流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究(pdf)_圖文

1、收稿日期:2006-01-16;修訂日期:2006-06-07作者簡(jiǎn)介:賈瓊(1982-,男,河北定州人,西安交通大學(xué)碩士研究生.文章編號(hào):1001-2060(200605-0477-05雙旋流氣體燃燒器冷態(tài)流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究賈瓊,劉鳴,車得福,曹子棟(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西西安710049摘要:利用IFA300型二維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀系統(tǒng)對(duì)雙旋流氣體燃燒器模型的冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)量了流場(chǎng)內(nèi)不同位置瞬時(shí)速度分布及湍流強(qiáng)度特性。研究表明,該燃燒器能夠組織合理的空氣動(dòng)力場(chǎng),對(duì)負(fù)荷變化有較好的適應(yīng)性。對(duì)比不同擴(kuò)口結(jié)構(gòu)下的流場(chǎng),發(fā)現(xiàn)安裝一定結(jié)構(gòu)的縮放擴(kuò)口可以更好地促進(jìn)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(huì)使回流區(qū)長(zhǎng)度大大縮短,在設(shè)計(jì)燃燒器時(shí)應(yīng)避免這種結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞:旋流燃燒器;氣體燃燒;熱線風(fēng)速儀;冷態(tài);縮放擴(kuò)口中圖分類號(hào):TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言旋流燃燒器具有穩(wěn)定、高效、清潔燃燒的特點(diǎn),而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有良好的負(fù)荷適應(yīng)能力,因此從20世紀(jì)70年代起受到了越來(lái)越多的制造商及發(fā)電企業(yè)的重視和青睞1。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者利用多種測(cè)量?jī)x器和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)各種類型旋流燃燒器的空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究:Dix on等人利用五孔探針研究了一次風(fēng)不同旋流強(qiáng)度下旋轉(zhuǎn)射流的流動(dòng)特性2。Vu等人利用球型五孔探針和一維恒溫?zé)峋€風(fēng)速儀測(cè)量了同軸共向和反向旋轉(zhuǎn)組合射流的時(shí)

3、均流場(chǎng)及湍流特性參數(shù)3,發(fā)現(xiàn)了這兩種流動(dòng)結(jié)構(gòu)湍流能量的分布規(guī)律。李爭(zhēng)起利用相位多普勒激光測(cè)速儀(PDA在徑向濃淡旋流煤粉燃燒器上研究了齒形中心擴(kuò)口對(duì)氣固兩相流場(chǎng)的影響4,得出了此結(jié)構(gòu)下顆粒濃度的分布規(guī)律。周屈蘭利用雙通道熱線風(fēng)速儀對(duì)兩種徑向濃淡燃燒器的空氣動(dòng)力場(chǎng)特性和燃燒過程進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究5,并建立了分別與之對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。氣體旋流燃燒器分為中心進(jìn)氣和周向進(jìn)氣兩種,其燃料一般為單一煤氣。隨著旋流燃燒技術(shù)的進(jìn)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(dòng)特性,建立了雙旋流氣體旋流燃燒器的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。本文采用二維熱線風(fēng)速儀對(duì)其冷態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量

4、,得出了在燃燒器出口安裝不同擴(kuò)口時(shí)空氣動(dòng)力場(chǎng)的分布規(guī)律,并考察了安裝縮放擴(kuò)口時(shí)燃燒器對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)能力,以期進(jìn)一步了解安裝縮放擴(kuò)口時(shí)燃燒器的穩(wěn)燃特性,為多組分氣體燃燒器的設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)資料。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)量?jī)x器實(shí)驗(yàn)所采用的雙旋流氣體燃燒器模型與實(shí)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(jié)構(gòu)如圖1所示。該燃燒器以焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣的混合氣作為主燃料,結(jié)合多管式天然氣燃燒器的原理,將天然氣作為二級(jí)燃料獨(dú)立燃燒。其中焦?fàn)t、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(guó)TSI 公司生產(chǎn)的IFA300型恒溫?zé)峋€風(fēng)速

