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旋流强度对生物质燃烧机出口附近颗粒碰撞数的影响
摘 要：为了解决电站锅炉炉膛结渣的问题，研究了对结渣有重要影响的颗粒碰撞数受二次风旋流强度影响的规律。利用相位多谱勒仪fPDA)测量了旋流生物质燃烧机模型出口流场。用以验证同工况下的计算结果，比较结果表明，气流的平均速度在生物质燃烧机出口能很好地符合。在此基础上徵值计算了不同内二次风旋流强度下生物质燃烧机出口的流场，并用随机轨道模型对流场进行后处理，计算颗粒碰撞数。结果表明，颗粒碰撞数占总颗粒数比例很小。颗粒碰撞数与内二次风旋流强度大小成反比旋流强度大时，颗粒碰撞数小。
  近十几年来。结渣数值模拟多应用于直流燃烧器旋流生物质燃烧机中较少应用[1-4]旋流生物质燃烧机二次风的旋流强度对炉内空气动力场特性有重要影响p引。进而影响飞灰颗粒的运动轨迹，导致影响颗粒与水冷壁面的碰撞研究旋流生物质燃烧机二次风的旋流强度变化对颗粒碰撞数的影响。得出使颗粒碰撞数小的旋流强度，对减轻旋流生物质燃烧机出口结渣有重要意义o
  本文研究的生物质燃烧机是一种双调风低N@旋流生物质燃烧机，结构简图如图1所示该生物质燃烧机的一次风和内外二次风都是旋流。一次风的旋转通过蜗壳产生。内外二次风的旋转通过旋转叶片产生生物质燃烧机中心通一股直流的三次风f类似于其他生物质燃烧机中的中心风、
  本文先将实验结果与计算结果进行比较，符合较女子o然后用数值计算方法研究了不同二次风旋流强度下生物质燃烧机出口流场在此基础上，用随机轨道模型计算颗粒运动轨迹，并用UDF程序计算颗粒碰撞数。
1实验测量和数值计算
1.1实验测量
  实验装置如图2所示，包括测量段、供风系统和PDA测量系统，实验段顶部为内径200mm的轴向进气口，通向旋流生物质燃烧机模型喉部出口，模型尺寸是实际生物质燃烧机尺寸的1／8实验段的测量体为总长1.Sm，内径Im的圆筒，沿测量段轴线方向有宽380mm，厚度为20mm的光学玻璃作为光学窗口以便激光束的射入和接收供风系统包括鼓风机，引风机分风箱和连接管道
  用PDA测量了内二次风叶片开口为30%，外二次风叶片开口为30殇的气相流场。实验中使用了焦距为800mm的镜头，易于测得中心处的速度。
  实验中采用烟雾发生器作为示踪粒子发生器。示踪粒子为水、乙二醇和丙二醇的混和油。由烟雾发生器加热至气态后喷入炉膛，PDA测得气态混和油粒径为7．弭m
  为了获得比较明显的流场结构，实验中采用较大的一次风和二次风风速，其中一次风管道速度为30m／s，二次风管道速度为25m居
  实验中在轴向取8个生物质燃烧机出口附近的测量截面(h=40，60，80，120，160，200，240，280mm)，达些测量截面上沿径向分别取20个测点。在二次风出口速度变化大处，测点加密每个测点2min内有效取样为1000个数据
1.2数值计算
  计算域为旋流生物质燃烧机模型附近的水冷壁和炉膛区域根据旋流生物质燃烧机出口附近的流场特性，采用二维轴对称结构模拟该区域为了得到较好的收敛结果，对生物质燃烧机喉部壁面附近、水冷壁附近进行了网格细分。并采用模拟旋流结果最好的RealizableK{模‘81进行计算计算工况与实验工况相同
2结果与讨论
2.1计算结果验证
  图3为气流的平均轴向速度和平均切向速度计算值与实验值的对比图中x表示截面离生物质燃烧机出口的距离，R表示测点与中心线的距离，D表示燃烧器模型喉部直径
  从平均轴向速度比较图中可以看出，在所有截面，速度整体变化趋势计算值和实验值符合的非常好在前3个截面，轴向速度峰值大小和出现位置均相同。在后5个截面，实验值速度峰值稍小于计算值，出现位置比计算值接近中心轴线
