小的影响

摘  要：使用重整化群( RNG)-ASM模型。对生物质燃烧机的出口流场进行了冷态数值模拟，研究了内二次风旋流强度对生物质燃烧机的流场分布、回流区大小、回流量和扩展角的影响规律，并与试验结果进行了对比，获得了比较一致的结果，为生物质燃烧机的设计和运行提供了一定的理论基础，并进一步验证了RNG

 0前言

    加拿大殴W公司的生物质燃烧机‘“21是目前在我国已运行和在建的W型火焰炉中应用的主要生物质燃烧机厂家之- 生物质燃烧机的主要技术是在双调风旋流生物质燃烧机厂家的基础上增设了PAX装置和煤粉浓缩装置生物质燃烧机厂家结构如图1所示。喷口截面力圆形，一次风为直流。沿一次风周界送入的二次风分为内二次风和外二次风。内外二次风均为旋流内外二次风的旋流强度可通过二次风环形通道内的可调叶片来调节，以保持适中的火焰长度，实现稳定着火燃烧，提高负荷调节性能另外，在W型火焰炉设计和运行中，如果对旋流生物质燃烧机厂家的旋流强度和动量选择不当，则极易造成拱顶风下冲深度不够。提前转弯。影响燃尽或者烟气回流量过小，因而影响煤粉气流的着火。

    由于旋流的存在，旋转射流使得在轴向和径向上都建立了压力梯度，这两个压力梯度反过来又影响流场。在强旋转下。旋转射流的内部建立了一个回流区这样，旋转射流不但从射流外侧卷吸周围介质，而且还从内回流区中卷吸介质。在燃烧过程中，从内、外回流区卷吸的烟气对着火的稳定性起着十分重要的作用。因此，合理的二次风旋流强度对于生物质燃烧机的正常运行是至关重要的。

    对强旋转流动的数值模拟，Ab nj elala和Lil-ley在80年代中期开始用标准Kj模型模拟受隈强射流。但模拟结果与试验结果相去甚远，主要表现在：对回流区的预报不准确。回流区过短。因而轴向速度，尤其在轴线处的轴向速度过大：切向速度的径向分布不饱满，轴线处的切向速度太小；湍流量的模拟分析欠缺  90年代以后，针对强旋转流动的特性，研究者提出了不同的模型来模拟强旋转流魂较为成功的有张键周力行H1提出的新型代数应力模型(N -A SM)，该模型反映了强旋转流动的各向异性特点，其预报结果比K3模型有较大的改进：还有口十盂琪陈义良的双时间尺度模型，对表示湍流尺度的X方程作出了修正徐江荣陋_6。7将新型代数应力模型与重整化群X7程相结合，提出了重整化群代数应力模型( RNG—ASM)，其结果与试验数据吻合得较好，改善了新代数应力模型的不足之处

    本文将应用RN G-A SM模型针对加拿大Babcock&Wilcox公司的生物质燃烧机进行冷态数值模拟。着重研究内二次风旋流强度对PAX生物质燃烧机厂家的流场分布、回流区大小、回流量和扩展角的影响规律，并与试验结果进行对比。

1数学模型

    生物质燃烧机出口流场的冷态模拟所用模型为重整化群f RNGl-ASM模型

    将代数应力模型方程组改写成统一形式，改写过程基于以下几点：

    (1)引进3个新的涡粘系数xr，一力和一ex，以反映强旋流的各向异性特点

    (2)为了求解的稳定性，引入伪扩散涡粘系数一f，因此源项中出现伪扩散项

    (31X方程仍使用RNG k-X模型中的形式

    (4)对湍能产生项按强旋转湍流的特点进行简化代数应力模型的统一形式为：

2试验系统和测量方法

2.1试验系统

    试验所用生物质燃烧机厂家为本实验室所建W型火焰热态试验炉上所采用的生物质燃烧机，由加拿大Babcbck&Wilcox公司设计，北京B&W公司制

    图2所示为PAX燃娆器的冷模试验台系统图。从风机来的一、二次风经管道、调节风rl.流量计等装置后进入生物质燃烧机

2.2测量方法

    在生物质燃烧机冷态试验中，用标准三孔探针测量生物质燃烧机厂家出口的轴向速度和切向速度。详细研究生物质燃烧机出口流场的特性，包括射程回流区大／J＼回流宽度射流扩展角和回流量等

