共軸同向旋流燃燒器擴口長度對回流區影響的數值模擬

劉曉峰+賈建華

摘 要：以旋流燃燒器為對象，利用數值模擬方法研究回流區內部多個旋流的存在和旋流燃燒器擴口長度對回流區的影響，給出了相應的流場分布和回流區模擬結果，以期為今后燃燒器的改進和相關工程設計提供參考。

關鍵詞：旋流燃燒器；數值模擬；回流區；擴口長度；流場

中圖分類號：TK223.23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃燒器設計中，形成較大范圍的高溫回流區，強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對穩定燃燒非常重要。回流區的特性受燃燒器幾何結構的影響，所以，研究燃燒器回流區的內部流場分布和燃燒器的幾何參數對它的影響是十分必要的。利用數值模擬的方法不但便于研究，還可以有效降低實驗成本，并預測流場變化，指導相關實驗和設計。

1 數學模型

以某油田注汽鍋爐共軸同向旋流燃燒器為研究對象，其結構如圖1所示，中心為燃料噴槍，一、二次風管出口布置有軸向葉片，一次風管內徑和外徑分別為133 mm、346.63 mm，二次風管外徑為585 mm，出口采用擴錐，擴錐角度為40°。本文研究的一次風擴口長度為0.5 L，同時，分析一次風擴口長度為L和2L這兩種情況時，冷態流場回流區的特性。

計算用通用微分方程如下：

采用軸對稱有旋轉的流動方程式（此時，雖然 ，但

2 計算結果及分析

2.1 回流區的成因和結構

在一次風管出口，鑒于一次風的流出及其徑向運動，原來停滯在燃料噴口的流體受卷吸而離開，在噴口前形成真空區。根據流體的連續性介質進行假設，如果外圍流體沿軸線迅速補進，在到達噴口時，受一次風牽引作用而改變方向，在此位置開擴口，與速度更高的二次風相遇，一次風受卷吸與二次風融合后發生擴展，同時，由于射流本身的旋轉離心作用，增強了

離心趨勢，使射流中心流體離開了軸心位置，形成負壓。外部氣流在壓力梯度的作用下沿軸線回流，當回流至一定位置，一次風提供給流體的動量足以克服逆向壓力梯度時，回流流體便會改變速度方向，隨一次風運動，形成二次回流，這是一、二次風共同作用的結果。在熱態燃燒時，初次回流可以卷吸一部分熱煙氣，對燃料進行初次加熱，此后，二次回流將燃料和高溫煙氣進一步混合，實現再次加熱，這種流場布局可以有效保證著火和穩燃。

2.2 燃燒器擴口長度對回流區的影響

考慮旋流燃燒器幾何尺寸的影響，例如擴口長度，計算了一次風擴口長度為0.5L、L和2L這三種情況。其回流區形狀變化如圖3所示。

從數值模擬結果可見，擴口長度增大，回流區變長、變寬，相應的回流量會加大。另外，隨著一次風擴口長度的增加，同一截面最大風速點的位置遠離中心軸線，這說明旋轉射流的擴展角在增大，卷吸能力在加強。這一現象的產生是因為一次風擴口長度決定了一、二次風的混合點，當二者遭遇時，會發生動量交換。當擴口較短時，一次風會很快與二次風混合，混合后的一、二次風動量克服了回流中心的壓力，使混合流體盡快擴展，在垂直軸線方向體現為射流邊界擴大和回流區封閉，形成了短而窄的回流區。隨著擴口長度的增加，一、二次風在匯合時的速度都在衰減，動量在減小，克服逆壓梯度需要的時間和動量積累相應增加，使回流區前滯止點逐漸后移，擴大了回流區。但是，擴口長度在達到L以后，繼續加長擴口對回流區的增長收效不大，這可能是受流體動量有限性的影響，其克服壓力形成封閉的能力存在上限。由此可見，通過改變擴口長度來擴大回流區保證燃燒時，要考慮選取一個適當值。

