基于PIV的水煤漿氣力式靜電霧化流場(chǎng)特性

鄭捷慶,何宏舟

(1．廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建廈門 361005;2．福建省能源清潔利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(集美大學(xué)),福建廈門 361021)

基于PIV的水煤漿氣力式靜電霧化流場(chǎng)特性

鄭捷慶1,2,何宏舟1,2

(1．廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建廈門 361005;2．福建省能源清潔利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(集美大學(xué)),福建廈門 361021)

為探索高壓靜電場(chǎng)中水煤漿荷電顆粒相的動(dòng)力學(xué)特性,基于新型三級(jí)Y型水煤漿氣力式霧化噴嘴-環(huán)電極的靜電霧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用粒子圖像速度儀(PIV)對(duì)霧炬內(nèi)水煤漿荷電霧滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:在射流邊緣區(qū)域內(nèi)的水煤漿荷電細(xì)小霧滴群在靜電場(chǎng)力的作用下,沿程將偏離常規(guī)霧化的運(yùn)動(dòng)軌跡,靠近電極處的流線發(fā)生明顯的彎曲變形并隨電壓的不斷增強(qiáng)呈現(xiàn)出3種典型形式;荷電霧滴的軸向速度隨電場(chǎng)力增強(qiáng)而減小,并在射流核心區(qū)內(nèi)的沿程截面上分布趨于均勻,徑向速度隨電場(chǎng)力的增強(qiáng)而增加,并在射流核心區(qū)內(nèi)的沿程截面上呈線性分布;流場(chǎng)中雷諾應(yīng)力及渦量均集中分布在射流軸線兩側(cè),隨電場(chǎng)增強(qiáng),雷諾應(yīng)力峰值顯著增加并在橫截面上逐漸外移,隨射流遠(yuǎn)離噴嘴,其截面雷諾應(yīng)力分布趨于平緩。

水煤漿;霧化;靜電場(chǎng);流場(chǎng)

水煤漿是由煤、水和化學(xué)添加劑以一定的比例經(jīng)物理加工配制成的低碳、環(huán)保、節(jié)能的煤基代油燃料,可用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐、油田采暖爐等熱能與動(dòng)力設(shè)備的燃燒[1-3]。由于水煤漿具有黏度高、霧化阻力大、流變特性復(fù)雜等完全不同于燃油的一些特性,故在其實(shí)際工程應(yīng)用中必須結(jié)合氣力式霧化技術(shù)方具有實(shí)用價(jià)值[4-7]。然而,由于其高黏度特性導(dǎo)致漿液霧化分散性較差,極易引起漿體在噴嘴處大塊滴落和霧化粒徑過粗,造成流化不均,相應(yīng)延長(zhǎng)燃燼和水分蒸發(fā)時(shí)間,從而影響其穩(wěn)定著火和燃燒,破壞氣流床的工作穩(wěn)定性,造成爐膛溫度劇烈波動(dòng)甚至熄火[8-9];其次,氣力式霧化介質(zhì)的多少直接影響噴嘴運(yùn)行成本,為滿足氣力式噴嘴運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,應(yīng)盡可能降低氣耗率,但過低的氣耗率難以達(dá)到良好的霧化質(zhì)量[10-11]。水煤漿微細(xì)煤粉顆粒呈不規(guī)則尖銳形狀,若為獲得較好的霧化性能而保持較高的氣耗率,當(dāng)水煤漿在噴嘴內(nèi)與高速氣流進(jìn)行動(dòng)量交換并被加速時(shí),尖銳的煤粉固體顆粒不可避免地將與噴嘴孔內(nèi)壁高速摩擦,加劇噴嘴的磨損,造成氣力式噴嘴的壽命降低[12]。以上兩個(gè)問題在很大程度上制約了水煤漿技術(shù)的進(jìn)一步推廣使用。筆者利用靜電霧化技術(shù)輔助氣力式霧化,設(shè)計(jì)了水煤漿三級(jí)Y型靜電霧化噴嘴[4],通過前期利用高速攝影儀對(duì)水煤漿靜電霧化流場(chǎng)形貌的研究發(fā)現(xiàn)[4,13]:所施加的電場(chǎng)力對(duì)于流場(chǎng)的影響直接導(dǎo)致了流場(chǎng)漸擴(kuò),霧滴的彌散度不斷提高。理論上,該技術(shù)有望克服水煤漿霧炬核心區(qū)貧氧燃燒的難題,對(duì)于提高水煤漿的燃燒穩(wěn)定性及降低污染物排放是非常有利的[14-15]。

