旋流穩(wěn)焰生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流擴(kuò)散火焰的數(shù)值模擬

時(shí)間：2019-11-07作者：鄭州達(dá)冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司瀏覽：7

旋流穩(wěn)焰生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流擴(kuò)散火焰的數(shù)值模擬
    摘要：為研究生物質(zhì)燃燒機(jī)的火焰特性，采用k-e湍流模型、三氣體擴(kuò)散燃燒模型及綜合輻射模型對(duì)旋流穩(wěn)焰瓦斯燃燒器湍流擴(kuò)散火焰進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，在旋流作用下，在火盆及其**附近區(qū)域內(nèi)形成了中心回流區(qū)，使燃?xì)馀c助燃空氣在此處發(fā)生劇烈摻混而被點(diǎn)燃，這有利于火焰穩(wěn)定。在火焰**仍存在一個(gè)高溫尾流區(qū)，在選用和設(shè)計(jì)燃燒器時(shí)應(yīng)充分考慮這一現(xiàn)象。燃?xì)鈬娍字睆綄?duì)火焰長(zhǎng)度的影響非常顯著，噴頭**部氣孔位置和火盆錐口角對(duì)火焰長(zhǎng)度影響較小。隨著空氣過(guò)剩系數(shù)和燃?xì)庵锌諝夂康脑黾樱鹧骈L(zhǎng)度明顯減小。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮燃燒器結(jié)構(gòu)和操作條件的影響，以提高加熱爐的效率和安全性。
引  言
    生物質(zhì)燃燒機(jī)火焰特性對(duì)加熱爐的熱效率和安全性有很大影響，為了使加熱爐安全高效運(yùn)行，必須針對(duì)加熱爐的型式和結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)選擇和設(shè)計(jì)燃燒器。以往燃燒器的設(shè)計(jì)和改進(jìn)主要依靠試驗(yàn)，工作量大，所需經(jīng)費(fèi)多。筆者通過(guò)對(duì)加熱爐生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流擴(kuò)散火焰的數(shù)值模擬，研究燃燒器的火焰特性，并探討一些結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響，從而減少實(shí)驗(yàn)工作的盲目性和工作量，并為新型燃燒器的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。
1計(jì)算條件
    計(jì)算用生物質(zhì)燃燒機(jī)是一種實(shí)驗(yàn)用重整加熱爐燃燒器，其結(jié)構(gòu)如圖1，2所示。圖中，a為火盆錐口半角，(。)；口為**部氣孔位置角，(。)；di為**部氣孔直徑，mm。
    計(jì)算中的燃?xì)鉃榈湫痛呋咚?，入口溫度?00 K，壓力為0.4 MPa（表壓），流量為25 kg/h,平均相對(duì)分子質(zhì)量為29. 21，理論空氣量為13. 1817m 3/m3燃?xì)猓?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。助燃風(fēng)為空氣，入口溫度為300 K，壓力為50 Pa（表壓），過(guò)?？諝庀禂?shù)為1. 25?；灸Ｐ偷膰婎^**部氣孔直徑di為1.5 mm,底部氣孔直徑為1 mm.**部氣孔位置角l3為300,a為21。，火焰面處昀混合分?jǐn)?shù)fs．i。h[9為0.0711，助燃風(fēng)旋流數(shù)為1. 06。
2模型選擇和邊界條件處理
    工業(yè)裝置中所涉及的燃燒過(guò)程均為湍流燃燒過(guò)程，因此，本次計(jì)算中流動(dòng)模型采用k-e湍流模型，燃燒模型采用三氣體擴(kuò)散燃燒模型，火焰內(nèi)部傳熱旋流穩(wěn)焰生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流擴(kuò)散火焰的數(shù)值模擬    用綜合輻射模型進(jìn)行考慮‘2。3]。
    計(jì)算中假設(shè)燃燒器是在無(wú)限大空間中燃燒，選擇包括噴嘴在內(nèi)的一個(gè)圓柱形區(qū)域?yàn)橛?jì)算區(qū)，其中噴嘴的燃?xì)馊肟诤椭伎諝馊肟谔帪槿肟谶吔?；距火盆出口一定距離處為出口邊界；計(jì)算區(qū)域的固壁邊界用壁面函數(shù)來(lái)處理；燃燒射流的周邊為自由邊界，并考慮軸對(duì)稱(chēng)邊界條件和周向的循環(huán)邊界條。
3  數(shù)值模擬結(jié)果分析
3.1  額定工況下的模擬結(jié)果
    計(jì)算得到設(shè)計(jì)工況下的湍流擴(kuò)散火焰特性如圖3～5所示。圖中皆為半軸剖面分布。圖3 (a)所示為燃?xì)饣旌戏謹(jǐn)?shù)等值線，燃料與空氣處于化學(xué)當(dāng)量比處的混合分?jǐn)?shù)等值線代表火焰面[1]。圖3(b)為火焰及其附近區(qū)域的溫度等值線。圖4為噴頭附近區(qū)域的軸向速度等值線?？拷S線的0速度等值線即為中心回流區(qū)的邊界。圖5為速度矢量分布在z叫面上的投影，圖中矢量比例如參考矢量所示。
