可调浓度生物质浓淡生物质燃烧机的数值模拟

可调浓度生物质浓淡生物质燃烧机的数值模拟
摘要：采用包括脉动频谱随机轨道模型等气固多相流模型对新型撞击式可调浓度生物质浓淡生物质燃烧机内部的气固多相流动进行了数值模拟研究来流速度、撞击块高度、隔板位置等因素对气相速度场、隔板两侧配风均匀性、颗粒浓度、浓淡分离比的影响，并和仪器模化实验进行对比，计算结果和实验吻合较t子0通过分析浓淡分离过程中若T问题的机理，得到了具有工程应用价值的结论。
    生物质浓淡燃烧技术。由于在强化燃』烧、稳定燃烧及低污染物排放等方面的良好性能，在国内外得到了广泛的应甩在浓淡燃烧技术中实现生物质浓度的可调。一是人们致力于解决的问题美国CE公司曾研制的变生物质浓度生物质燃烧机¨1。利用弯管对生物质气流进行分离，将浓淡气流分别通过两个喷嘴射入炉膛。通过调节这个喷嘴的角度来适应煤种和负荷的变化  日本IHI公司开发的宽调节比生物质燃烧机口1，利用置于喷口前的卧式旋风分离器进行浓淡分流前者生物质浓度不能连续调节。后者调节手段及装置比较复杂，而对浓淡生物质燃烧机
生物质分离过程的数值模拟昀研究也很搬
    浙江大学热能工程研究所在大型多相流动实验台上开发了撞击式可调浓度生物质浓淡生物质燃烧机【3 1根据多相流理论对不同的参数变化进行了大量的数值模拟，得到了一些仪器实验不易获得的数据两者成功结合，使得该生物质燃烧机具有结构简单可连续调节、阻力低、分离效果好及易于现场布置等特点。已在多台电站锅炉上成功应甩
    本文阐述了对于撞击式生物质浓淡生物质燃烧机的数值模拟，并和模化实验结果进行了对比和分栀2000年6月夏振海等：可调浓度生物质浓淡生物质燃烧机的数值模拟
1数学模型
1.1气相湍流流动模型
    气相湍流流动采用露Ⅸ双方程模型[1计算。其基本方程组可写成如下的通用形式
    专(dH)+高（屯H）一篙（FH专）：曲(1)式中：H是代表各因变量（如速度、湍流动能等）的通用变量．rH是各变量的湍流扩散系数：口是源项对于不同的变量，HrH和SH的含义见文献[4]
 1.2多相流动模型
    本文作者曾提出脉动频谱随机颗粒轨道模型（PSRT模型）‘5】，在拉格朗日坐标系中描述颗粒相湍流运动，利用随机傅立叶级数来模拟气流脉动速度。取得了许多满意的成果本文采用FSRT模型，颗粒的运动方程可写成
    d2Xdup
    dt2= dt=—{（己，+∥一泐）    (2)
    鲞、}dvp
    df：一df={（弭v’一坳）    (3)
    d?zdwp
    df：一孝={（肌W，一坼）    (4)
式中：f为颗粒的松弛时间，把气流的瞬时速度分解为时均速度U K肜和脉动速度u’、v、w’之和。
    FSRT模型利用随机傅立叶级数来模拟气流脉动速度
    ∥：∑R，矾cos(ikt -  R2厂L)    (5)
    扩：∑R3肠cos(ikf -R。，F)    (6)
    w,:∑R,W cos(ikt -  R612)(7)
式中：Ri～R6力正态分布的随机数；Um.际形。是根据湍流脉动频谱和能谱所确定的圆频率k下气流湍流涡团的脉动数值：置T和T则是脉动的初相位
1.3颗粒与壁面的碰撞和反弹模型
    在对撞击式浓淡生物质燃烧机的分离过程的数值模拟中，如何准确计算生物质颗粒与撞击块等固壁的碰撞非常重要颗粒与壁面的碰撞和反弹模型则采用Tabakoff等人‘6研究得出的公式计算Tabako ff等对颗粒和金属壁面的碰撞过程进行了大量的研究，提出了计算颗粒碰壁前后的速度公式为
  U2:1. 0-Q 415 9U -Q 499 4L#0.292f 81
  ul
  V2=1.0-2 12U+3.077 5U-1.lU3(9)
式中：叭甜z分别为颗粒碰壁前的法向速度和切向速度：v~v z为碰壁后的法向速度和切向速度：U是颗粒碰壁前的速度和壁面切向之间的夹角。
1.4数值算法
