氣固兩相流在燃燒器中的應(yīng)用

1、氣固兩相流在燃燒器中的應(yīng)用1、氣固兩相流的基本理論不管何種型式的燃燒器，其內(nèi)流動的本質(zhì)都是氣固兩相流動。因而，要改進(jìn)燃燒器，必 須對氣固兩相流動的規(guī)律有深入的理解。2、氣固兩相流的基本特點(diǎn)單相氣流中只有氣體的存在，但是在鍋爐內(nèi)的氣流中都存在一定濃度的固體顆粒，而且 各處的固體顆粒濃度存在差異，這就使得爐內(nèi)的燃料顆粒流動變的相當(dāng)復(fù)雜。一般來說，有 以下主要的特點(diǎn)：氣體分子分布均勻，而燃料顆粒是分散的、且直徑大小不同，為了簡便起見，人們 通常僅僅考慮一個平均尺寸。燃燒裝置中顆粒濃度一般不大，所以顆粒相一般不能作為連續(xù)介質(zhì)。顆粒相的慣性較大，氣體和顆粒間存在著速度的滑移，因而各自運(yùn)動規(guī)律相互會產(chǎn) 生

2、影響。顆粒之間及顆粒和壁面的碰撞和摩擦可以產(chǎn)生靜電效應(yīng)。在不等溫的熱流中還存在 著熱泳現(xiàn)象。由于顆粒尺寸大小不一，形狀也不同，使得每個顆粒都有不同的速度。在有壓力梯度、速度梯度存在的流場中，顆粒經(jīng)常處于加速或者減速的不穩(wěn)定狀態(tài)， 顆粒間及與管壁間相互碰撞等都會引起顆粒的高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生升力效應(yīng)。顆粒的湍流擴(kuò)散系數(shù)和氣體不同，因而其橫向擴(kuò)散運(yùn)動的特點(diǎn)也不一樣。小顆粒的 擴(kuò)散速率比大顆粒的擴(kuò)散速率大。3、氣固兩相流的分類工程中的兩相流種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從空氣動力學(xué)的特征出發(fā)，可以分為稀相兩相流 和濃相兩相流。這是以顆粒在氣相中的含量多少來區(qū)分的，通常認(rèn)為稀相兩相流中顆粒的濃 度不大，使得顆粒的存在

3、對氣相運(yùn)動的影響不大，顆粒相的運(yùn)動規(guī)律基本與相一致，只要把 氣相和固相運(yùn)動的相互影響加以修正就可以了。濃相兩相流動就是顆粒相濃度增加到一定數(shù) 值以后，對氣相的流動形成了很大影響，這時候用氣相流動方程就很難準(zhǔn)確的加以描述。一 般來說，顆粒的濃度小于lkg/kg空氣時，可以認(rèn)為是稀相兩相流，反之就是濃相兩相流。對于濃相氣固兩相流，氣相決定著固相運(yùn)動，固相對氣相的影響也不可以忽略，這種情 況稱為雙向禍合(Two-Way Coupling稀相兩相流的顆粒相對氣相影響很小，可以忽略不計(jì)， 但是氣相場決定這顆粒的軌跡和其他參數(shù)的變化，這種情況稱為單向禍合(One-WayCoupling)。4、氣固兩相流的

4、特性參數(shù)由于氣固兩相流中增加了顆粒相，流動中存在著一個形狀與分布隨機(jī)可變的相界面。而 各個相之間又存在著一個不可忽略的相對速度，導(dǎo)致了流經(jīng)管道的分相流量比和分相所占的 管截面比不相等。因此描述氣固兩相流的流動特性參數(shù)比氣體單相的流動特性參數(shù)要復(fù)雜很 多。主要的參數(shù)有:兩相濃度(各相所占的相對容積，重量等)、空隙度(流體所占的體積與整 個兩相流體的總體積之比)、兩相密度(各相的總重量與總體積的比)，比面積(分散顆粒相的 表面積與其體積之比)、以及兩相粘度、兩相比熱、兩相導(dǎo)熱系數(shù)和顆粒的松弛時間等。除此，還有其他的一些參數(shù)，如兩相流體的密度，顆粒平均尺寸等。5、工程氣固兩相流模化實(shí)驗(yàn)的原理氣固兩相

5、流進(jìn)行?；瘯r，首先要做到幾何相似，其次要使雷諾數(shù)相等或者氣流達(dá)到自模 化區(qū)，另外，還要做到單值條件相似，即達(dá)到流動相似。為了使模型與原型中的兩相流動相 似，還必須要遵循一定的準(zhǔn)則。氣體湍流流動時的相似準(zhǔn)則準(zhǔn)則名稱表達(dá)式意義均時性準(zhǔn)則 速度場隨時間的改變速度付魯?shù)聹?zhǔn)則Fr = %慣性力與重力之比，表示重力對運(yùn)動的影 響雷諾準(zhǔn)則Re = wLlv慣性力和粘性力之比，表示粘性力對運(yùn)動 的影響歐拉準(zhǔn)則Eu = -A = / (Re,?r)壓力號慣性力之比普朗特準(zhǔn)則Pr 二絲上溫度場和速度場的相似程度湍流準(zhǔn)則、=idem湍流脈動的強(qiáng)度脈動準(zhǔn)則- = idem不同方向間脈動的聯(lián)系la二 idem u/考定

