彎管和文丘里管組合結(jié)構(gòu)燃燒器內(nèi)氣固兩相流動(dòng)的數(shù)值分析

楊 茉，康張陽(yáng)，2，郭春筍

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093；2.西安交通大學(xué) 熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049）

濃淡分離的燃燒器越來(lái)越多地應(yīng)用在大中型電站鍋爐中，這種燃燒器具有降低著火點(diǎn)、穩(wěn)燃、降低NOx生成量等特點(diǎn).彎管和文丘里管在煤粉燃燒器中都是有助于加強(qiáng)濃淡分離的重要結(jié)構(gòu).彎管的離心作用使煤粉氣流發(fā)生分流，從而實(shí)現(xiàn)水平或者上下的濃淡分離，但同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)濃側(cè)煤粉氣流貼壁現(xiàn)象.當(dāng)煤粉氣流通過(guò)文丘里管時(shí)，會(huì)在出口處形成中間濃、四周淡的分離效果.彎管內(nèi)過(guò)分貼壁的煤粉氣流勢(shì)必會(huì)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(jié)焦，影響了鍋爐的安全運(yùn)行.為了克服彎管濃淡分離貼壁的缺點(diǎn)，采用彎管后接文丘里管的組合結(jié)構(gòu)，既能夠達(dá)到濃淡分離的效果，又能使煤粉不貼壁，達(dá)到中心給粉的目的.

關(guān)于彎管和文丘里管的試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬很多.周昊等［1］采用試驗(yàn)和數(shù)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(duì)管內(nèi)氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.謝菲等［3］對(duì)文丘里管內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬.周志軍等［4］模擬了不同結(jié)構(gòu)尺寸文丘里管內(nèi)的氣固兩相流動(dòng).Lee J等［5］對(duì)文丘里管內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論研究.

筆者應(yīng)用Fluent流體仿真軟件模擬彎管和文丘里管組合結(jié)構(gòu)燃燒器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)，研究了這種燃燒器的濃淡分離特性，對(duì)比了不同密度和粒徑煤粉顆粒的氣固兩相流動(dòng)，得到這種新型的濃淡燃燒器對(duì)不同煤種和粒徑的分離效果，并改變?nèi)紵骶植砍叽?，研究其?duì)燃燒器性能的影響.

1 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算條件

1.1 模型建立

計(jì)算區(qū)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(jié)構(gòu)的情況.

1.2 數(shù)學(xué)模型和假設(shè)

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

針對(duì)本次研究對(duì)象的特點(diǎn)，考慮到氣固兩相流動(dòng)的實(shí)際特性，進(jìn)行如下假設(shè)：（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(zhì)不變.（2）流動(dòng)為三維、定常、不可壓縮、等溫流動(dòng).（3）不考慮分子擴(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)固體顆粒運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(shù)Re＝765 368.

固體顆粒都是球形且直徑相同，固相給定入口質(zhì)量流率.顆粒均勻分布在入口截面上，每個(gè)網(wǎng)格單元追蹤的個(gè)體顆粒數(shù)為10個(gè).

（2）壁面條件：采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法作近壁面處理.采用無(wú)滑移邊界條件；顆粒相在壁面處滿足沒(méi)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(wǎng)格劃分

采用不同數(shù)量級(jí)的網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格的敏感性進(jìn)行了無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，最終確定使用1.0×105～1.5×105個(gè)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.

2 結(jié)果和討論

為了驗(yàn)證模擬方法的正確性，對(duì)Lee［5］的試驗(yàn)工況進(jìn)行了數(shù)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(jié)果與Lee試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，橫坐標(biāo)是固氣比Z，縱坐標(biāo)是壓差比，Δpm和Δpg分別是混合物和氣體通過(guò)文丘里管的壓差值.從圖2可以看出，模擬結(jié)果和Lee的試驗(yàn)結(jié)果近似，說(shuō)明采用的模擬方法是正確的.

圖2 模擬結(jié)果與Lee試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(jì)算過(guò)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(jié)構(gòu)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(qū)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(jié)構(gòu)既能達(dá)到濃淡分離的效果，而且實(shí)現(xiàn)了中間給粉、高濃度區(qū)域不貼壁的效果.

圖3 不同結(jié)構(gòu)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(shù)［9］，定義為

式中：H為進(jìn)口寬度的一半，m；U0為進(jìn)口氣流速度，m／s.