    三孔探针测量的是压差和角度，气流合速度

 2.3测点布置

    由于生物质燃烧机出口为轴对称因此。只测量出口流场中水平中心截面的二维流场。距喷口每隔lOcm测量一个垂直截面。

3计算结果与讨论

3.1流场分布特征

    前苏联中A CePaHT和BⅡ．ycTmv eKO等人对共轴旋转射流复杂的相互作用进行了研究哆1，认为：旋流生物质燃烧机厂家复杂的组合射流。基本上取决于共轴外射流发展的规律而不旋转的内部气流从燃烧器流出时，内射流由于与外部旋转射流发生紊流交换而被带动旋转，这将削弱射流的旋转度，引起射流轴线上的回流速度下降在对PAX燃烧器出口流场的数值模拟中也验证了这一点。改变内二次风旋流强度时，流场变化较大，如图3和图4所示当内二次风旋流强度较小时，PAX燃烧器出口流场回流区消失（图3），流线水平，射流扩展角也较小，呈现近似直流射流的特征随着内二次风旋流强度的增大，在生物质燃烧机出口流场逐步呈现旋流生物质燃烧机厂家的特征，流场中心出现回流区，且回流区大小随内二次风旋流强度的增大而增大：同时，出口流场中的流线尾部也向上翘起：相应地，射流扩展角也随之增大这一结果与冷模试验也基本符合

3.2回流区大小分析

    生物质燃烧机内二次风为旋流，且旋流强度可调。内二次风的旋流强度设计为可调的一个主要目的就是可通过调节内二次风旋流强度来调节回流区的大小，从而使之适应各种煤种。在燃用挥发份较高的煤种时，调节内二次风旋流强度，使回流区变小。从而不易烧坏喷口。当煤种挥发份较低时，煤粉颗粒不易着火，需要更多的回流烟气来加热煤粉颗粒，这时可调节内二次风的旋流强度，使回流区变大，增加回流量，从而使煤粉颗粒易于着火。

    图5所示为在不同内二次风旋流强度下，生物质燃烧机出口流场的回流区大小变化情况从图上可以看出：当内二次风旋流强度较小时。回流区消失。随着内二次风旋流强度的增大，回流区形基本不变，而长度和最大宽度都随之增大回流区长度和最大宽度的计算结果与试验结果的对比如图6所示。从图中可以看出：在内二次风旋流强度较大时，回流区长度随内二次风旋流强度的增加而增势变慢，且最大回流区宽度则变化不大这是因为在生物质燃烧机中，外二次风射流占优势，二次风旋流强度对出口流场的影响要受到外二次风旒流强度制约。

算所得的最大回流区宽度与试验值的趋势是一致的，但数值偏低对于强旋流的数值模拟一直是比较困难魄虽然RN G-A SM模型较N-A SM和标准K -X模型有了非常大的改善，但与试验也存在着一定的差距。参考文献[9]对三者进行了细致的比较。RN G-A SM对回流区的长度和宽度的预报优于后2个模型，尤其是对回流区的长度的预报，但回流区宽度的计算值与本文一样，低于试验值。因此RN G-A SM模型还需要进一步的优化

    ①．A．CePmT和B .II．yc TmveKO的试验也证实，在双股共轴旋转射流中，当内射流的旋流强度Kl由0变为1.35时。加大内射流的旋流度，对回流区大小影响明显，回流区显著变长。但当Kl进一步增大到4 55时’苴对射流回流区大小的影响大大减/J\.