基于此,筆者利用PIV對(duì)該三級(jí)Y型水煤漿氣力式靜電霧化的荷電顆粒相流場(chǎng)特性進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究與分析,探索靜電場(chǎng)對(duì)霧化流場(chǎng)所產(chǎn)生的影響,以此驗(yàn)證水煤漿靜電霧化技術(shù)優(yōu)于常規(guī)霧化技術(shù)的特點(diǎn),為其工業(yè)化應(yīng)用提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)配置及方法

實(shí)驗(yàn)用水煤漿由山西大同煤與水及化學(xué)添加劑經(jīng)充分?jǐn)嚢枧渲枚?其物性參數(shù)及流變特性見文獻(xiàn)[4]。圖1為水煤漿氣力式靜電噴霧流場(chǎng)的PIV測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng),其中水煤漿三級(jí)Y型常規(guī)氣力式霧化噴嘴結(jié)構(gòu)、靜電霧化試驗(yàn)臺(tái)架參見文獻(xiàn)[4],環(huán)電極-噴嘴配置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 水煤漿氣力式靜電霧化PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig．1 PIV experimental set-up for CWS electrostatic atomization

圖2 噴嘴、電極、捕集桶相對(duì)位置Fig．2 Layout of nozzle,electrode,and trap bucket

PIV系統(tǒng)采用美國(guó)TSI公司2000年的產(chǎn)品,根據(jù)PIV測(cè)量所遵循的原則及噴霧射流速度,系統(tǒng)的主要參數(shù)設(shè)置為:脈沖間隔150 μs,脈沖延遲200 μs,查問區(qū)域32 pixel×32 pixel。本文水煤漿靜電霧化形成的最大霧滴粒徑小于200 μm,散射性較好,滿足測(cè)量需要,由于獲取的圖像即為水煤漿霧滴實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況,因此對(duì)粒徑的要求不涉及跟隨性的問題。試驗(yàn)中,漿壓與氣壓由穩(wěn)壓閥控制保持0．3 MPa,漿液流量保持7．5 kg/h,氣漿比保持0．1,電壓范圍為0～30 kV。待管路系統(tǒng)及高壓電路系統(tǒng)正常運(yùn)行,各種參數(shù)測(cè)量?jī)x表讀數(shù)穩(wěn)定之后,關(guān)閉室內(nèi)燈光,打開激光光源,照亮水煤漿霧炬,形成片光區(qū)。由計(jì)算機(jī)控制同步器并調(diào)好CCD相頭焦距,拍攝霧炬片光區(qū)中的查問區(qū),查問區(qū)頂面挨著銅環(huán)電極,查問區(qū)范圍為150 mm×185 mm。

試驗(yàn)采用的氣力式噴嘴直徑為2 mm,射流核心區(qū)在0～20 mm,由于充電電極安放在離噴嘴軸向距離20 mm,因此PIV測(cè)量的是射流的過渡段及主體段的流場(chǎng)分布情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電場(chǎng)對(duì)射流流場(chǎng)的影響

