流動特性的實驗研究(pdf)_圖文

1、收稿日期:2006-01-16;修訂日期:2006-06-07作者簡介:賈瓊(1982-,男,河北定州人,西安交通大學碩士研究生.文章編號:1001-2060(200605-0477-05雙旋流氣體燃燒器冷態(tài)流動特性的實驗研究賈瓊,劉鳴,車得福,曹子棟(西安交通大學能源與動力工程學院,陜西西安710049摘要:利用IFA300型二維恒溫熱線風速儀系統(tǒng)對雙旋流氣體燃燒器模型的冷態(tài)流場進行了實驗研究,測量了流場內(nèi)不同位置瞬時速度分布及湍流強度特性。研究表明,該燃燒器能夠組織合理的空氣動力場,對負荷變化有較好的適應性。對比不同擴口結構下的流場,發(fā)現(xiàn)安裝一定結構的縮放擴口可以更好地促進燃料穩(wěn)定、高效、

2、清潔燃燒。異向旋轉(zhuǎn)射流不利于燃料與空氣的均勻混合,還會使回流區(qū)長度大大縮短,在設計燃燒器時應避免這種結構。關鍵詞:旋流燃燒器;氣體燃燒;熱線風速儀;冷態(tài);縮放擴口中圖分類號:TK16文獻標識碼:A1引言旋流燃燒器具有穩(wěn)定、高效、清潔燃燒的特點,而且結構簡單,具有良好的負荷適應能力,因此從20世紀70年代起受到了越來越多的制造商及發(fā)電企業(yè)的重視和青睞1。國內(nèi)外很多學者利用多種測量儀器和實驗方法對各種類型旋流燃燒器的空氣動力場進行了大量的研究:Dix on等人利用五孔探針研究了一次風不同旋流強度下旋轉(zhuǎn)射流的流動特性2。Vu等人利用球型五孔探針和一維恒溫熱線風速儀測量了同軸共向和反向旋轉(zhuǎn)組合射流的時

3、均流場及湍流特性參數(shù)3,發(fā)現(xiàn)了這兩種流動結構湍流能量的分布規(guī)律。李爭起利用相位多普勒激光測速儀(PDA在徑向濃淡旋流煤粉燃燒器上研究了齒形中心擴口對氣固兩相流場的影響4,得出了此結構下顆粒濃度的分布規(guī)律。周屈蘭利用雙通道熱線風速儀對兩種徑向濃淡燃燒器的空氣動力場特性和燃燒過程進行了詳細的實驗研究5,并建立了分別與之對應的數(shù)學模型。氣體旋流燃燒器分為中心進氣和周向進氣兩種,其燃料一般為單一煤氣。隨著旋流燃燒技術的進步,氣體旋流燃燒器正沿著適合多種可燃性氣體混合燃燒的方向發(fā)展。為了研究新型氣體旋流燃燒器的氣流流動特性,建立了雙旋流氣體旋流燃燒器的實驗臺。本文采用二維熱線風速儀對其冷態(tài)流場進行了測量

4、,得出了在燃燒器出口安裝不同擴口時空氣動力場的分布規(guī)律,并考察了安裝縮放擴口時燃燒器對負荷的適應能力,以期進一步了解安裝縮放擴口時燃燒器的穩(wěn)燃特性,為多組分氣體燃燒器的設計提供詳細的實驗資料。2實驗系統(tǒng)及方法2.1實驗設備及測量儀器實驗所采用的雙旋流氣體燃燒器模型與實物的比例為12.5,噴口外徑為d=364mm,軸向旋流葉片傾斜角為60°,其結構如圖1所示。該燃燒器以焦爐煤氣和高爐煤氣的混合氣作為主燃料,結合多管式天然氣燃燒器的原理,將天然氣作為二級燃料獨立燃燒。其中焦爐、高爐混合煤氣通過軸向旋流葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),空氣通過蝸殼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。采用美國TSI 公司生產(chǎn)的IFA300型恒溫熱線風速