不同的擴口長度對回流區內部有不同的影響，從擴口長度為0.5L、L和2L時的流場圖中可以發現，初次回流是普遍存在

的現象，它的存在可以實現燃料和一次風的預熱，而在此過程中，有必要進一步探討其對穩燃的影響。另外，當擴口長度增加時，回流區內部流場復雜化，二次回流位置逐漸向前發展，渦管截面不再平行于對稱軸，呈現收縮趨勢。當擴口長度為2L時，在其他兩種情況所具有的一、二次回流之間又發生了一次回流，而且在軸線位置出現了正向旋流區，發生軸向速度正值。對此進行分析認為，二次回流渦管的收縮是由于二次風的擴展壓制其擴大，從而形成收縮。對擴口長度為2L時的中間回流來說，其成因是因為擴口的加長延遲了一、二次風的混合，所以，一次風的擴展和徑向運動是造成中間回流的主要原因。從圖5中可以發現，該回流區存在于一次風擴展段內，并未受二次風的影響。對正向旋流的生成來說，由于其處于中間回流和二次回流之間，2個旋流外圍流體的流動方向相同，均與軸向相反，誘使中心流體產生同向的流動。對二次回流旋渦而言，其流體的回流抽吸作用在軸向正方向上產生負壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補真空，產生了正向旋流。這個旋流的存在使回流區的流場變得更加復雜，在熱態條件下，該處旋流仍然起到加強高溫煙氣和燃料混合的作用，只不過不再是回流而已。

不同的燃燒器擴口長度使其回流區尺寸和內部流場均發生了變化，其共性是回流區隨擴口長度的增大而增大，回流區內部至少有兩次回流，分別為初次回流和二次回流。當擴口繼續增大時，回流區增大的不明顯，內部將出現中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個意義說，回流區僅僅只是個廣義的概念，并不能代表在其范圍內真實流體的運動特性。

3 結論

共軸同向旋流燃燒器是一種普遍使用的燃燒器，它可以保證熱態時的高效穩燃和燃料加熱。本文通過數值模擬，分析了這種燃燒器回流區內部流場的復雜性——存在多級回流的現象，從熱量有效傳遞的角度而言，這種回流形式可以減少高低溫傳熱損失，是有利于穩燃和換熱的。另外，隨著一次風擴口長度的增加，內部回流區變長、變寬，回流量加大，內部旋流多元化。在實際應用和設計過程中，可以考慮采用長的擴口，但是，這種增長是有一個適當值的。

參考文獻

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及設計[M].北京：科學出版社，1992.

[2]馬貴陽，解茂昭.用RNGκ-ε模型計算內燃機缸內湍流流動[J].燃燒科學與技術，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程氣固多相流動的理論及計算[M].杭州：浙江大學出版社，1990.

[4]吳望一.流體力學[M].北京：北京大學出版社，1982.

〔編輯：白潔〕

摘 要：以旋流燃燒器為對象，利用數值模擬方法研究回流區內部多個旋流的存在和旋流燃燒器擴口長度對回流區的影響，給出了相應的流場分布和回流區模擬結果，以期為今后燃燒器的改進和相關工程設計提供參考。

關鍵詞：旋流燃燒器；數值模擬；回流區；擴口長度；流場

中圖分類號：TK223.23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃燒器設計中，形成較大范圍的高溫回流區，強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對穩定燃燒非常重要。回流區的特性受燃燒器幾何結構的影響，所以，研究燃燒器回流區的內部流場分布和燃燒器的幾何參數對它的影響是十分必要的。利用數值模擬的方法不但便于研究，還可以有效降低實驗成本，并預測流場變化，指導相關實驗和設計。

1 數學模型

以某油田注汽鍋爐共軸同向旋流燃燒器為研究對象，其結構如圖1所示，中心為燃料噴槍，一、二次風管出口布置有軸向葉片，一次風管內徑和外徑分別為133 mm、346.63 mm，二次風管外徑為585 mm，出口采用擴錐，擴錐角度為40°。本文研究的一次風擴口長度為0.5 L，同時，分析一次風擴口長度為L和2L這兩種情況時，冷態流場回流區的特性。