5、儀對(duì)燃燒器出口流場(chǎng)內(nèi)的氣流速度及湍流特征參量進(jìn)行測(cè)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(shí)測(cè)量旋轉(zhuǎn)射流的軸向和切向速度分量,并由其配套軟件計(jì)算出湍流強(qiáng)度。2.2實(shí)驗(yàn)方法及參數(shù)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)中各入口處的氣體均以空氣代替,額定負(fù)荷下各實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示,經(jīng)計(jì)算各參數(shù)滿足相似?；脑瓌t6,因此所得結(jié)論適用于實(shí)際流場(chǎng)。在燃燒器出口處安裝縮放擴(kuò)口,通過調(diào)節(jié)各個(gè)入口的風(fēng)量研究不同負(fù)荷(80%、100%、120%下燃燒器出口的流場(chǎng)特征,并在額定負(fù)荷條件下,研究不同擴(kuò)口結(jié)構(gòu)(縮放擴(kuò)口、無(wú)擴(kuò)口、漸縮擴(kuò)口及軸向旋流葉片傾斜方向?qū)α鲌?chǎng)的影響。第21卷第5期2006年9月熱能動(dòng)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(jié)構(gòu)示意圖表1 額定負(fù)荷下主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)氣體速度m s -1當(dāng)量直徑m流量m 3h -1雷諾數(shù)(×105動(dòng)量kg m -2s - 1 16.880.08935921.0020.373實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1負(fù)荷的影響額定負(fù)荷下燃燒器出口速度分布如圖2所示。隨著負(fù)荷的增加,軸向和切向速度的大小均會(huì)相應(yīng)增加,但其分布規(guī)律卻基本相同。在一定的負(fù)荷變化范圍內(nèi),燃燒器出口流場(chǎng)的回流區(qū)形狀幾乎不發(fā)生變化,始終保持合理的細(xì)長(zhǎng)形狀,使得足夠的高溫?zé)煔?/p>

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(zhǎng)的火焰長(zhǎng)度,有利于燃燒后期的擾動(dòng)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(fù)荷范圍內(nèi)均能合理地組織爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng),這表明雙旋流氣體燃燒器對(duì)負(fù)荷有著較好的適應(yīng)性。不同負(fù)荷下流場(chǎng)湍流強(qiáng)度的分布如圖3所示。隨著負(fù)荷的增加,湍流強(qiáng)度也相應(yīng)增加,各股氣流之間的混合能力也相應(yīng)增強(qiáng)。在回流區(qū)頂部(Y 117,湍流強(qiáng)度有不同程度的突降,且負(fù)荷越低,突降程度越高,這說(shuō)明負(fù)荷降低,在回流區(qū)邊界上流場(chǎng)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(yuǎn)處,當(dāng)負(fù)荷高于額定負(fù)荷

8、時(shí),其湍流強(qiáng)度有明顯升高,因此適當(dāng)增加負(fù)荷有利于燃料后期的燃盡。I 、II 、III 表示80%、100%、120%的負(fù)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(cè)點(diǎn)的速度大小與方向?qū)?yīng)右側(cè)速度標(biāo)尺,下同。圖2額定負(fù)荷的流場(chǎng)圖3負(fù)荷對(duì)湍流強(qiáng)度的影響3.2擴(kuò)口結(jié)構(gòu)的影響額定負(fù)荷時(shí),將燃燒器出口處的縮放擴(kuò)口去掉及安裝漸縮擴(kuò)口時(shí)所得流場(chǎng)分別如圖4和圖5所示。對(duì)比圖2、圖4和圖5,去掉縮放擴(kuò)口后射流軸874熱能動(dòng)力工程2006年向速度增大,但衰減很快,安裝漸縮擴(kuò)口時(shí),射流軸向速度比無(wú)擴(kuò)口時(shí)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(jié)構(gòu)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(wú)擴(kuò)口時(shí)的流場(chǎng)圖5 安裝漸縮擴(kuò)口時(shí)的流場(chǎng)圖6擴(kuò)口結(jié)構(gòu)對(duì)回流區(qū)及射流邊界的影響額定負(fù)荷下,不同擴(kuò)口結(jié)構(gòu)的回流區(qū)及射流邊界如圖6所示。采用縮放擴(kuò)口的回流區(qū)范圍最大,其長(zhǎng)度達(dá)到Y(jié) 1.7,并且形狀細(xì)而長(zhǎng), 并具有適中的射流擴(kuò)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(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究流的著火燃燒,又有利于防止火焰“飛邊”貼墻。去掉擴(kuò)口后,回流區(qū)長(zhǎng)度只有Y 1.1左右,而安裝漸縮擴(kuò)口時(shí),回流區(qū)長(zhǎng)度降為Y 0.4。通過計(jì)算各截面上的回流率可以發(fā)現(xiàn)相同負(fù)荷下,安裝縮