6、脈動頻率影響的準(zhǔn)則用于描述兩相運(yùn)動的相似準(zhǔn)則有：M = S , Fr = i En=y,_尸占椰;%神M叫當(dāng)分散相用平均直徑來?；臅r候，還應(yīng)該遵守以下條件:n1=idem, Ce=idema。n1是和 顆粒粗細(xì)分布性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，Ce是固體粉體濃度。要同時滿足以上的所有準(zhǔn)則是很困難的，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況采取近似?；姆椒ǎǔ?作如下的簡化：如果爐內(nèi)流動過程是穩(wěn)定的，可以不考慮均時性準(zhǔn)則。在幾何相似的條件下，當(dāng)氣流流動達(dá)到自?；院?，湍流準(zhǔn)則也基本上達(dá)到了自模， 如果此時滿足阻力處于同一區(qū)域，那么氣流脈動對燃燒顆粒的影響也可以近似得到相似。如果能滿足進(jìn)口條件相似，則意味著，Wp/wg = id

7、em和Ce = idem能得到遵守Tdem 也能得到遵守。要求遵守準(zhǔn)則pp/pg= idem，在等溫?；杏孟嗤奈镔|(zhì)就可以做到。綜上所述，簡化可得到兩相流動的近似?；?，應(yīng)遵守的相似準(zhǔn)則為Fr, St和Re(或 者處于相同的流動阻力區(qū))。6、氣固兩相流的試驗(yàn)測試技術(shù)在鍋爐的調(diào)試和運(yùn)行過程中，常會遇到兩相流的取樣和測量的問題。如果想知道各種燃 燒器內(nèi)部的煤粉顆粒和空氣的溫度、速度濃度等，就必須對兩相流進(jìn)行采樣測量和分析。目 前已經(jīng)有很多的測量兩相流的方法，例如可以利用灰粒對光線的光譜吸收特性制成光學(xué)測量 裝置，可以利用靜電效應(yīng)、超聲波、激光或者其他的方法測量。需要測量的兩相流參數(shù)主要 有:顆粒

8、和氣流的速度、濃度及溫度.顆粒粒徑等物理量。常見的顆粒速度測量方法有取樣法、動量法、相關(guān)法和激光多普勒法。可以用各種氣力 探針、熱電風(fēng)速儀和葉輪風(fēng)速計(jì)以及激光測速的方法來測量氣流速度，還可以用飄帶法和示 蹤法來得知速度的方向。流量的測量包括速度法、節(jié)流法、示蹤法、質(zhì)量流量法和溫度法。目前的測量氣固兩相流的方下去很多，大多是利川顆粒的各種物理性質(zhì)，例如比色法、 光電法、電容法、靜電法、超聲法Y射線法等等。日前工業(yè)上用的主要測溫裝置，有輻射式溫度計(jì)和接觸式溫?zé)犭娕純煞N:可以用PDA測 量顆粒的粒徑分布。7、煤粉燃燒器內(nèi)氣固兩相流的研究現(xiàn)狀從80年代后期開始，國內(nèi)的很多高校和研究機(jī)構(gòu)對燃燒器內(nèi)的氣固

9、兩相流動進(jìn)行了研 究，清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等，都對氣固兩相流動的研究做 出了很多卓有成效的工作。近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，給數(shù)值模擬帶來了無限生機(jī)，氣固兩相流數(shù)值 模擬的對象和深度都達(dá)到了一個嶄新的臺階。在對湍流氣相場進(jìn)行數(shù)值模擬時，得到最廣泛應(yīng)用的是k-模型。在能滿足工程需要 的前提下，它也是最簡單有效的雙方程模型。但是在許多流動較復(fù)雜的工程實(shí)際中，k-模 型的計(jì)算結(jié)果會和實(shí)際情況產(chǎn)生較大的誤差。所以，很多學(xué)者又提出了對k-模型的改進(jìn) 和修正。對于氣固兩相流動，在模擬時或者把顆粒群當(dāng)作擬連續(xù)介質(zhì)或者擬流體，或者把顆粒群 看作離散體系。顆粒擬流體模型的核心問題是顆粒湍流模型，目前一般采用兩種方法:一種 是基于顆粒追隨流體脈動概念的Hinze-Tchen顆粒湍流代數(shù)模型（Ap模型）;第二種是顆粒湍動 能方程模型（kp模型）。除此之外，還有統(tǒng)一的二階矩模型（USM）及