計算用通用微分方程如下：

采用軸對稱有旋轉的流動方程式（此時，雖然 ，但

2 計算結果及分析

2.1 回流區的成因和結構

在一次風管出口，鑒于一次風的流出及其徑向運動，原來停滯在燃料噴口的流體受卷吸而離開，在噴口前形成真空區。根據流體的連續性介質進行假設，如果外圍流體沿軸線迅速補進，在到達噴口時，受一次風牽引作用而改變方向，在此位置開擴口，與速度更高的二次風相遇，一次風受卷吸與二次風融合后發生擴展，同時，由于射流本身的旋轉離心作用，增強了

離心趨勢，使射流中心流體離開了軸心位置，形成負壓。外部氣流在壓力梯度的作用下沿軸線回流，當回流至一定位置，一次風提供給流體的動量足以克服逆向壓力梯度時，回流流體便會改變速度方向，隨一次風運動，形成二次回流，這是一、二次風共同作用的結果。在熱態燃燒時，初次回流可以卷吸一部分熱煙氣，對燃料進行初次加熱，此后，二次回流將燃料和高溫煙氣進一步混合，實現再次加熱，這種流場布局可以有效保證著火和穩燃。

2.2 燃燒器擴口長度對回流區的影響

考慮旋流燃燒器幾何尺寸的影響，例如擴口長度，計算了一次風擴口長度為0.5L、L和2L這三種情況。其回流區形狀變化如圖3所示。

從數值模擬結果可見，擴口長度增大，回流區變長、變寬，相應的回流量會加大。另外，隨著一次風擴口長度的增加，同一截面最大風速點的位置遠離中心軸線，這說明旋轉射流的擴展角在增大，卷吸能力在加強。這一現象的產生是因為一次風擴口長度決定了一、二次風的混合點，當二者遭遇時，會發生動量交換。當擴口較短時，一次風會很快與二次風混合，混合后的一、二次風動量克服了回流中心的壓力，使混合流體盡快擴展，在垂直軸線方向體現為射流邊界擴大和回流區封閉，形成了短而窄的回流區。隨著擴口長度的增加，一、二次風在匯合時的速度都在衰減，動量在減小，克服逆壓梯度需要的時間和動量積累相應增加，使回流區前滯止點逐漸后移，擴大了回流區。但是，擴口長度在達到L以后，繼續加長擴口對回流區的增長收效不大，這可能是受流體動量有限性的影響，其克服壓力形成封閉的能力存在上限。由此可見，通過改變擴口長度來擴大回流區保證燃燒時，要考慮選取一個適當值。

不同的擴口長度對回流區內部有不同的影響，從擴口長度為0.5L、L和2L時的流場圖中可以發現，初次回流是普遍存在

的現象，它的存在可以實現燃料和一次風的預熱，而在此過程中，有必要進一步探討其對穩燃的影響。另外，當擴口長度增加時，回流區內部流場復雜化，二次回流位置逐漸向前發展，渦管截面不再平行于對稱軸，呈現收縮趨勢。當擴口長度為2L時，在其他兩種情況所具有的一、二次回流之間又發生了一次回流，而且在軸線位置出現了正向旋流區，發生軸向速度正值。對此進行分析認為，二次回流渦管的收縮是由于二次風的擴展壓制其擴大，從而形成收縮。對擴口長度為2L時的中間回流來說，其成因是因為擴口的加長延遲了一、二次風的混合，所以，一次風的擴展和徑向運動是造成中間回流的主要原因。從圖5中可以發現，該回流區存在于一次風擴展段內，并未受二次風的影響。對正向旋流的生成來說，由于其處于中間回流和二次回流之間，2個旋流外圍流體的流動方向相同，均與軸向相反，誘使中心流體產生同向的流動。對二次回流旋渦而言，其流體的回流抽吸作用在軸向正方向上產生負壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補真空，產生了正向旋流。這個旋流的存在使回流區的流場變得更加復雜，在熱態條件下，該處旋流仍然起到加強高溫煙氣和燃料混合的作用，只不過不再是回流而已。