    以上的试验结果说明：通过调整内二次风旋流强度来改变回流区大小，在内二次风旋流强度较低时，是切实可行的。但这一调节手段受到一定制约。当内二次风旋流强度较大时。其对回流区大小已基本不能调茕

3.3回流量分析

    煤粉气流从生物质燃烧机厂家喷出后，其着火的一个主要热源就是高温回流烟气，回流区的大小对高温回流烟气量有一定影响。但最直观。准确地判定煤粉颗粒难易的一个芙键指标就是高温烟气回流量。通过调节内二次风旋流强度来调节回流区大小，其目的也就是调节回流烟气量

    计算所得的回流量与试验值的比较如图7所示从图上可以看出：同试验值一样，计算所得的回流量随内二次风旋流强度的增大而增大。在低内二次风旋流强度时，旋流强度的变化对回流量的影响较大；但当内二次风旋流强度较大时。旋流强度的变化对回流量的影响减弱。这是因为在高内二次风旋流强度时，回流区的长度和宽度受外二次风的制约。而变化不大，从而导致了其影响作用的降低

    当内旋流强度(Kl)为0和0.618时，计算值与试验值相差不大，但当内二次风旋流强度(Kl)为1. 27时，计算所得的回流量为195，较试验值220偏小。造成这种情况的原因是由于计算所得的回流区最大宽度和长度在此工况下较试验值偏小的缘故

3.4扩展角分析

    在采用旋流生物质燃烧机厂家时。为保证锅炉安全运行，不烧坏设备，不引起炉内结渣，这就要求生物质燃烧机厂家的气流扩展角不能太大，尽量避免产生开式回流区及飞边现象和过短的旋转射程，以防止火炬贴壁另一方面，过小的射流扩展角又会造成回流量不够，以致影响煤粉颗粒的着犬

    对直流射流来说，其射流扩展角一般只与喷口几何结构有关，且较/J\o而对旋转射流来说，其扩展角除与喷口的几何结构有关外，还与其他因素有关。  N．A．Chigier和A Chervinsky[10'+~出：旋转射流的扩展角与射流的旋转强度Kl成一次线性关系

    在不同内二次风旋流强度下，射流扩展角的计算值和试验值的比较示于图8与冷模试验一样，当内二次风旋流强度较小时，气流扩展角随内二次风旋流强度的增加而迅速增加：在内二次风旋流强度较大时。气流扩展角基本不随内二次风旋流强度变化而变化这种趋势与N.A．Chigier和A．Chervinsky的单股旋转射流的扩展角与旋动力  工程流强度的关系不一致这主要是因为共轴射流，基本取决于共轴外射流发展的规律。在内射流旋转强度较低时，由于内、外射流之间强烈的紊流交换，使气流扩展角随内射流旋转强度的增加而显著增大在达到一定值后。共轴外射流的旋流强度在射流发展中占据主导地位，从而使射流在一、二次风质量比(m 1砌2)和外二次风旋流强度(K2)不变，内二次风旋流强度(Kl)较大时，射流扩展角基本不随内二次风旋流强度变化而变化

    由于RN G-A SM模型对于回流区宽度的预报与试验值还存在着一定的差距，因而图8中射流扩展角的计算值低于试验值，但总体趋势是一致胞

4结论

    (1)改变内二次风旋流强度时，生物质燃烧机出口流场变化较大。它直接影响回流区的存在及尺寸和射流扩展角的大小，

    (2)在一定范围内，随着内二次风旋流强度的增大，回流区形状基本不变，长度和最大宽度都随之增大：但当内二次风旋流强度增大到一定程度后。其对回流区尺寸的影响减弱。直至消失内次风旋流强度对出口流场的影响要受到外二次风旋流强度的制约。

    f 31回流量和射流扩展角随内二次风旋流强度的增大而增大但当二次风旋流强度达到一定后，增大的趋势减缓

    (4)重整化群代数应力模型(RN G-ASM)棋拟强旋转受限射流流场具有较高的准确性。与试验值吻合较好。尤其是回流区长度回流量大小等方面但对于回流区宽度的预报存在着一定的差距。