(1)電場(chǎng)對(duì)流線的影響。

不同電壓下流場(chǎng)的局部流線變化如圖3所示。由圖可知,在霧炬測(cè)量區(qū)域內(nèi),隨著充電電壓的不斷升高,霧化流場(chǎng)發(fā)生了顯著變化。該變化主要集中在射流邊緣區(qū)域,電壓的不斷增加使流場(chǎng)中更多的霧滴達(dá)到庫侖分裂極限,從而出現(xiàn)大量小霧滴群,小霧滴慣性力較小,其所受電場(chǎng)力指向充電環(huán)電極方向。因此在不斷增強(qiáng)的電場(chǎng)力作用下,沿程不斷偏離常規(guī)霧化的運(yùn)動(dòng)軌跡。環(huán)電極所形成的感應(yīng)電場(chǎng)越強(qiáng),霧滴荷電量越大,小霧滴群向環(huán)電極方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越強(qiáng)烈,致使射流邊緣區(qū)域靠近電極處的流線發(fā)生明顯彎曲變形,即卷吸現(xiàn)象。它隨電壓的不斷增強(qiáng)呈現(xiàn)3種形式:①輕微偏離形式,即在電壓達(dá)到5 kV左右時(shí),流場(chǎng)中僅有少量小霧滴改變速度方向,因?yàn)榇藭r(shí)電場(chǎng)力還不是很大(圖3(b));② 弧狀卷吸形式,即電壓達(dá)到10 kV以上時(shí),流場(chǎng)中大量小霧滴在電場(chǎng)力的牽引下先產(chǎn)生流線彎曲,而后逆向朝電極方向運(yùn)動(dòng),電壓越高,發(fā)生彎曲的流線數(shù)量越多,彎曲的角度也越大,卷吸作用越明顯(圖3(c)～(e));③渦狀卷吸形式,即電壓達(dá)到25 kV之后,電場(chǎng)力對(duì)流線的影響已滲透到流場(chǎng)內(nèi)部,霧炬張開的角度使以上兩種彎曲卷吸流線不在測(cè)量區(qū)域之內(nèi),取而代之的是流場(chǎng)內(nèi)部區(qū)域的渦狀卷吸(圖3(f))。該電場(chǎng)力導(dǎo)致的流場(chǎng)強(qiáng)烈卷吸擾動(dòng)將使水煤漿霧滴與空氣充分混合,有效延長(zhǎng)顆粒在燃燒室停留時(shí)間,促進(jìn)完全燃燒。

圖3 不同電壓的流場(chǎng)局部流線Fig．3 Partial streamlined diagrams of flow field under different charged voltages

(2)沿程中心軸向速度分布。

以噴嘴直徑d作為特征長(zhǎng)度,射流離開電極軸向距離y除以d為無量綱長(zhǎng)度,射流通過電極平面中心的速度v0為特征速度,射流中心軸向速度v除以v0為無量綱速度,所得射流中心軸向無量綱速度分布情況如圖4所示。由圖4可知,在相同的軸向位置,霧滴未荷電的無量綱流速顯著大于荷電之后的無量綱流速。對(duì)于荷電之后的無量綱流速,在y/d=55處可將其左右大致分為兩個(gè)區(qū)域:y/d≤55,充電電壓對(duì)無量綱流速的影響呈脈動(dòng)規(guī)律,另外無量綱流速沿程緩慢減少,在這個(gè)區(qū)域內(nèi),v/v0≥0．9,可將此區(qū)域歸為射流過渡區(qū);y/d≥55,電場(chǎng)對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)速度的影響被放大,此時(shí)無量綱流速沿程加速遞減,同時(shí)電壓越大則相同位置的中心軸向流速越小,可將此區(qū)域歸為主體區(qū)。

圖4 不同電壓的射流中心軸向速度分布Fig．4 Axial velocity distribution of spray central line under different charged voltages