10、放擴(kuò)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(fù)荷下,不同擴(kuò)口結(jié)構(gòu)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響如圖7所示。去掉擴(kuò)口后, 湍流強(qiáng)度在出口處就達(dá)到最大值,且湍流強(qiáng)度高于安裝縮放擴(kuò)口的情況,但在其回流區(qū)內(nèi),衰減極為劇烈。安裝漸縮擴(kuò)口后,在燃燒器出口附近其湍流強(qiáng)度整體較低,而在距出口較遠(yuǎn)處(Y >2.5,其整體水平甚至高于安裝縮放擴(kuò)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(yuǎn)離出口后,切向速度仍具有相對(duì)軸向速度較高的數(shù)值,使得湍流強(qiáng)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(kuò)口后,燃燒器出口流場(chǎng)湍流強(qiáng)度的最大值并非出現(xiàn)在

11、回流區(qū)內(nèi),而是在氣體遠(yuǎn)離回流區(qū)后( Y 0.9 才突然增大到最大值。這主要是因?yàn)榛亓鲄^(qū)很小,且回流速度值也很低的緣故。圖7擴(kuò)口結(jié)構(gòu)對(duì)湍流強(qiáng)度的影響3.3異向旋轉(zhuǎn)射流的影響在額定負(fù)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(duì)比圖2和圖8可以發(fā)現(xiàn),異向旋轉(zhuǎn)使回流區(qū)長(zhǎng)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(shuō)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(kuò)散和混合。兩種旋轉(zhuǎn)組合方式下湍流強(qiáng)度的分布如圖9所示。同向旋轉(zhuǎn)的湍流強(qiáng)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(qiáng)度大小情況恰好相反。究其原因主要是異向旋轉(zhuǎn)時(shí),兩股氣流主要在燃燒器出口附

12、近混合程度較差,遠(yuǎn)離燃燒器出口后才進(jìn)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(chǎng)圖9旋轉(zhuǎn)組合方式對(duì)湍流強(qiáng)度的影響4結(jié)論(1在一定范圍內(nèi),負(fù)荷的變化對(duì)雙旋流氣體燃燒器出口流場(chǎng)的影響不大,該燃燒器對(duì)負(fù)荷變化084熱能動(dòng)力工程2006年的適應(yīng)性較好;(2安裝一定結(jié)構(gòu)的漸縮擴(kuò)口會(huì)縮短回流區(qū)的長(zhǎng)度,使燃燒與空氣的混合推后,而安裝一定結(jié)構(gòu)的縮放擴(kuò)口可以增加火焰和回流區(qū)的長(zhǎng)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(zhǎng)度,推遲燃料與空氣的混合時(shí)間,降低兩者的混合程度。參考文獻(xiàn):1莊慧穎.旋流燃燒器與直流燃

13、燒器的特點(diǎn)比較及發(fā)展前景J .中國(guó)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(zhēng)起.徑向濃淡旋流煤粉燃燒器氣固兩相流動(dòng)特性及應(yīng)用的研究D

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

15、文章在產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合方向的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用成果;可以充分了解高?？蒲性核?、企業(yè)在熱能動(dòng)力工程方面的最新基礎(chǔ)研究與其成果在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。四、2007年的熱能動(dòng)力工程目次頁(yè)和版權(quán)頁(yè)進(jìn)行全新設(shè)計(jì),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(fēng)格。五、歡迎科研院所、企業(yè)和院校作者為本刊投稿。來(lái)稿請(qǐng)用電子郵件發(fā)送至rndlgch703話:0451-*55637728聯(lián)系人:孫顯輝。熱能動(dòng)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(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)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(xì)化煤粉再燃還原 NO 的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)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