不同的燃燒器擴口長度使其回流區尺寸和內部流場均發生了變化，其共性是回流區隨擴口長度的增大而增大，回流區內部至少有兩次回流，分別為初次回流和二次回流。當擴口繼續增大時，回流區增大的不明顯，內部將出現中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個意義說，回流區僅僅只是個廣義的概念，并不能代表在其范圍內真實流體的運動特性。

3 結論

共軸同向旋流燃燒器是一種普遍使用的燃燒器，它可以保證熱態時的高效穩燃和燃料加熱。本文通過數值模擬，分析了這種燃燒器回流區內部流場的復雜性——存在多級回流的現象，從熱量有效傳遞的角度而言，這種回流形式可以減少高低溫傳熱損失，是有利于穩燃和換熱的。另外，隨著一次風擴口長度的增加，內部回流區變長、變寬，回流量加大，內部旋流多元化。在實際應用和設計過程中，可以考慮采用長的擴口，但是，這種增長是有一個適當值的。

參考文獻

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及設計[M].北京：科學出版社，1992.

[2]馬貴陽，解茂昭.用RNGκ-ε模型計算內燃機缸內湍流流動[J].燃燒科學與技術，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程氣固多相流動的理論及計算[M].杭州：浙江大學出版社，1990.

[4]吳望一.流體力學[M].北京：北京大學出版社，1982.

〔編輯：白潔〕

摘 要：以旋流燃燒器為對象，利用數值模擬方法研究回流區內部多個旋流的存在和旋流燃燒器擴口長度對回流區的影響，給出了相應的流場分布和回流區模擬結果，以期為今后燃燒器的改進和相關工程設計提供參考。

關鍵詞：旋流燃燒器；數值模擬；回流區；擴口長度；流場

中圖分類號：TK223.23 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃燒器設計中，形成較大范圍的高溫回流區，強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對穩定燃燒非常重要。回流區的特性受燃燒器幾何結構的影響，所以，研究燃燒器回流區的內部流場分布和燃燒器的幾何參數對它的影響是十分必要的。利用數值模擬的方法不但便于研究，還可以有效降低實驗成本，并預測流場變化，指導相關實驗和設計。

1 數學模型

以某油田注汽鍋爐共軸同向旋流燃燒器為研究對象，其結構如圖1所示，中心為燃料噴槍，一、二次風管出口布置有軸向葉片，一次風管內徑和外徑分別為133 mm、346.63 mm，二次風管外徑為585 mm，出口采用擴錐，擴錐角度為40°。本文研究的一次風擴口長度為0.5 L，同時，分析一次風擴口長度為L和2L這兩種情況時，冷態流場回流區的特性。

計算用通用微分方程如下：

采用軸對稱有旋轉的流動方程式（此時，雖然 ，但

2 計算結果及分析

2.1 回流區的成因和結構

在一次風管出口，鑒于一次風的流出及其徑向運動，原來停滯在燃料噴口的流體受卷吸而離開，在噴口前形成真空區。根據流體的連續性介質進行假設，如果外圍流體沿軸線迅速補進，在到達噴口時，受一次風牽引作用而改變方向，在此位置開擴口，與速度更高的二次風相遇，一次風受卷吸與二次風融合后發生擴展，同時，由于射流本身的旋轉離心作用，增強了

離心趨勢，使射流中心流體離開了軸心位置，形成負壓。外部氣流在壓力梯度的作用下沿軸線回流，當回流至一定位置，一次風提供給流體的動量足以克服逆向壓力梯度時，回流流體便會改變速度方向，隨一次風運動，形成二次回流，這是一、二次風共同作用的結果。在熱態燃燒時，初次回流可以卷吸一部分熱煙氣，對燃料進行初次加熱，此后，二次回流將燃料和高溫煙氣進一步混合，實現再次加熱，這種流場布局可以有效保證著火和穩燃。