由此可知,在電場(chǎng)力拽曳下(此力與霧滴軸向運(yùn)動(dòng)方向相反),霧滴沿程速度(主流速度)衰減加速。但在射流過渡區(qū)與主體區(qū)內(nèi),電場(chǎng)力對(duì)霧滴的影響規(guī)律不同,這與兩個(gè)區(qū)域內(nèi)霧滴顆粒大小以及荷電量分布有很大關(guān)系。過渡區(qū)內(nèi)由于霧滴庫倫分裂現(xiàn)象的出現(xiàn)導(dǎo)致大顆粒與小顆粒并存,顆粒質(zhì)量及荷電量大小分布的高度隨機(jī)性導(dǎo)致電場(chǎng)力對(duì)霧滴流速的影響復(fù)雜,因此電壓與無量綱速度之間并不存在必然聯(lián)系。而在主體區(qū)內(nèi),慣性力較小的小顆粒經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)已經(jīng)離開軸線中心區(qū)而飄向射流外圍,中心區(qū)內(nèi)僅剩大量的大顆粒霧滴,此時(shí)電場(chǎng)力對(duì)其影響的機(jī)理單純,電場(chǎng)力越大,霧滴向前運(yùn)動(dòng)的阻力就越大,因此速度衰減就越快。

五是優(yōu)化水資源配置和調(diào)度。加快南水北調(diào)工程建設(shè)，構(gòu)建我國(guó)“四橫三縱、南北調(diào)配、東西互濟(jì)”的水資源戰(zhàn)略配置格局。繼續(xù)發(fā)揮區(qū)域水資源配置工程作用，緩解局部地區(qū)嚴(yán)重缺水的狀況。積極探索河湖水系連通，構(gòu)建引得進(jìn)、蓄得住、排得出、可調(diào)控的江河湖庫水網(wǎng)體系，實(shí)現(xiàn)調(diào)水引流、多源互補(bǔ)、豐枯調(diào)劑、以清釋污。加強(qiáng)水庫群聯(lián)合調(diào)度，全面發(fā)揮水庫的調(diào)蓄功能，保障生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水需求。

(3)沿程橫截面軸向速度分布。

以射流離開電極中心橫向距離x除以d作為無量綱長(zhǎng)度,射流通過距離電極y的平面軸向最大速度vy,max為特征速度(x/d=0),(x,y)處的軸向速度v除以vy,max為無量綱速度,所得不同的y/d對(duì)應(yīng)不同電壓下的軸向速度無量綱速度分布情況如圖5所示。

在電壓為0的常規(guī)霧化流場(chǎng),沿程各個(gè)橫截面的無量綱軸向速度均大于0。而在高壓靜電場(chǎng)中,由于電場(chǎng)力的拖曳作用,圖5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示荷電射流在各個(gè)橫截面上的不同位置開始出現(xiàn)部分初始動(dòng)量較小的霧滴在主流方向上滯止并開始逆向流動(dòng),隨著無量綱軸向長(zhǎng)度增加(霧滴荷電量有所衰減,電場(chǎng)強(qiáng)度減小,電場(chǎng)力影響效果下降),則逆向流動(dòng)的軸向無量綱速度有所下降。另外相同橫截面上如果感應(yīng)電場(chǎng)越強(qiáng),則無量綱速度越大,參與逆向流動(dòng)的霧滴數(shù)量增多,這說明強(qiáng)電場(chǎng)使得射流主體之外邊緣區(qū)域內(nèi)小霧滴的卷吸效果增強(qiáng)。

圖5 電壓對(duì)射流沿程橫截面軸向速度的影響Fig．5 Effect of charged voltage on axial velocity along spray cross-sections

對(duì)于流場(chǎng)中相同的橫截面,電場(chǎng)強(qiáng)度大小對(duì)速度梯度大小有一定的影響,從圖5可以看出,二者呈正比關(guān)系。假定霧滴粒徑在橫截面上均勻分布(實(shí)際情況不是如此,但在射流核心區(qū)較小范圍內(nèi),可以這么認(rèn)為),那么同一位置,電場(chǎng)力大小就可以反映該位置霧滴荷電量的大小。由于速度梯度可以在一定程度上反映橫截面上霧滴所受電場(chǎng)力大小的變化,那么速度梯度從某種意義上講可以表征橫截面上各位置霧滴荷電量的分布規(guī)律。因此圖5的速度梯度變化情況表明,在相同截面上霧滴荷電量沿橫向增加,且強(qiáng)電場(chǎng)比弱電場(chǎng)增加的速度快一些。

