彎管和文丘里管組合結構燃燒器內氣固兩相流動的數值分析

楊 茉，康張陽，2，郭春筍

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海200093；2.西安交通大學 熱流科學與工程教育部重點實驗室，西安710049）

濃淡分離的燃燒器越來越多地應用在大中型電站鍋爐中，這種燃燒器具有降低著火點、穩燃、降低NOx生成量等特點.彎管和文丘里管在煤粉燃燒器中都是有助于加強濃淡分離的重要結構.彎管的離心作用使煤粉氣流發生分流，從而實現水平或者上下的濃淡分離，但同時也會出現濃側煤粉氣流貼壁現象.當煤粉氣流通過文丘里管時，會在出口處形成中間濃、四周淡的分離效果.彎管內過分貼壁的煤粉氣流勢必會造成燃燒器出口的侵蝕，而且較容易引起燃燒器出口壁面的結焦，影響了鍋爐的安全運行.為了克服彎管濃淡分離貼壁的缺點，采用彎管后接文丘里管的組合結構，既能夠達到濃淡分離的效果，又能使煤粉不貼壁，達到中心給粉的目的.

關于彎管和文丘里管的試驗研究和數值模擬很多.周昊等［1］采用試驗和數值模擬方法研究了彎管后加裝撞擊式濃淡分離器的情況.荊有印等［2］對管內氣固兩相流動進行了數值模擬.謝菲等［3］對文丘里管內的氣固兩相流動進行了數值模擬.周志軍等［4］模擬了不同結構尺寸文丘里管內的氣固兩相流動.Lee J等［5］對文丘里管內的氣固兩相流動進行了大量的試驗和理論研究.

筆者應用Fluent流體仿真軟件模擬彎管和文丘里管組合結構燃燒器內的氣固兩相流動，研究了這種燃燒器的濃淡分離特性，對比了不同密度和粒徑煤粉顆粒的氣固兩相流動，得到這種新型的濃淡燃燒器對不同煤種和粒徑的分離效果，并改變燃燒器局部尺寸，研究其對燃燒器性能的影響.

1 數學模型和計算條件

1.1 模型建立

計算區域的物理模型如圖1所示.圖1（a）是只有彎管的情況，圖1（b）是只有文丘里管的情況，圖1（c）是彎管和文丘里管組合結構的情況.

1.2 數學模型和假設

氣相采用分離渦（DES）模擬方法，具體方法見文獻［6］～文獻［9］.固相顆粒的運動方程和固相湍流采用的離散隨機游動（DRW）模型見文獻［10］.

針對本次研究對象的特點，考慮到氣固兩相流動的實際特性，進行如下假設：（1）顆粒為大小均勻的球形顆粒；氣相流體為牛頓流體；各相物理性質不變.（2）流動為三維、定常、不可壓縮、等溫流動.（3）不考慮分子擴散和布朗運動對固體顆粒運動的影響.（4）顆粒相的體積濃度較小，可忽略顆粒間的互相碰撞作用.（5）考慮氣體-顆粒間的單向耦合作用.（6）不考慮顆粒的破碎.

圖1 不同結構燃燒器的三維物理模型Fig.1 3Dphysical model for differently structured burners

1.3 邊界條件

（1）進口邊界：氣相采用速度入口邊界條件，給定氣相入口速度和修正湍流黏度，且入口速度均勻分布，平均速度U0＝26m／s，雷諾數Re＝765 368.

固體顆粒都是球形且直徑相同，固相給定入口質量流率.顆粒均勻分布在入口截面上，每個網格單元追蹤的個體顆粒數為10個.

（2）壁面條件：采用標準壁面函數法作近壁面處理.采用無滑移邊界條件；顆粒相在壁面處滿足沒有能量損失的完全彈性碰撞條件（reflect）.

（3）出口條件：氣相出口采用pressure outlet邊界條件；固相出口邊界為逃逸邊界（escape）.

1.4 網格劃分

采用不同數量級的網格進行模擬計算，對網格的敏感性進行了無關性檢驗，最終確定使用1.0×105～1.5×105個結構化網格.

2 結果和討論

為了驗證模擬方法的正確性，對Lee［5］的試驗工況進行了數值模擬.煤粉顆粒為球形，密度為1 340kg／m3，平均粒徑為43μm，St為3.8.圖2給出了模擬結果與Lee試驗結果的對比，橫坐標是固氣比Z，縱坐標是壓差比，Δpm和Δpg分別是混合物和氣體通過文丘里管的壓差值.從圖2可以看出，模擬結果和Lee的試驗結果近似，說明采用的模擬方法是正確的.