    本文计算采用交错非均匀网络。气相流场利用PHOENICS软件作为数值模拟的环境，该软件采用PLEST算法：颗粒相程序用Fort ran语言编写，考虑到不同粒径的颗粒受力及湍流特性不同，颗粒相采用按粒径分档计算、统计平均的方法。既方便又使计算较接近实际本文把颗粒分为lOVm，30弘m，50弘m，70弘m，90tj-m五裆计算，追踪了约100 000个颗粒轨迹
    数值计算采用与仪器实验相同的入口和出口条件本文把数值试验结果和浙江大学热能工程研究所所做的模化实验口进行对比
2数值试验结果和分析
    图1是撞击式生物质生物质燃烧机的结构示意图它是浙江大学可调浓度生物质燃烧机试验系统的浓淡分离试验管段，其几何比例依据某电厂一台HG 670／140-WM 10型锅炉一次风管的分离管段的尺寸所得图中，试验段的截面为230 mn~  230 mm，撞击块1设计成可绕一轴旋转的扇形柱体。撞击块高度Hd的调节范围为旷180 mm隔板2可前后移动调节，它与撞击块之间的距离为L
    撞击式生物质浓淡生物质燃烧机的基本设计思想是通过合理布置撞击块、隔板等部件，利用撞击块对生物质气流的导向作用，加上生物质颗粒冲击到撞击块后反弹而转向，受惯性作用在隔板上方的浓侧聚集。实现生物质气流的浓缩和分流浓度的连续调节通过调节撞击块高度及撞击块与隔板距离等结构参数来实现
    决定生物质燃烧机生物质浓度连续可调性能的是其气固两相流动特性。要在保证浓淡两侧的生物质浓度比足够大同时，又能使隔板两侧的气流速度保持平德
    与模化实验基本一致，数值模拟显示随着撞击块高度的增加，浓淡两侧生物质浓度比显着增加洇2、在揸击块高度一定的变化范围内，这种生物质燃烧机可以实现燃生物质浓度连续可调。但与此同时，撞击块高度的增加**过一定的范围。又会使浓淡两侧气流速度差急剧增大（图3），这对炉内空气动力场是不利的，数值试验揭示了其中的原因。通过数值试验可以看到，在撞击块的背风侧产生一低速回流区，这是钝体绕流导致边界层分离的结果该回流区大小随挡块高度的增加而增加当撞击块高度较小( Ha-< 40 mm)时，回流区范围较小，隔板两侧速度相差不大洳图4所示）：当挡块高度较大f H~ 80 mm)时，该回流区范围扩大，在隔板下方淡侧的入口处堵塞气流，造成进入该侧的气流速度损失，从而造成浓淡两侧较大的速度差异。图5是撞击块高度为120 mm时的速度场示意图。因此，该回流区的存在和变化，是造成浓淡两侧速度差的重要原因。
    上述问题的一个解决办法是，通过增加撞击块与隔板的距离三来减少浓淡两侧速度差
    撞击块与隔板间距离三对浓淡两侧风速差具有很大影响当三减少时。浓淡分离比增加。风速差显着增加；当上增加时，分离效果降低，两侧的风速亦趋于平缀比较图5与图6可见，撞击块与隔板的距离较小时，淡侧入口处的气流受撞击块背后的回流区影响更大，同时气流进入淡侧时流通截面缩小后再突然扩张，又存茌节流损失，故这一侧的气流速度损失较大
    从图7的数值试验结果可以看出，当/小于400mm时，浓淡两侧风速差随三的变化非常明显：当三大于400 mm时。这一变化趋势则趋于平缓。即三的影响变弱，而从图中可以看出。撞击块高度的影响始终较为明显数值试验的结果为实际应用中选择合适的间距三提供了依据
3结论
    (1)对生物质浓淡生物质燃烧机进行的数值模拟，其结果与实验吻合良好，说明数值模拟的方法对于生物质燃烧机的设计和应用有重要的意义
    f 21撞击挡块背风侧由绕流边界层分离产生的回流区，是造成浓淡两侧速度差急剧增大的重要原因，选择合适的撞击块高度是设计的关键
    (3)撞击块与隔板间距离对分离效果有一定影响。数值试验给出了浓淡两恻速度差随三变化的规律。为工程实际中的应用提供了依据
    (4)该分离装置对大颗粒有良好分离效果。在确保燃烧效率的前提下，可以适当提高生物质平均细度，既能取得较大分离比。又可保证浓淡两侧速度平衡。