如果將射流沿程橫截面上無量綱速度v/vy,max≈0．1處的x/d作為射流半厚度的特征值來表征射流主體沿程厚度變化情況的話,則由圖5可知,射流主體在發(fā)展初期沿程軸向迅速開始擴(kuò)大,直至y/d=61這種趨勢(shì)才開始減緩。相比于未荷電射流,荷電射流主體厚度特征值均比未荷電射流小得多。這反映了在電場(chǎng)力作用下,射流主體流場(chǎng)中荷電霧滴不斷被拉開直至脫離核心區(qū),從而使得荷電霧滴在流場(chǎng)中彌散程度高于非荷電霧滴。這種效應(yīng)促使射流主體區(qū)域燃燒時(shí)更易形成富氧條件。

在相同電壓(10 kV)下,射流發(fā)展過程中,軸向速度在橫截面上的分布逐漸趨于平緩(圖6)。這表明在遠(yuǎn)離噴嘴的位置,電場(chǎng)力的作用效果并不明顯,流場(chǎng)開始趨于各向同性。

2.2 電場(chǎng)對(duì)雷諾應(yīng)力的影響

圖6 射流沿程軸向無量綱速度的橫向平面分布Fig．6 Horizontal distribution of nondimensional axial velocity along spray

以霧滴的瞬時(shí)脈動(dòng)速度u′及v′來表征其徑向(橫向)與軸向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度,以射流離開電極軸向距離x除以d作為無量綱長(zhǎng)度,所得不同y/d對(duì)應(yīng)的不同電壓下的雷諾應(yīng)力分布情況如圖7所示。根據(jù)雷諾應(yīng)力的大小可將射流沿程橫截面分為3個(gè)區(qū)域來分析電場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)中霧滴速度脈動(dòng)的影響。

(1)沿程軸線中心區(qū)域。

隨著霧滴通過電極平面之后,軸線中心區(qū)域的雷諾應(yīng)力在沿程各個(gè)橫截面存在一個(gè)先減少后增加的過程,這是本文實(shí)驗(yàn)所采用的氣力式噴嘴霧化的共性,不受電場(chǎng)強(qiáng)度影響。在同一截面處,雷諾應(yīng)力均隨著電場(chǎng)增強(qiáng)而有不同程度增加,沿程距離越大,電場(chǎng)對(duì)雷諾應(yīng)力的影響越強(qiáng)烈。

(2)峰值區(qū)域。

沿程不同橫截面均存在一個(gè)顯著的雷諾應(yīng)力峰值區(qū)域,這與該區(qū)域相對(duì)應(yīng)的射流剪切速度最強(qiáng)有關(guān)。由圖7可以看出:①隨沿程距離不斷增大,射流剪切速度最強(qiáng)區(qū)域逐漸外移(圖6),此時(shí)雷諾應(yīng)力峰值亦逐漸向流場(chǎng)兩側(cè)外移;②隨沿程距離不斷增大,同一平面上射流剪切速度梯度降低(圖6),此時(shí)流場(chǎng)中雷諾應(yīng)力分布集中度顯著下降。以上兩點(diǎn)充分說明雷諾應(yīng)力分布與射流剪切速度強(qiáng)弱呈正比關(guān)系。另外,電場(chǎng)強(qiáng)度大小還影響著雷諾應(yīng)力峰值大小:電壓在10 kV以內(nèi)時(shí),電壓越大則雷諾應(yīng)力峰值越大,大于10 kV后,圖7中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示電壓增加使沿程不同截面的雷諾應(yīng)力峰值出現(xiàn)波動(dòng)。

圖7 電壓對(duì)射流沿程橫截面雷諾應(yīng)力分布的影響Fig．7 Effect of charged voltage on cross-sectional Reynolds stress distribution along spray