5、儀對燃燒器出口流場內(nèi)的氣流速度及湍流特征參量進行測量,通過飄帶示蹤法確定空間氣流的方向,利用1240型二維探針同時測量旋轉(zhuǎn)射流的軸向和切向速度分量,并由其配套軟件計算出湍流強度。2.2實驗方法及參數(shù)冷態(tài)實驗中各入口處的氣體均以空氣代替,額定負荷下各實驗參數(shù)如表1所示,經(jīng)計算各參數(shù)滿足相似?；脑瓌t6,因此所得結論適用于實際流場。在燃燒器出口處安裝縮放擴口,通過調(diào)節(jié)各個入口的風量研究不同負荷(80%、100%、120%下燃燒器出口的流場特征,并在額定負荷條件下,研究不同擴口結構(縮放擴口、無擴口、漸縮擴口及軸向旋流葉片傾斜方向?qū)α鲌龅挠绊?。?1卷第5期2006年9月熱能動力工程JOURNA L

6、 OF E NGI NEERI NG FOR THERM A L E NERGY AND POWERVol.21,No.5Sep.,2006 圖1雙旋流燃燒器結構示意圖表1 額定負荷下主要實驗參數(shù)氣體速度m s -1當量直徑m流量m 3h -1雷諾數(shù)(×105動量kg m -2s - 1 16.880.08935921.0020.373實驗結果及分析3.1負荷的影響額定負荷下燃燒器出口速度分布如圖2所示。隨著負荷的增加,軸向和切向速度的大小均會相應增加,但其分布規(guī)律卻基本相同。在一定的負荷變化范圍內(nèi),燃燒器出口流場的回流區(qū)形狀幾乎不發(fā)生變化,始終保持合理的細長形狀,使得足夠的高溫煙氣

7、回流,為內(nèi)層燃料氣流的著火提供穩(wěn)定的熱源。軸向速度衰減較慢,形成較長的火焰長度,有利于燃燒后期的擾動和混合,使燃料燃盡。切向速度有一定的張角,使空氣環(huán)繞在火焰周圍,形成氧化性氣氛,能夠有效地防止水冷壁的高溫腐蝕。在上述負荷范圍內(nèi)均能合理地組織爐內(nèi)空氣動力場,這表明雙旋流氣體燃燒器對負荷有著較好的適應性。不同負荷下流場湍流強度的分布如圖3所示。隨著負荷的增加,湍流強度也相應增加,各股氣流之間的混合能力也相應增強。在回流區(qū)頂部(Y 117,湍流強度有不同程度的突降,且負荷越低,突降程度越高,這說明負荷降低,在回流區(qū)邊界上流場分布趨于穩(wěn)定,不利于各股氣流之間的混合。在離噴口較遠處,當負荷高于額定負荷

8、時,其湍流強度有明顯升高,因此適當增加負荷有利于燃料后期的燃盡。I 、II 、III 表示80%、100%、120%的負荷,A 、B 表示軸向和切向,下同;圖中水平線表示各截面上的速度零值,各測點的速度大小與方向?qū)覀?cè)速度標尺,下同。圖2額定負荷的流場圖3負荷對湍流強度的影響3.2擴口結構的影響額定負荷時,將燃燒器出口處的縮放擴口去掉及安裝漸縮擴口時所得流場分別如圖4和圖5所示。對比圖2、圖4和圖5,去掉縮放擴口后射流軸874熱能動力工程2006年向速度增大,但衰減很快,安裝漸縮擴口時,射流軸向速度比無擴口時要小,衰減也更快,但燃燒器出口的切向速度普遍較大,最大切向速度值幾乎是前兩種結構的兩

9、倍,而且衰減也較慢。只是具有較高切向速度的區(qū)域較為狹窄,基本上局限在X 0.3范圍內(nèi)的環(huán)形帶上 。圖4 無擴口時的流場圖5 安裝漸縮擴口時的流場圖6擴口結構對回流區(qū)及射流邊界的影響額定負荷下,不同擴口結構的回流區(qū)及射流邊界如圖6所示。采用縮放擴口的回流區(qū)范圍最大,其長度達到Y 1.7,并且形狀細而長, 并具有適中的射流擴展角度,可以使燃料更為集中,既有利于氣974第5期賈瓊,等:雙旋流氣體燃燒器冷態(tài)流動特性的實驗研究流的著火燃燒,又有利于防止火焰“飛邊”貼墻。去掉擴口后,回流區(qū)長度只有Y 1.1左右,而安裝漸縮擴口時,回流區(qū)長度降為Y 0.4。通過計算各截面上的回流率可以發(fā)現(xiàn)相同負荷下,安裝縮

