锅炉生物质燃烧机的数值计算

锅炉生物质燃烧机的数值计算
    本文给出锅炉生物质燃烧机中回流流动的数值计算结果。为了简化，把直流式生物质燃烧机中一次风看作二元紊流自由射流。在研究楔形物体后回流流动中，本文还提出一种处理楔形物体斜壁面的方法。在本计算中采用控制容积法离散二元椭圆型微分方程，紊流动能K和紊流动能消耗8的紊流模型。为了验证计算方法合理性，本文还用热线风速仪和荧光丝法测定回流区长度，把所得的实验数据与计算值加以此较，结果是满意的。
    ～、前  言
    我国设计制造的锅炉大多数采用四角布置的直流式燃烧器。燃烧器一般放在炉膛四角上，在炉膛中心形成一个假想的切圆，促使一、二次风混合和扰动，使气粉混合物提前着火和燃烧稳定。在这种燃烧器中着火热源主要来自一、二次风射流所引起热烟气的外回流和炉膛内辐射热。由于外回流着火热源不足，在
燃烧劣质煤时，往往存在着火困难，燃烧不稳
定和燃烧效率偏低等现象。
    为了充分利用煤炭资源，加强着火热源，使劣质煤在直流式燃烧器上获得稳定燃烧，可在燃烧器的一次风出口处加装钝体火焰稳定器。气流绕过稳定器时，在其背后形成回流区，称为内回流。内回流的气体来自炉膛中心高温烟气，它可提供部分热源来点燃气粉混合物使气粉稳定燃烧。
    关于直流式燃烧器加装钝体的试验研究，已作过冷态试验cIJ，并且在煤粉炉上加以使用c2J，使用情况良好，提高锅炉效率约2～4%，经济效益较大。为了能进一步推广此技术，有必要继续进行深入研究。但由于炉膛尺寸较大，许多试驻受到条件和设备的限制无法进行。本文采用数值计算方法来研究此课题，计算范围不受试验条件限制，按本方法可算出气流参数、稳定器形状和尺寸对回流区特性的影响，为今后设计煤粉炉生物质燃烧机提供一些参考数据．
    一、基本方程
    由于炉膛尺寸很大，作为**阶段的初步计算，可以把直流式燃烧器中加装钝体稳定器后气流近似看作为带钝体的紊流平面自由射流，如图1所示，将一股流速匀布的射流喷入静止大气中，在喷口附近放一个楔形稳定器，对稳定器后回流流动进行数值分析。当稳定器尺寸较大时，计算区域取在射流外边界之外，即取在离喷口较远的静止大气中，当稳定器尺寸较小时，计算区域可取在射流核心区域之内
    本文采用正交直角座标系和K-8双方程紊流模型，应用质量守恒、动量守恒、紊乱动能K和紊流动能消耗率8等作为控制的物理方程，这些方程可用以下形式来表示。
    四、边界条件
    为了便于计算，将喷口出口截面作为进口边界（见图1）。计算出口边界取在稳定器回流区后的某一截面，内边界取在射流中心线上。以上各边界的边界条件可参考文献E3J给定，这里不再重复。根据本文计算流场的特点，对计算区域外边界和稳定器的斜壁面作如下说明：
    1．外边界
    计算表明，如果钝体稳定器尺寸较大时（如b／B约为0.55），外边界必须取在远离射流外边界的大气中（如图1），此时可认为在外边界上各气流参数与大气的气流参数相同，取轴向速度u为零。
    如果钝体稳定器尺寸较小时（如b／B约为0.2左右）稳定器放入，对紊流自由射流扰动较小，计算外边界还可取在自由射流核心区之内（如图2），因此外边界的边界条件可认为所有参数的垂直通量等于零，此时，计算范围较小，网格结点可减少，从而芾省计算时间，提高经济性。
    2．稳定器的斜壁面
    稳定器的斜壁面是一固壁，固壁**速等于零。紧靠壁面的区域中流体性质有一个陡峭的变化，为了能用较少的计算结点，而得到满意的计算结果。对于固壁的影响，通常都可按Couette流理论推导出的壁面函数的特殊关系
式¨1，算出紊流剪切应力项F。加到离散方程的源项中去。
    由于计算采用正交矩形网格，斜壁与网络线相交曰角，使用壁面函数时，必须对斜壁进行适当处理，一般现有资料所介绍的斜壁处理方法是采用许多小台阶壁面近似代替斜壁4]，在每一小台阶壁面附近再采用壁面函数，当小台阶数取得相当多时，也就是在网格较密情况下。此种方法能达到工程要求。
    本文用另一种方法来考虑斜壁影响，认为气流流经斜壁时，在斜壁面上速度等于零，在邻近斜壁附近区域，变量沿着斜壁方向变化可忽略不计，主要考虑垂直于斜壁的扩散影响。因此，对斜壁面采用壁面函数时，对应于斜壁的剪切应力是由平行于斜壁的气流速度产生的。该速度可利用参数投影的方法，求出速度"和V沿斜壁方向分量而获得。由该分量计算出平行于斜壁的剪切应力系数f，和剪切应力F8，在计算速度铭方程中剪切应力系数Tprj.可由以下式子确定：