(3)射流邊緣區(qū)域。

射流邊緣區(qū)域由于截面剪切速度梯度極小(圖6),所以該區(qū)域雷諾應(yīng)力最小。圖7中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,射流尾部的雷諾應(yīng)力受電場(chǎng)影響較為明顯,電壓越大,雷諾應(yīng)力越大。

2.3 電場(chǎng)對(duì)湍動(dòng)能的影響

以霧滴的瞬時(shí)脈動(dòng)速度u′及v′來表征其徑向(橫向)與軸向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。圖8及圖9分別給出了無量綱軸向長(zhǎng)度為1．5,21,47及61處流場(chǎng)半截面的徑向與軸向瞬時(shí)脈動(dòng)情況。

圖8 徑向瞬時(shí)脈動(dòng)速度Fig．8 Radial transient fluctuation velocity

圖9 軸向瞬時(shí)脈動(dòng)速度Fig．9 Axial transient fluctuation velocity

(1)徑向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。

由圖8可見,常規(guī)霧化時(shí),軸向各個(gè)斷面的徑向湍流強(qiáng)度波動(dòng)不明顯,基本保持一穩(wěn)定值。施加電場(chǎng)之后,總體上霧滴徑向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度隨靜電力增強(qiáng)而增強(qiáng)。在y/d=1．5處橫斷面上,流場(chǎng)軸線處(即x/ d=0)湍流脈動(dòng)強(qiáng)度高于整個(gè)橫斷面的均值,而后在x/d≈5處迅速達(dá)到一個(gè)峰值,在x/d≈10處迅速下降,直至x/d≈35保持在一較小的穩(wěn)定值附近波動(dòng),最后在射流流場(chǎng)邊緣之處由于兩相強(qiáng)烈摻混作用又迅速提升至一較大值。隨著霧滴遠(yuǎn)離電極向前運(yùn)動(dòng),軸線處霧滴徑向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度減小,橫截面上的湍流強(qiáng)度峰值亦隨之減少,且隨著含能渦團(tuán)逐漸向外圍輸運(yùn),徑向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度峰值亦逐漸向流場(chǎng)外圍擴(kuò)展。其次,對(duì)于電極電壓≤10 kV的流場(chǎng),在霧滴運(yùn)動(dòng)至y/d=21之后,電場(chǎng)對(duì)各個(gè)橫截面的湍流速度波動(dòng)的影響已經(jīng)減弱,表現(xiàn)為峰值不明顯且各橫截面徑向速度脈動(dòng)值差異不大。

(2)軸向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。

首先,與徑向速度脈動(dòng)不同,軸向(即主流方向)湍流脈動(dòng)強(qiáng)度峰值在各個(gè)橫截面上的分布位置基本固定在x/d=10附近,隨霧滴的運(yùn)動(dòng)距離而略向外圍偏移,由此可見含能渦團(tuán)的外移主要還是受橫向速度脈動(dòng)的影響。在遠(yuǎn)離電極處,軸線處大顆粒霧滴主流速度的衰減使得其易受氣相擾動(dòng)的影響,此時(shí)軸向速度湍流脈動(dòng)強(qiáng)度在橫斷面上逐漸由陡峭的單峰分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰分布。

其次,電場(chǎng)對(duì)軸向湍流脈動(dòng)強(qiáng)度峰值的影響亦與之對(duì)徑向速度脈動(dòng)的作用相反,即電壓越大則軸向速度脈動(dòng)強(qiáng)度越小,該現(xiàn)象在近電極處(y/d=1．5)尤為明顯,但在遠(yuǎn)離電極處(y/d=61),圖9(d)顯示電場(chǎng)對(duì)軸向速度脈動(dòng)的影響不大,幾組電壓工況下軸向速度脈動(dòng)沿橫截面的分布規(guī)律及強(qiáng)度基本一致?？偟膩砜?電壓大于15 kV后,各種工況下軸向湍流速度脈動(dòng)強(qiáng)度的分布曲線較為扁平。這說明強(qiáng)電場(chǎng)作用下,水煤漿流場(chǎng)中的軸向速度脈動(dòng)分布較為平均。