10、放擴口的截面回流率最大,而且衰減速率最慢,有利于卷吸更多的高溫介質(zhì),組織穩(wěn)定的火焰燃燒。額定負荷下,不同擴口結構對湍流強度的影響如圖7所示。去掉擴口后, 湍流強度在出口處就達到最大值,且湍流強度高于安裝縮放擴口的情況,但在其回流區(qū)內(nèi),衰減極為劇烈。安裝漸縮擴口后,在燃燒器出口附近其湍流強度整體較低,而在距出口較遠處(Y >2.5,其整體水平甚至高于安裝縮放擴口的情況。主要是由于在出口附近,其切向速度較大,雖然也有衰減,但遠離出口后,切向速度仍具有相對軸向速度較高的數(shù)值,使得湍流強度較大,有利于氣流之間的混合和燃料的燃盡。值得注意的是安裝漸縮擴口后,燃燒器出口流場湍流強度的最大值并非出現(xiàn)在

11、回流區(qū)內(nèi),而是在氣體遠離回流區(qū)后( Y 0.9 才突然增大到最大值。這主要是因為回流區(qū)很小,且回流速度值也很低的緣故。圖7擴口結構對湍流強度的影響3.3異向旋轉(zhuǎn)射流的影響在額定負荷下,將軸向旋流葉片反向安裝后,得到燃燒器出口速度分布如圖8所示。對比圖2和圖8可以發(fā)現(xiàn),異向旋轉(zhuǎn)使回流區(qū)長度大大縮短(Y 0.5,并且沿徑向切向速度的方向變化了兩次,說明異向旋轉(zhuǎn)的氣流混合程度較差,抑制了兩股氣流之間的擴散和混合。兩種旋轉(zhuǎn)組合方式下湍流強度的分布如圖9所示。同向旋轉(zhuǎn)的湍流強度在回流區(qū)內(nèi)普遍高于異向旋轉(zhuǎn)的情況,而在非回流區(qū)內(nèi),湍流強度大小情況恰好相反。究其原因主要是異向旋轉(zhuǎn)時,兩股氣流主要在燃燒器出口附

12、近混合程度較差,遠離燃燒器出口后才進行充分地混合,因此湍流程度衰減較慢,在非回流區(qū)內(nèi)還高于同向旋轉(zhuǎn)的情況。圖8異向旋轉(zhuǎn)的流場圖9旋轉(zhuǎn)組合方式對湍流強度的影響4結論(1在一定范圍內(nèi),負荷的變化對雙旋流氣體燃燒器出口流場的影響不大,該燃燒器對負荷變化084熱能動力工程2006年的適應性較好;(2安裝一定結構的漸縮擴口會縮短回流區(qū)的長度,使燃燒與空氣的混合推后,而安裝一定結構的縮放擴口可以增加火焰和回流區(qū)的長度,并使燃料與空氣在回流區(qū)內(nèi)均勻地混合,有利于火焰的穩(wěn)定和燃料的燃盡;(3異向旋轉(zhuǎn)射流將大大縮短回流區(qū)的長度,推遲燃料與空氣的混合時間,降低兩者的混合程度。參考文獻:1莊慧穎.旋流燃燒器與直流燃

13、燒器的特點比較及發(fā)展前景J .中國電力,1998,31(2:35-37.2DIX ON T F.Aerodynamic studies on swirled coaxial jets from nozzleswith divergent quarlsJ .Journal of F luids E ngineering ,1983,105(6:197-203.3BACH T VU.Flow measurement in a m odel swirl combustorJ .AIAAJournal ,1982,20(5:642-651.4李爭起.徑向濃淡旋流煤粉燃燒器氣固兩相流動特性及應用的研究D

14、.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,1997.5周屈蘭.徑向濃淡式雙調(diào)風旋流燃燒器的試驗研究與數(shù)值模擬D.西安:西安交通大學,2001.6孫學信.燃煤鍋爐燃燒試驗技術與方法M.北京:中國電力出版社,2001.(何靜芳編輯2007年熱能動力工程設置欄目啟事一、自2007年第1期起,將熱能動力工程欄目細化,按專業(yè)分欄目。新開設的欄目內(nèi)容以陸用或船用燃氣輪機,汽輪機、鍋爐、傳動、及相關的燃燒傳熱為主,并刊載與上述專業(yè)相關的控制、仿真、能源、新產(chǎn)品和技術應用文稿。二、新欄目的設置有助于讀者和作者了解本刊主報道方向和具體專業(yè)范圍,使作者更有針對性投稿,讀者查閱更為快捷方便。三、欄目細化后,讀者可以很快查到所需專業(yè)