    斜壁上网格面积s可采用参数投影方法，求出控制容积沿斜壁方向的面积，最后把剪切应力分量F，cos0加到铭方程源项中去。
    解离散方程时，把剪切应力考虑到源项中去，由于上述方法是利用参数投影，求出平行于斜壁的气流速度、结点离斜壁的距离和网格面积，算出剪切应力来后，直接对斜壁考虑壁面函数，所以在网格不太密情况下，计算精度同样能达到工程要求。当然这种投影法对实际流动是近似的。
    五、计算步骤
    使用SIMPLE算法来解非线性方程组时，需要多次迭代才能收敛，因此提高收敛速度，减少迭代次数，有助于降低计算费用，改善经济性。加快收敛速度从下列几方面进行。
    1．给出合理的计算区域
    由于本文计算自由射流，因此外边界如取在远离射流的静止大气中，计算区域必须取得足够大，否则会影响收敛速度。如果外边界取在射流核心区域，则计算区域必须小于射流核心区域，否则会出现误差。
    2．给出一个较合理的初场
    虽然稳定器后回流区流场较复杂，初场不太好给，但尽可能对稳定器上游给出较合理流场能减少迭代次数。
    3．变低松驰因子
    松驰因子对收敛速度影响很大，计算表明松驰因子太小，收敛太慢，松驰因子太大，会引起发散，因此为了加快收敛速度，对不同变量采用不同松驰因子。K、8等变量不易发射，松驰因子可取大些，如在0.5～0.8范围内选择。钆、y、p变量松驰因子可取小些，一般不**过0.5。在开始迭代时，为了防止发散、松驰因子可取小些，经过一定迭代次数后松驰因子可取大些。
    七、试  验
    为了验证计算方法正确性，本文还测定回流区长度。试验是在常压燃烧试验设备上进行。模型试验段为矩形，尺寸为150×ioomm,钝体稳定器安装在离试验段出口20mm处，我们分别用x型热线探针钝体稳定器后回流区长度，用荧光丝法测定回流区形状。试验中所用钝体锥角为600,相对宽度b/B为0.2和0.55。
    八、计算结果与实验数据比较
    1．回流区边界和长度
    按照计算结果我们在图5和图6上画出流函数线（啦／咖。）的分布，回流区边界可由零流数线（咖／咖。=O）来确定，零流函数线和零速度线( u-o)在z轴线上相重合点为回流区的后驻点，该点到稳定器尾缘的轴向距离为回流区长度L。
    由图5可知，当b/B= 0.55时，则L/2b=-2.13，r／b =1.17．由于射流喷入空间，卷吸周围气体，从而扩大射流宽度。
    由图6可知，当b/B= 0.2时，则L/2b=2.21} r／b=1,08,可见blB值对回流区尺寸影响不大，这一点也可从实验结果中得到证实。
    为了验证计算结果的可靠性，我们用z型二维热线探针测定回流区长度。通过比较，实验值和计算值基本一致（见附表）。此外，我们还用荧光丝测定回流区形状。由图7可知，实验结果与计算结果相近，我们认为计算方法基本合理。
    2．回流比
    由图8可知，当bl B= 0.2时，较大回流比的计算值为0.048,而实验值为0.06。当b/B- 0.55时，较大回流比的计算值为0.092,而实验值为0.11。可见，用热线测得实验结果比计算结果略微大些。
    3．轴向速度和静压分布
    图9和10分别为计算所得的稳定器后轴向速度分布值和静压系数Cp的分布值。  由图10可知，在回流区内轴线上轴向速度为负值，回流区后驻点速度为零，回流区外轴向速度为正值。
九、结束语
    1．本文用椭圆型方程分析自由射流中放置钝体稳定器二元素流流动情况，并对此进行理论计算。由于计算范围不受试验条件限制，可把计算结果部分代替因锅炉尺寸大而无法进行从而减少试验费用，加快把钝体稳定器推广应用到锅炉上去，这对节约能源、合理地使用燃料资源是有现实意义的。
    2．本计算方法可以作为初始阶段应用于锅炉生物质燃烧机研究。本计算假设煤粉粒很小，忽略煤粉对气流速度的影响。至于考虑煤粉粒的两相流和整个燃烧器的计算，可以作为下一步工作，但目前关于钝体稳定器尺寸对回流区内气流参数影响的计算结果，可为锅炉钝体燃烧器初步设计提供参考数据。
    3．由于钝体稳定器后回流区流场复杂，紊流度又较高，使用热线风速仪和荧光丝测定回流区是有一定的测量误差，估计±2%左右。实验目的是考核计算结果，令人满意的是计算值与实验值基本相符。