3 結(jié) 論

(1)荷電射流卷吸氣體的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在霧炬邊緣區(qū)域內(nèi),細(xì)小霧滴群在不斷增強(qiáng)的電場(chǎng)力的作用下,沿程不斷偏離常規(guī)霧化所運(yùn)動(dòng)的軌跡。感應(yīng)電場(chǎng)越強(qiáng),小霧滴群向環(huán)電極方向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越強(qiáng)烈,致使射流邊緣區(qū)域靠近電極處的流線發(fā)生明顯的彎曲變形并隨電壓的不斷增強(qiáng)呈現(xiàn)出了3種典型形式。這種電場(chǎng)力導(dǎo)致的流場(chǎng)強(qiáng)烈卷吸擾動(dòng)將使水煤漿霧滴與空氣充分混合,有效延長(zhǎng)顆粒在燃燒室的停留時(shí)間,促進(jìn)完全燃燒。

(2)水煤漿霧滴荷電之后,沿程軸向速度及徑向速度將發(fā)生改變,總體而言,電場(chǎng)力越強(qiáng),軸向速度一定程度上將減少并在射流核心區(qū)內(nèi)的沿程截面上分布趨于均勻,而徑向速度在一定程度上將增加并在射流核心區(qū)內(nèi)的沿程截面上呈線性分布,隨電壓的增大,其斜率增大。

(3)流場(chǎng)中雷諾應(yīng)力及渦量均集中分布在射流軸線兩側(cè),隨電場(chǎng)增強(qiáng),雷諾應(yīng)力峰值顯著增加,并在橫截面上逐漸外移,隨射流遠(yuǎn)離噴嘴其截面雷諾應(yīng)力分布趨于平緩。

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PIV study on spray field of coal-water slurry air-blast electrostatic atomization

ZHENG Jie-qing1,2,HE Hong-zhou1,2
(1.School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China;2.Fujian Province Key Laboratory of Energy Cleaning Utilization and Development(Jimei University),Xiamen 361021,China)

In order to explore dynamic characteristics of coal water slurry charged particle in the high voltage electrostatic field,using particle image velocimeter(PIV),an electrostatic atomization experiment system consisting of a novel three-level Y-type spraying-pneumatic atomizing nozzles and a ring electrode was applied to perform an in-depth study on the dynamic characteristics of charged coal-water slurry(CWS)droplets in a high voltage electrostatic field．Experimental results indicate that:the trajectory of fine coal-water slurry droplets clusters at the edge area of the spray field deviated from conventional atomization under the action of static electric force．The streamlines near the electrode obviously bend and deform,which would present three typical forms with the increasing voltage．The axial velocity of charged droplets of coal-water slurry would decrease and distribute more evenly while the radial velocity would increase and distribute linearly along the spraying developing sections of radial direction with the increasing electrostatic force．Reynolds stress and vortices in the flow field would be concentrated in the spray axis on both sides,the peak value of Reynolds stress would increase significantly and gradually move out on the cross with the electric field enhanced．Reynolds stress would distribute more smoothly as the spray developing away from the nozzle．

coal-water slurry;atomization;electrostatic field;flow field

TD849;TQ536．1

A

0253-9993(2014)11-2321-07

2013-11-15 責(zé)任編輯:張曉寧

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2012H0031);福建省科技廳高校專項(xiàng)資助項(xiàng)目(JK2011028)

鄭捷慶(1973—),男,福建永春人,副教授,博士。Tel:0592-6183523,E-mail:zhjieqing@126．com

鄭捷慶,何宏舟．基于PIV的水煤漿氣力式靜電霧化流場(chǎng)特性[J]．煤炭學(xué)報(bào),2014,39(11):2321-2327．

10．13225/j．cnki．jccs．2013．1696

Zheng Jieqing,He Hongzhou．PIV study on spray field of coal-water slurry air-blast electrostatic atomization[J]．Journal of China Coal Society,2014,39(11):2321-2327．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2013．1696