生物质燃烧机出口流场的研究

应用五孔探针测量生物质燃烧机出口流场的研究
摘要：使用五孔探针在模拟实验台上进行生物质燃烧机出口流场的测试，得到了较完整的旋流流场速度分布图，取得了一定的应用五孔探针进行复杂流场测试的经验。
    施流燃烧技术是在常规燃烧的基础上发展起来的，旋转射流在工程燃烧中用的相当广泛，它主要借助于强旋流所固有的”离心效应”和”涡旋效应”来控制反应混合和火焰传播。目前旋流技术已被广泛应用于各种燃烧器上，特别是一些标称低污染的燃烧器，绝大部分均加有旋流装置。
    旋转射流的流场十分复杂，从流动特征来看，旋转射流兼有旋转紊流运动、自由射流及绕流的特点，是这三种运动的组合。尽管近几年来计算流体力学与计算燃烧学均有了长足的进步，但对于旋转射流，特别是加入化学反应（燃烧）的旋转射流，还无法完满的进行计算模拟。为了深入研究旋流对燃烧的影响，试验是重要手段之一。为此，我们搭建了相应的试验台，使用五孔探针进行燃烧器出口处旋流流场的测试研究[1-2]。
1  试验装置及测试
    旋流流场测试实验台见图1。试验用燃烧器模型燃烧头出口处采用收口形式，收口角庋为200，并使用**玻璃模拟截面为400 mmx400 mm燃烧炉膛，在其侧壁均匀打出测试孔，使用安装于三维位移架上的五孔探针进行
    根据燃烧器模型的具体形式及参考国内外各种型号的燃气燃烧器，选用具有代表性的平板式斜开缝旋流器作为研究对象，主要考察这种型式的旋流器在燃烧器出口处产生的旋流流场。基于低成本的测试技术，本试验采用五孔探针来测量生物质燃烧机出口处旋流流场的速度及压力分布。五孔探针的测量方法有对向、不对向两种测量方法。本试验采用五孔探针的对向测量方法。在有回流的流动中，由于五孔探针只能对来流方向在探针正面锥角400的范围内的气流速度进行有效的测量，且在旋转流动的流场中，一般会存在回流区，故在测量时首先判断回流区的范围，本试验采用飘带法来标示空间气流的方向，在判定方向后正确使用五孔探针进行测量。
    五孔探针测量旋转射流的主要误差来自对被测气流的干扰作用、气流湍流脉动的影响和流场中存在剪切层的作用。研究表明球形探针对气流的干扰作用较小，与激光测速仪的结果比较，一般误差<10%；在气流脉动较强的区域，五孔探针的测量结果偏差较大，测量值通常偏高。误差与湍流度成正比。在速度剪切层区，由于速度方向的不确定性和湍流脉动较高，引起的测量误差可以达到10%～15%[3-6]。另外五孔探针对速度较小的回流区，压力平衡时间长，引起测量精度降低和测量时间增加。由于本试验旋流流场的速度不高，且波动性比较大，为了准确测量流场内的速度分布，配合五孔探针我们使用了微压差变送器和数据采集器联合进行旋流流扬的测量。
    对于旋流流场的测试，采取各截面逐点测试的方法，测点位置如图3所示。流场测量选取4～5个截面，分别用彳，B，C，ID，E表示。截面E的位置随不同测量工况而调整，其他测量截面位置固定。彳截面由于靠近燃烧器出口，速度变化比较大，设置测量点间隔为15 mm，其他截面的测量点间隔为20 mm。
2试验结果及分析
    在空气流量为57.08 m3/h、模拟燃气流量为5.00m3]h、旋流器前压力为410 Pa的试验条件下，使用五孔探针采用逐点时均法测得生物质燃烧机出口流场速度分布图
    从整体来看，中心轴线附近的气流速度比较低，甚至出现了负值，表明存在有回流区。轴向速度的较大值并不在中心轴线上，而是出现在燃烧器出口的边缘附近，即稍微偏离中心轴线处。在彳截面(X/R-0.15)上，轴向速度峰值出现在r-30 mm处，而在B截面(X/R-0.50)上，峰值速度幽现在r-80 mm处，在C截面上，峰值速度出现在r-100 mm处，随后峰值速度基本维持在这个位置附近，只是随着刀刚直的增加，峰值速度逐渐降低，整个截面的速度趋于平缓。
    从时均轴向速度测试结果来看，在彳截面(X/R- 0.15)上，—15 mm处，存在回流速度。随着X/R值的增大，出现回流速度的径向范围首先增大，然后逐渐减小，直至在X/R-2.95时才消失。说明在此工况下，回流区的长度为590mm左右，宽度为70 mm左右。在部分截面流场中，在炉膛的边壁有部分回流出现，符合有关边壁回流的理论。
    在靠近燃烧器出口的截面上，气体切向速度在中心区域较高而在壁面附近区域较低，各测量截面上切向速度的峰值位于离开中心轴线一定距离处，越往后峰值速度越低，该速度衰减比较明显，但并没有消失。在燃烧器出口附近，流场变化比较频繁，由于混合气从燃烧器头部出来后强烈旋转且迅速扩张使径向速度比较大。
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