圖2 模擬結果與Lee試驗結果的對比Fig.2 Comparison between simulation results and Lee＇s experimental data

2.1 煤粉顆粒密度和粒徑變化的影響

在圖1物理模型的計算過程中，煤粉粒徑為100μm，密度為1 200kg／m3.圖3（a）為彎管燃燒器出口的煤粉濃度分布，圖3（b）為文丘里管燃燒器出口的煤粉濃度分布，圖3（c）為彎管和文丘里管組合結構燃燒器出口的煤粉濃度分布.從圖3可以看出，彎管的濃淡分離效果很好，但是高濃淡區域貼壁.文丘里管則中間濃、四周淡，濃淡分離效果較差.彎管和文丘里管的組合結構既能達到濃淡分離的效果，而且實現了中間給粉、高濃度區域不貼壁的效果.

圖3 不同結構燃燒器出口的煤粉濃度分布Fig.3 Distribution of coal concentration at outlet of differently structured burners

St為顆粒的Stokes數［9］，定義為

式中：H為進口寬度的一半，m；U0為進口氣流速度，m／s.

在模擬彎管和文丘里管組合結構燃燒器內的氣固兩相流動時，筆者計算了3種不同直徑、7種不同密度即21種工況下顆粒的St，如表1所示.

圖4表示了相對穩定后粒徑為10μm 的顆粒在不同St下所對應的出口煤粉濃度，可見對于該粒徑的顆粒，St（0.021→0.063 9）較小，顆粒有較好的跟隨性.在文丘里管喉部被濃縮的煤粉氣流跟隨空氣又回到了壁面位置.壁面上的任何位置都有煤粉分布.相對而言，在文丘里管上壁面的煤粉顆粒比下壁面多些.隨著顆粒密度的增加，下部壁面聚集的顆粒越來越少.由于流經整個燃燒器的氣流速度非常快，這種高Re的湍流使得煤粉流呈現出一種無序的形態，在出口表現為有的濃度核心在中間，有的濃度核心被吹偏在兩邊.總之，彎管和文丘里管組合結構對10μm 小顆粒的分離作用較差，出口下部仍然存在較大數量的煤粉顆粒，上、下濃淡分離的效果較差.

表1 不同工況下煤粉顆粒的StTab.1 St number of coal particles under different working conditions

圖4 10μm 煤粉顆粒的出口濃度分布Fig.4 Outlet concentration of coal particles with a diameter of 10μm

圖5表示了相對穩定后粒徑為50μm 的顆粒在不同St下所對應的出口煤粉濃度.彎管和文丘里管的組合結構使得出口煤粉濃度核心區集中在中心的上部，并不貼壁.隨著St的增大，與進口煤粉濃度相同的等值線逐漸收縮，顆粒更多地聚集在出口的上部.這是因為其St在1附近，此時顆粒自身的慣性力與所受到的流體拖拽力基本上處于同一個數量級.結合圖6發現，對于50μm 的煤粉顆粒，其濃淡分離作用隨著煤粉密度的增大而不斷增強，濃度核心的最大煤粉濃度也在增大，有向核心區濃縮的趨勢，這與文獻［9］的結論相吻合.

圖5 50μm 煤粉顆粒的出口濃度分布Fig.5 Outlet concentration of coal particles with a diameter of 50μm

圖6表示了相對穩定后粒徑為100μm 的顆粒在不同St下所對應的出口煤粉濃度.隨著St的增大，出口煤粉濃度核心由一個逐漸變成兩個，這兩個濃度核心之間的距離不斷變大，并有在其下方出現第三個核心的趨勢.這是因為St不斷增大，顆粒自身的慣性力大于所受流體的拖拽力，顆粒表現出大顆粒特性.圖7表示了密度對出口最大煤粉質量濃度的影響，隨著密度的增大，100μm 煤粉顆粒濃度核心的最大煤粉濃度也在減小.隨著高濃度區域的增大，高濃度區域有均勻化的趨勢.