  在进行比较的截面，计算值和实验值都表现出相同的流场结构。中心处均有回流区，这是由气流的旋转造成的气流卷1及o外二次风出口轴向速度达到最大值，这是由外二次风的刚性驯起的。外二次风出口沿径向壁面方向，由于气流的强烈旋转引起速度衰减剧烈，速度从最大值迅速降到接近零值
  从平均切向速度比较图中可以看出，在所有截面，速度整体变化趋势计算值和实验值符合的也很好类似平均轴向速度的比较。在前3个截面，切向速度峰值出现位置均相同，峰值大小很接近在后5个截面，实验值速度峰值稍大于计算值在外二次风出口处切向速度达到最大值
  从比较结果可以看出，在前3个截面。不管是气流轴向速度还是切向速度。计算值与实验值符合得很好，这是流场影响颗粒碰撞率的重要区域，接下来的数值计算将重点考察该区域的流场。计算值能提供精确的结果o后5个截面。速度变化趋势定性符合误差来源主要在于PDA对旋流的测量误差和强旋流动的湍流模型选取o尽管如此，数值计算已基本预报出旋流生物质燃烧机出口附近的流场特性，并可以用于工程实际问题的分析。
2.2实际旋流生物质燃烧机出口流场数值模拟
  生物质燃烧机出口流场对颗粒与水冷壁面的碰撞有重要影响计算与实验比较表明。在生物质燃烧机出口区域。计算结果有足够的精确度。因此能用数值计算来预报实际生物质燃烧机出口流场的情况，并研究二次风不同旋流强度对流场的影口向通过计算颗粒碰撞率研究二次风旋流强度对结渣的影响。
2.2.1二次风旋流强度对生物质燃烧机出口流场的影响
  在二次风流量和一次风流量不变的情况下，研究了内二次风旋流强度对生物质燃烧机出口流场的影口恕旋流强度的定义如下[引：
  K=8//rDp．  (1)其中：，是旋转动量矩，』=dq。wRsW缈是气流的体积流量；w是气流切向速度：R。是旋转气流的旋转半径；D是生物质燃烧机喉部直径；p是轴向动量矩，p=
  图5给出了生物质燃烧机出口附近内二次风旋流强度各个工况平均轴向速度和平均切向速度的比较图中x表示截面离生物质燃烧机出口的距离，尺为径向距离，D表示生物质燃烧机喉部直径
  内外二次风和一次风的入口边界轴向速度依据  从图中比较可以看到，内二次风旋流强度大时，电厂现场采集到的数据设定分别为30m／s25m／ 中心回流区尺寸和回流量大。二次凤出口轴向速度s和25.6qm／s。切向速度依据不同的旋流强度K 和切向速度峰值尢并且近壁面的回流区也
 2.2.2颗粒碰撞数计算
  在流场计算的基础上。采用颗粒随机轨道模型进行颗粒轨迹的求解和碰撞统i，+o颗粒轨道模型在二维流场中已经有非常成功的计算效率和结果o统计颗粒碰撞数所需的颗粒轨道数目由以下因素确定¨叫：水冷壁网格数目70。假定必须要有一个颗粒碰到壁面才能进行统计，则最少需要70条颗粒轨道，也即70个颗粒，再假定平均每5个颗粒才会有一个颗粒碰到壁面和需要有10组不同粒径的颗粒。则总共所需的颗粒轨道数为3500，即被统计的颗粒总数为3500个。
  为统计方便，用程序将水冷壁处理成为颗粒一碰到壁面就被吸收的边界条件在后续的研究中，将在颗粒碰撞数的基础上，考虑更多的影响颗粒粘附壁面的因素，如颗粒粘度、入射速度和角度等来改进该程序，用以更精确地计算结渣率
  从图中可以看出，颗粒碰撞数随着内二次风旋流强度的逐渐增大而逐渐减/J、旋流强度为0.5时的颗粒碰撞数是旋流强度为1.7时的4倍o这是因为大的旋流强度产生大的卷吸，颗粒多集中于中心回沆区。整体而言，颗粒碰撞数占总颗粒数的比例很小，最大颗粒碰撞数占总颗粒数的砀。从图5中可以看出，水冷壁面附近气体轴向速度非常小，并且切向速度非常大。这就阻止了颗粒向壁面的运动，这是导致颗粒碰撞数普遍较低的原因。
3结 论

  本文用PDA测量了旋流生物质燃烧机模型出口的流场，验证了同工况下数值计算的流场比较结果表明，在生物质燃烧机出口区域，计算值与实验值符合地较好，能用RealizableK趣湍流模型研究其他工况下同区域内的流场。

生物质气化站，598jx