2.2 燃燒器擴口長度對回流區的影響

考慮旋流燃燒器幾何尺寸的影響，例如擴口長度，計算了一次風擴口長度為0.5L、L和2L這三種情況。其回流區形狀變化如圖3所示。

從數值模擬結果可見，擴口長度增大，回流區變長、變寬，相應的回流量會加大。另外，隨著一次風擴口長度的增加，同一截面最大風速點的位置遠離中心軸線，這說明旋轉射流的擴展角在增大，卷吸能力在加強。這一現象的產生是因為一次風擴口長度決定了一、二次風的混合點，當二者遭遇時，會發生動量交換。當擴口較短時，一次風會很快與二次風混合，混合后的一、二次風動量克服了回流中心的壓力，使混合流體盡快擴展，在垂直軸線方向體現為射流邊界擴大和回流區封閉，形成了短而窄的回流區。隨著擴口長度的增加，一、二次風在匯合時的速度都在衰減，動量在減小，克服逆壓梯度需要的時間和動量積累相應增加，使回流區前滯止點逐漸后移，擴大了回流區。但是，擴口長度在達到L以后，繼續加長擴口對回流區的增長收效不大，這可能是受流體動量有限性的影響，其克服壓力形成封閉的能力存在上限。由此可見，通過改變擴口長度來擴大回流區保證燃燒時，要考慮選取一個適當值。

不同的擴口長度對回流區內部有不同的影響，從擴口長度為0.5L、L和2L時的流場圖中可以發現，初次回流是普遍存在

的現象，它的存在可以實現燃料和一次風的預熱，而在此過程中，有必要進一步探討其對穩燃的影響。另外，當擴口長度增加時，回流區內部流場復雜化，二次回流位置逐漸向前發展，渦管截面不再平行于對稱軸，呈現收縮趨勢。當擴口長度為2L時，在其他兩種情況所具有的一、二次回流之間又發生了一次回流，而且在軸線位置出現了正向旋流區，發生軸向速度正值。對此進行分析認為，二次回流渦管的收縮是由于二次風的擴展壓制其擴大，從而形成收縮。對擴口長度為2L時的中間回流來說，其成因是因為擴口的加長延遲了一、二次風的混合，所以，一次風的擴展和徑向運動是造成中間回流的主要原因。從圖5中可以發現，該回流區存在于一次風擴展段內，并未受二次風的影響。對正向旋流的生成來說，由于其處于中間回流和二次回流之間，2個旋流外圍流體的流動方向相同，均與軸向相反，誘使中心流體產生同向的流動。對二次回流旋渦而言，其流體的回流抽吸作用在軸向正方向上產生負壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補真空，產生了正向旋流。這個旋流的存在使回流區的流場變得更加復雜，在熱態條件下，該處旋流仍然起到加強高溫煙氣和燃料混合的作用，只不過不再是回流而已。

不同的燃燒器擴口長度使其回流區尺寸和內部流場均發生了變化，其共性是回流區隨擴口長度的增大而增大，回流區內部至少有兩次回流，分別為初次回流和二次回流。當擴口繼續增大時，回流區增大的不明顯，內部將出現中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個意義說，回流區僅僅只是個廣義的概念，并不能代表在其范圍內真實流體的運動特性。

3 結論

共軸同向旋流燃燒器是一種普遍使用的燃燒器，它可以保證熱態時的高效穩燃和燃料加熱。本文通過數值模擬，分析了這種燃燒器回流區內部流場的復雜性——存在多級回流的現象，從熱量有效傳遞的角度而言，這種回流形式可以減少高低溫傳熱損失，是有利于穩燃和換熱的。另外，隨著一次風擴口長度的增加，內部回流區變長、變寬，回流量加大，內部旋流多元化。在實際應用和設計過程中，可以考慮采用長的擴口，但是，這種增長是有一個適當值的。

參考文獻

[1]馮俊凱，沈幼庭.鍋爐原理及設計[M].北京：科學出版社，1992.

[2]馬貴陽，解茂昭.用RNGκ-ε模型計算內燃機缸內湍流流動[J].燃燒科學與技術，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程氣固多相流動的理論及計算[M].杭州：浙江大學出版社，1990.

[4]吳望一.流體力學[M].北京：北京大學出版社，1982.

〔編輯：白潔〕