圖6 100μm 煤粉顆粒的出口濃度分布Fig.6 Outlet concentration of coal particles with a diameter of 100μm

圖7 密度對出口最大煤粉質量濃度的影響Fig.7 Influence of density on the maximum outlet mass concentration of coal

圖8表示了從上往下俯視彎管和文丘里管組合結構時上壁面的煤粉濃度分布，越亮的地方濃度越高.在這種結構中，當St≤0.1時，小顆粒有較好的跟隨性，顆粒彌散在上壁面；當0.1＜St＜2.1時，氣相對顆粒的拖拽力和顆粒相自身的慣性力處于同一個數量級，上壁面產生一個濃度核心區，顆粒的濃度核心基本處在最上部彎管和文丘里管的交接點上；當St≥2.1時，顆粒的慣性力大于氣相的拖拽力，表現為濃度核心后移（以流動方向為前），并且濃度核心區域變寬，在彎管和文丘里管交界處產生兩個濃度核心.這就解釋了圖4、圖5和圖6所出現的出口濃度分布形式.

圖8 組合結構燃燒器上壁面的煤粉濃度分布Fig.8 Distribution of coal concentration on upper wall of the composite burner

2.2 燃燒器結構變化的影響

為了研究燃燒器結構變化對燃燒器分離效果的影響，改變彎管的角度及文丘里管漸縮段的尺寸，如圖9所示.圖9還給出出口上半區域和出口中心線.通過對比模擬結果，研究了燃燒器性能的變化.當St在1附近時，顆粒自身的慣性力與所受到的流體拖拽力基本上處于同一個數量級，所以統一采用粒徑為50μm，密度為1 200kg／m3的煤粉顆粒，文丘里管漸縮段長度L分別為250 mm、350 mm、450 mm 和550mm，彎管彎曲角度α（即流向與豎直方向夾角）分別為30°、60°和90°.

圖9 彎管角度和漸縮段尺寸Fig.9 The angle of elbow and the size of reducing pipe

圖10表示的是不同結構燃燒器所對應的出口水平中心線處的平均煤粉質量濃度.彎管角度由30°變化到60°的過程中，中心線處的煤粉平均質量濃度逐漸增加，即分布在中心線處的煤粉是增加的.結合圖11可知，在此過程中煤粉向出口上半部分移動聚集，因此彎管角度為60°時，中心線處的煤粉平均質量濃度大于彎管角度為30°的情況.彎管角度繼續增大，大部分煤粉已越過中心線，聚集在上半部分，因此在彎管角度為90°的情況下，中心線處的煤粉質量濃度已遠遠小于另外兩種情況.當文丘里管漸縮段L增加時，中心線處的煤粉平均質量濃度有減小的趨勢.結合圖11，發現上半區域的煤粉質量濃度增加，說明隨著文丘里管漸縮段的增長，煤粉濃淡分離作用增強.

當彎管角度和文丘里管漸縮段長度L變化時，圖11給出燃燒器出口處上半區域的煤粉平均質量濃度曲線.由圖11可知，隨著彎管角度的增大，上半區域的煤粉平均質量濃度逐漸增大，即燃燒器出口處上半部分布的煤粉逐漸增加，煤粉的濃淡分離現象越明顯.出現這種現象是因為彎管角度越大，煤粉經過彎管時受到的離心作用越大，煤粉氣流的濃淡分離作用就越明顯.相對于彎管角度變化帶來的影響，文丘里管漸縮段長度變化的影響較小，L增大時，大角度情況下燃燒器上半部的煤粉平均質量濃度先減小后增大.但結合圖10可以得出，彎管與文丘里管的濃淡分離作用是相互加強的，文丘里管漸縮段越長，煤粉的積聚越明顯.

圖10 出口水平中心線處的煤粉平均質量濃度Fig.10 Average outlet mass concentration on the horizontal centerline

圖11 出口上半區域的煤粉平均質量濃度Fig.11 Average outlet mass concentration in the upside area

3 結 論

（1）彎管和文丘里管的組合結構既能實現濃淡分離的效果，又能實現中間給粉和高濃度區域不貼壁的效果.

（2）彎管和文丘里管的組合結構對10μm 小顆粒的出口濃淡分離效果較差，主要是因為小顆粒的跟隨性和空間彌散性較好.

（3）彎管和文丘里管的組合結構對50μm 顆粒的出口濃淡分離效果較好.隨著St的增大，出口最大煤粉濃度增加，濃度區域減小且有濃縮的趨勢.

（4）對于100μm 的顆粒，出口濃度核心隨著St的增大由一個變為兩個，核心間的距離增加，最大煤粉質量濃度減小且有平均化的趨勢.

（5）改變燃燒器的局部尺寸時，彎管角度越大，煤粉氣流的濃淡分離效果越明顯；文丘里管漸縮段越長，煤粉的積聚作用越明顯.

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