15、文章在產(chǎn)學研相結合方向的創(chuàng)新技術和應用成果;可以充分了解高校科研院所、企業(yè)在熱能動力工程方面的最新基礎研究與其成果在工程實踐中的應用。四、2007年的熱能動力工程目次頁和版權頁進行全新設計,在紙張色度、顏色、字體上統(tǒng)籌布局,使讀者有良好視覺感,凸現(xiàn)本刊風格。五、歡迎科研院所、企業(yè)和院校作者為本刊投稿。來稿請用電子郵件發(fā)送至rndlgch703話:0451-*55637728聯(lián)系人:孫顯輝。熱能動力工程編輯部184第5期賈瓊,等:雙旋流氣體燃燒器冷態(tài)流動特性的實驗研究第5期 英 文 摘 要 545 fuser outlet of certain structure can better cont

16、ribute to a stable , effective and clean combustion of fuel . A rotating jet flow turn flow zone. Such a structure should be avoided during the design of burners. Key words : swirl burner , gas combus2 tion , hot2wire anemometer , cold state , convergent2divergent diffuser outlet coal , reburning ,

17、NO , reaction dynamic mechanism , experiment lation flue2gas by using N2 ,O2 ,CO2 and NO , an experimental study was conducted of NO reduction by reburning in a burning fuel , the suitable residence time in the reburning zone should be about 0. 8 s. Key words : superfine pulverized erly shortening t

18、he residence time of pulverized coal in the reburning zone. However , if the residence time of the pulver2 pulverized coal burn2out rate will also be reduced. It has been found that with superfine pulverized coal serving as a re2 1 300 and 1 100 EFR ( entrained flow reactor along with an analysis of

19、 its chemical reaction dynamics mecha2 all these measures can significantly enhance the chemical reaction rate of NO reduction through reburning , thereby prop2 With blended coals ( bitumite and lignite in three kinds of fineness , Datong2origin bitumite in one kind of fineness and Xingtai origin le

20、an coal in the form of superfine pulverized coal all serving as reburning fuel , and having prepared a simu2 assuming different directions can be detrimental to a uniform mixing of fuel and air and greatly reduce the length of the re2 循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi)流場及氣固分離特性數(shù)值模擬 = Numerical Simulation of the Flow Field i

21、n a Circulating Fluidized Bed Desulfurizer and Its G 2solid Separation Characteristics 刊 ,漢 AO Jian2min ,QIN Yu2kun , G as G AO Ji2hui , et al ( Energy Source Science and Engineering College under Harbin Institute of Technology , Harbin , China , Post Code : 150001 Journal of Engineering for Thermal

22、 Energy & Power. - 2006 , 21 ( 5 . - 487490 A numerical simulation was conducted of the gas2phase turbulent flow and particle2phase pulsating flow within the gas2sol2 flow fields in different diffuser outlet structures are compared , it can be found that installing a convergent2divergent dif2 雙旋

23、流氣體燃燒器冷態(tài)流動特性的實驗研究 = An Experimental Study of Cold2state Flow Characteristics of Dual2swirl G Burners 刊 ,漢 IA Qiong , LIU Ming , CHE De2fu , et al ( Energy Source and Power Engineering Col2 as J lege under the Xi Jiaotong University , Xi , China , Post Code : 710049 Journal of Engineering for Thermal

24、 En2 an an ergy & Power. - 2006 , 21 ( 5 . - 477481 微細化煤粉再燃還原 NO 的反應動力學機制 = Dynamics Mechanism Governing a NO Reduction Reaction Dur2 ing the Reburning of Superfine Pulverized Coal 刊 ,漢 LIU Zhong , Y Wei2ping ( Energy Source and Power Engi2 AN neering College under the North China Electric Power

25、 University , Baoding , China , Post Code : 071003 , SONG Qiang , Y Qiang ( Education Ministry Key Laboratory on Thermal Sciences and Power Engineering under Tsinghua University , AO Beijing , China , Post Code : 100084 Journal of Engineering for Thermal Energy & Power. - 2006 , 21 ( 5 . - 482 4

26、86 ized coal in the reburning zone is shorter than 0. 6 s , the efficiency of NO reduction will drop drastically. Meanwhile , the reduction is jointly controlled by diffusion22reaction dynamics. Hence , raising the temperature in the reburning zone , us2 ing pulverized coal with a high reaction activity as reburning fuel or increasing the fineness of reburned pulverized coal , An exp