在模擬彎管和文丘里管組合結(jié)構(gòu)燃燒器內(nèi)的氣固兩相流動(dòng)時(shí)，筆者計(jì)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(duì)穩(wěn)定后粒徑為10μm 的顆粒在不同St下所對(duì)應(yīng)的出口煤粉濃度，可見(jiàn)對(duì)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(duì)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(lái)越少.由于流經(jīng)整個(gè)燃燒器的氣流速度非?？?，這種高Re的湍流使得煤粉流呈現(xiàn)出一種無(wú)序的形態(tài)，在出口表現(xiàn)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(jié)構(gòu)對(duì)10μm 小顆粒的分離作用較差，出口下部仍然存在較大數(shù)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(duì)穩(wěn)定后粒徑為50μm 的顆粒在不同St下所對(duì)應(yīng)的出口煤粉濃度.彎管和文丘里管的組合結(jié)構(gòu)使得出口煤粉濃度核心區(qū)集中在中心的上部，并不貼壁.隨著St的增大，與進(jìn)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?yàn)槠銼t在1附近，此時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí).結(jié)合圖6發(fā)現(xiàn)，對(duì)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(qiáng)，濃度核心的最大煤粉濃度也在增大，有向核心區(qū)濃縮的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)［9］的結(jié)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(duì)穩(wěn)定后粒徑為100μm 的顆粒在不同St下所對(duì)應(yīng)的出口煤粉濃度.隨著St的增大，出口煤粉濃度核心由一個(gè)逐漸變成兩個(gè)，這兩個(gè)濃度核心之間的距離不斷變大，并有在其下方出現(xiàn)第三個(gè)核心的趨勢(shì).這是因?yàn)镾t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(xiàn)出大顆粒特性.圖7表示了密度對(duì)出口最大煤粉質(zhì)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(qū)域的增大，高濃度區(qū)域有均勻化的趨勢(shì).

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(duì)出口最大煤粉質(zhì)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(jié)構(gòu)時(shí)上壁面的煤粉濃度分布，越亮的地方濃度越高.在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)St≤0.1時(shí)，小顆粒有較好的跟隨性，顆粒彌散在上壁面；當(dāng)0.1＜St＜2.1時(shí)，氣相對(duì)顆粒的拖拽力和顆粒相自身的慣性力處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，上壁面產(chǎn)生一個(gè)濃度核心區(qū)，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(diǎn)上；當(dāng)St≥2.1時(shí)，顆粒的慣性力大于氣相的拖拽力，表現(xiàn)為濃度核心后移（以流動(dòng)方向?yàn)榍埃?，并且濃度核心區(qū)域變寬，在彎管和文丘里管交界處產(chǎn)生兩個(gè)濃度核心.這就解釋了圖4、圖5和圖6所出現(xiàn)的出口濃度分布形式.

圖8 組合結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變化的影響

為了研究燃燒器結(jié)構(gòu)變化對(duì)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?yún)^(qū)域和出口中心線.通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果，研究了燃燒器性能的變化.當(dāng)St在1附近時(shí)，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(gè)數(shù)量級(jí)，所以統(tǒng)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)燃燒器所對(duì)應(yīng)的出口水平中心線處的平均煤粉質(zhì)量濃度.彎管角度由30°變化到60°的過(guò)程中，中心線處的煤粉平均質(zhì)量濃度逐漸增加，即分布在中心線處的煤粉是增加的.結(jié)合圖11可知，在此過(guò)程中煤粉向出口上半部分移動(dòng)聚集，因此彎管角度為60°時(shí)，中心線處的煤粉平均質(zhì)量濃度大于彎管角度為30°的情況.彎管角度繼續(xù)增大，大部分煤粉已越過(guò)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(zhì)量濃度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩種情況.當(dāng)文丘里管漸縮段L增加時(shí)，中心線處的煤粉平均質(zhì)量濃度有減小的趨勢(shì).結(jié)合圖11，發(fā)現(xiàn)上半?yún)^(qū)域的煤粉質(zhì)量濃度增加，說(shuō)明隨著文丘里管漸縮段的增長(zhǎng)，煤粉濃淡分離作用增強(qiáng).

當(dāng)彎管角度和文丘里管漸縮段長(zhǎng)度L變化時(shí)，圖11給出燃燒器出口處上半?yún)^(qū)域的煤粉平均質(zhì)量濃度曲線.由圖11可知，隨著彎管角度的增大，上半?yún)^(qū)域的煤粉平均質(zhì)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(xiàn)象越明顯.出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閺澒芙嵌仍酱螅悍劢?jīng)過(guò)彎管時(shí)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(duì)于彎管角度變化帶來(lái)的影響，文丘里管漸縮段長(zhǎng)度變化的影響較小，L增大時(shí)，大角度情況下燃燒器上半部的煤粉平均質(zhì)量濃度先減小后增大.但結(jié)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(qiáng)的，文丘里管漸縮段越長(zhǎng)，煤粉的積聚越明顯.

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

圖11 出口上半?yún)^(qū)域的煤粉平均質(zhì)量濃度Fig.11 Average outlet mass concentration in the upside area

3 結(jié) 論

（1）彎管和文丘里管的組合結(jié)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)濃淡分離的效果，又能實(shí)現(xiàn)中間給粉和高濃度區(qū)域不貼壁的效果.

（2）彎管和文丘里管的組合結(jié)構(gòu)對(duì)10μm 小顆粒的出口濃淡分離效果較差，主要是因?yàn)樾☆w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(jié)構(gòu)對(duì)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(qū)域減小且有濃縮的趨勢(shì).

（4）對(duì)于100μm 的顆粒，出口濃度核心隨著St的增大由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)，核心間的距離增加，最大煤粉質(zhì)量濃度減小且有平均化的趨勢(shì).

（5）改變?nèi)紵鞯木植砍叽鐣r(shí)，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(zhǎng)，煤粉的積聚作用越明顯.

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