二次風旋流強度對燃燒器回流場影響的數值模擬

摘要：旋流燃燒器因為能夠形成較大的中心回流區，卷吸高溫煙氣，促進煤粉的著火和穩燃，在工程上得到了廣泛的應用。本文采用Realizable k-ε模型研究了二次旋流風的旋流強度對煤粉燃燒器回流場的影響，分析了不同旋流強度回流區的分布，形狀及其大小的影響，為燃燒器設計提供理論依據。

關鍵詞：旋流強度；回流場；數值模擬

1前言

我國用煤煤質多變， 尤其是難燃的劣質煤數量較多， 這就使煤粉燃燒器的穩燃問題更加突出。通常為了運行的安全性， 防止爆燃事件發生， 在較低的負荷下， 要投油助燃， 因而增加了成本。為此， 需要開發能在低負荷下， 無需投油并能穩定燃燒的技術。[1]而燃燒器的穩定運行主要取決于燃燒器的流場結構，回流區的尺寸和形狀決定著火焰的穩定性，回流加強了煤粉氣流與高溫煙氣的對流混合， 相互摻混，大大提高了二者之間的熱質交換煤粉顆粒都能迅速被回流高溫煙氣加熱并著火燃燒，為回流區外的煤粉氣流的著火和燃燒提供穩定的熱源，同時在回流區形成的缺氧燃燒氣氛有利于減少NOx的生成。[2]

2 燃燒器的結構及前處理

本文所采用的研究對象為某筑路機械工程公司一臺載荷為1600kg/h的煤粉燃燒器，它的主要結構如下圖1所示：

燃燒器為旋轉對稱結構，圖1為燃燒器上半部分剖視圖，該燃燒器中心管無風，末端帶有擴展角，有利于產生中心回流；一次風為直流風輸送煤粉；一次風通道中的套筒起到了防止煤粉在之前濃淡分離后恢復的作用；二次旋流風與一次風混合產生回流區，并在此發生質熱傳遞；二次直流風提供氧化性氛圍，起到防止高溫腐蝕壁面和燃盡煤粉的作用。

模擬中保證一次直流風，二次旋流風，二次直流風的風量配比不變，通過調節二次旋流風的旋流強度來模擬不同情況下燃燒器內部的回流場情況，在文中旋流強度用無因次量旋流數（s）來度量，即切向動量與軸向動量之比。

為了使計算縮短時間，在Gambit前處理中，采用旋轉性周期邊界條件，選取旋轉角度為30°，分塊劃分網格，結構網格和非結構網格并用的方法，并對燃燒器的頭部進行加密處理，使得模擬計算更為精確描述梯度較大的區域，從而更好反映實際情況。劃分網格后如下圖2所示：

3 選用模擬的模型及求解方法

標準 k-ε模型對時均應變率特別大的情形，有可能導致負的正應力。為使流動符合湍流系數 不應是常數，而應與應變率聯系起來。從而提出了Realizable k-ε模型。[3]

在Realizable k-ε模型中關于k和ε的輸運方程如下：

各字母代表的常數或者物理意義可參考相關文獻。

與標準k-ε模型比較可以發現，Realizable k-ε模型的主要變化是：

1）湍動粘度的計算公式發生了變化，引入了旋轉和曲率有關的內容。

2）ε方程發生了較大變化，方程中的產生項（方程3-2右端第二項）不在含有k模方程中的產生項Gk，這樣，現在的形式更好地表示了光譜的能量轉換。

3）ε方程中的倒數第二項不具有任何奇異性，即使k值很小或為零，分母也不會為零。這與標準的k-ε模型和RNG k-ε模型有很大的區別。

總之，Realizable k-ε模型作為一種帶旋轉修正的k-ε模型可以更好的適用于模擬強旋流動的情況。[4]差分方程采用Simple算法。

4計算結果與分析

二次風在無旋流或者旋流強度不高的情況下，如下圖3-5所示，旋流燃燒器存在兩個回流區，一個位于燃燒器中心，主要是由中心管無風，且帶有擴角，以下稱為內回流區。另一個在二次旋流風出口，以下稱為外回流區。兩個回流區都為封閉式，其中內回流區卷吸煤粉和高溫煙氣，外回流區卷吸高溫二次風，在兩者的共同作用下，形成煤粉的穩定燃燒。并且隨著旋流數由0增加到0.2時，兩個回流區大小沒有發生明顯的變化。當旋流數增加到0.3的時候，外回流區變小，而在爐膛中部外圍出現一個漩渦，這對工況是不利的。

隨著二次旋流風旋流數的不斷增加，在其較強的卷吸作用下，一次風被迫向四周擴散，中心回流區不斷縮小，一次風粉被迫卷吸到出口四周，這對濃淡分離和穩定燃燒是不利的，并且旋流強度過大容易形成緊貼燃燒器壁面的飛邊氣流，飛邊氣流容易形成貼壁火焰，從而引起結渣，無論中心回流區縮小還是形成飛邊氣流，這些都是對燃燒不利的，在運行中應該避免這種工況的發生。如下圖7所示。

結論

在上述結構的燃燒器中，各風道通風量不變的情況下，二次風旋流數的變化對燃燒器回流場的影響很大。特別是二次旋流風旋流數達到0.5以上時，中心回流區消失，這是由于二次風的卷吸作用增強的原因。

要想通過增強二次旋流風旋流強度來取得較大尺寸的回流區，我們可以通過采取以下措施：適當增大燃燒器二次旋流風通道的橫截面積，從而使得在保持原有風量和風量分配比率不變的情況下，降低二次旋流風的風速，減弱其卷吸作用;適當減小二次旋流風通風量或者增強一次風的風量來減小兩者的動量比懸殊，但由于一次風量取決于煤粉的著火性能，一次風量過小則不能使煤粉揮發份完全燃燒，從而降低內回流區的溫度，是燃燒較難組織，過大同樣會降低內回流區溫度而使燃燒不穩定，因此一次風量的調節范圍較小，第二種辦法減小的二次旋流風風量可以通過增加二次直流風風量來彌補，完成煤粉的完全燃燒。

參考文獻

[1]秦裕琨，李爭起，孫銳等.風包粉系列濃淡煤粉燃燒技術的研究[J].中國電機工程學報， 1999，10， 19(10):32-36.

[2]蹇守衛，馬保國，郝先成.窯用多通道燃燒器回流區的三維數值模擬[J].武漢理工大學學報， 2006年6月， 28(6):41-44.

[3]王福軍.CFD軟件原理及應用.北京:清華大學出版社，2004.

[4]周玨. 在數值計算中數學模型和數值解法的選擇.數值計算與工程仿真， 2005年3月，1(4):1-7.