    從圖3中可以看出，此時(shí)的火焰長(zhǎng)度約為2.4m,火焰面**一定區(qū)域內(nèi)，溫度為700～1100 K。這表明火焰*仍有一商溫區(qū)域存在。根據(jù)爐膛尺寸進(jìn)行燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮該高溫區(qū)，以便充分利用燃燒熱量，并有效地防止發(fā)生爐管燒穿現(xiàn)象。從圖4可以看出，噴嘴**有一個(gè)負(fù)速度區(qū)域，即為中心回流區(qū)，該回流區(qū)對(duì)火焰的穩(wěn)定有十分重要的作用。從圖5可見(jiàn)，燃?xì)庖暂^大速度從噴孔中噴出，隨著射流的發(fā)展，速度逐漸減小，半徑方向上較大速度偏離軸線，這與噴嘴的多孔結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外，在燃燒器的火盆及其**一定區(qū)域內(nèi)，湍流強(qiáng)度較大，速度大小、方向發(fā)生急劇變化，表明該區(qū)域燃?xì)馀c助燃空氣發(fā)生激烈混合，并進(jìn)行著火和燃燒；在射流的邊緣，速度的大小和方向改變，造成射流邊界的回流和卷吸。
3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算
    僅考慮噴頭和火盆的幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，參數(shù)名稱(chēng)和水平情況如表1所示。計(jì)算結(jié)果及方差分析分別如表2，3所示。
    由F檢驗(yàn)可知，di對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響非常顯著，口和a對(duì)其影響木顯著。為使?fàn)t子縱向溫度分布均勻，要適當(dāng)增加火焰長(zhǎng)度，d．取*三水平較好。f3和a雖不顯著，但從使火焰長(zhǎng)度增加的角度來(lái)看，
3.3操作條件對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響
3.3.1空氣過(guò)剩系數(shù)對(duì)火焰長(zhǎng)度的影響
    改變空氣過(guò)剩系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖可見(jiàn)，空氣過(guò)剩系數(shù)增加，火焰長(zhǎng)度顯著減小。這主要是因?yàn)?，助燃空氣量增加，環(huán)形空間中空氣速度增加，繞流噴頭后，形成較強(qiáng)烈的旋渦，使空氣與燃?xì)獾幕旌纤俣却蟠笤黾樱瑥亩^易達(dá)到良好燃燒所需的化學(xué)當(dāng)量比。
3. 3.2空氣含量與火焰長(zhǎng)度的關(guān)系
    燃?xì)庵锌諝夂糠謩e取為13.3%，41. 43%，56.47%，68.62%，計(jì)算得到火焰長(zhǎng)度與空氣含量的關(guān)系如圖7所示。從圖中可以看出，火焰長(zhǎng)度隨燃?xì)庵锌諝夂康脑黾佣鴾p小。這主要是由于燃?xì)庵锌諝夂吭黾?，使燃?xì)饩哂胁糠诸A(yù)混特性，燃燒時(shí)需要的外部空氣量降低，燃?xì)夂涂諝饽茌^快混合到相應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比，燃燒速度加快，火焰長(zhǎng)度相應(yīng)縮短。
4結(jié)論
    (1)由于旋流作用，在火盆及其**附近區(qū)域內(nèi)存在中心回流區(qū)，在此處燃?xì)馀c助燃空氣發(fā)生激烈混合并點(diǎn)燃，表明肋燃空氣旋流進(jìn)入有助于火焰的穩(wěn)定。
    (2)在火焰**仍存在高溫尾流區(qū)，在燃燒器的選用和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮這一現(xiàn)象。
    (3)噴孔直徑對(duì)火焰長(zhǎng)度有顯著影響，這可以作為控制生物質(zhì)燃燒機(jī)火焰長(zhǎng)度的基本因素。
    (4)隨著空氣過(guò)剩系數(shù)、燃?xì)庵锌諝夂康脑黾?，生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流擴(kuò)散火焰的長(zhǎng)度減小。


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  旋流穩(wěn)焰生物質(zhì)燃燒機(jī)湍流擴(kuò)散火焰的數(shù)值模擬 摘要：為研究生物質(zhì)燃燒機(jī)的火焰特性，采用k-e湍流模型、三氣體擴(kuò)散燃燒模型及綜合輻射模型對(duì)旋流穩(wěn)焰瓦斯燃燒器湍流擴(kuò)散火焰進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明，在旋流作用下，在火盆及其**附近區(qū)域內(nèi)形成了中心回流區(qū)，使燃?xì)馀c助燃空氣在此處發(fā)生劇烈摻混而被點(diǎn)燃，這有利于火焰穩(wěn)定。在火焰**仍存在一個(gè)高溫尾流區(qū)，在選用和設(shè)計(jì)燃燒器時(shí)應(yīng)充分考慮這一現(xiàn)象。燃?xì)鈬娍字睆綄?duì)火