共軸同向旋流燃燒器擴口長度對回流區(qū)影響的數(shù)值模擬

劉曉峰+賈建華

摘 要：以旋流燃燒器為對象，利用數(shù)值模擬方法研究回流區(qū)內(nèi)部多個旋流的存在和旋流燃燒器擴口長度對回流區(qū)的影響，給出了相應的流場分布和回流區(qū)模擬結(jié)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(shù)值模擬；回流區(qū)；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(qū)，強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對穩(wěn)定燃燒非常重要?；亓鲄^(qū)的特性受燃燒器幾何結(jié)構(gòu)的影響，所以，研究燃燒器回流區(qū)的內(nèi)部流場分布和燃燒器的幾何參數(shù)對它的影響是十分必要的。利用數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(tài)流場回流區(qū)的特性。

計算用通用微分方程如下：

采用軸對稱有旋轉(zhuǎn)的流動方程式（此時，雖然 ，但

2 計算結(jié)果及分析

2.1 回流區(qū)的成因和結(jié)構(gòu)

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(qū)。根據(jù)流體的連續(xù)性介質(zhì)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(fā)生擴展，同時，由于射流本身的旋轉(zhuǎn)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(jié)果。在熱態(tài)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(xiàn)再次加熱，這種流場布局可以有效保證著火和穩(wěn)燃。

2.2 燃燒器擴口長度對回流區(qū)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(qū)形狀變化如圖3所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果可見，擴口長度增大，回流區(qū)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(zhuǎn)射流的擴展角在增大，卷吸能力在加強。這一現(xiàn)象的產(chǎn)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(fā)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(xiàn)為射流邊界擴大和回流區(qū)封閉，形成了短而窄的回流區(qū)。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(qū)前滯止點逐漸后移，擴大了回流區(qū)。但是，擴口長度在達到L以后，繼續(xù)加長擴口對回流區(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)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(fā)現(xiàn)，初次回流是普遍存在

的現(xiàn)象，它的存在可以實現(xiàn)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(wěn)燃的影響。另外，當擴口長度增加時，回流區(qū)內(nèi)部流場復雜化，二次回流位置逐漸向前發(fā)展，渦管截面不再平行于對稱軸，呈現(xiàn)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(fā)生了一次回流，而且在軸線位置出現(xiàn)了正向旋流區(qū)，發(fā)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(fā)現(xiàn)，該回流區(qū)存在于一次風擴展段內(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)生負壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補真空，產(chǎn)生了正向旋流。這個旋流的存在使回流區(qū)的流場變得更加復雜，在熱態(tài)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(qū)尺寸和內(nèi)部流場均發(fā)生了變化，其共性是回流區(qū)隨擴口長度的增大而增大，回流區(qū)內(nèi)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(xù)增大時，回流區(qū)增大的不明顯，內(nèi)部將出現(xiàn)中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個意義說，回流區(qū)僅僅只是個廣義的概念，并不能代表在其范圍內(nèi)真實流體的運動特性。

3 結(jié)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(tài)時的高效穩(wěn)燃和燃料加熱。本文通過數(shù)值模擬，分析了這種燃燒器回流區(qū)內(nèi)部流場的復雜性——存在多級回流的現(xiàn)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(wěn)燃和換熱的。另外，隨著一次風擴口長度的增加，內(nèi)部回流區(qū)變長、變寬，回流量加大，內(nèi)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(nèi)燃機缸內(nèi)湍流流動[J].燃燒科學與技術(shù)，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(shù)值模擬方法研究回流區(qū)內(nèi)部多個旋流的存在和旋流燃燒器擴口長度對回流區(qū)的影響，給出了相應的流場分布和回流區(qū)模擬結(jié)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(shù)值模擬；回流區(qū)；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(qū)，強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對穩(wěn)定燃燒非常重要?；亓鲄^(qū)的特性受燃燒器幾何結(jié)構(gòu)的影響，所以，研究燃燒器回流區(qū)的內(nèi)部流場分布和燃燒器的幾何參數(shù)對它的影響是十分必要的。利用數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(tài)流場回流區(qū)的特性。

計算用通用微分方程如下：

采用軸對稱有旋轉(zhuǎn)的流動方程式（此時，雖然 ，但

2 計算結(jié)果及分析

2.1 回流區(qū)的成因和結(jié)構(gòu)

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(qū)。根據(jù)流體的連續(xù)性介質(zhì)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(fā)生擴展，同時，由于射流本身的旋轉(zhuǎn)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(jié)果。在熱態(tài)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(xiàn)再次加熱，這種流場布局可以有效保證著火和穩(wěn)燃。

2.2 燃燒器擴口長度對回流區(qū)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(qū)形狀變化如圖3所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果可見，擴口長度增大，回流區(qū)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(zhuǎn)射流的擴展角在增大，卷吸能力在加強。這一現(xiàn)象的產(chǎn)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(fā)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(xiàn)為射流邊界擴大和回流區(qū)封閉，形成了短而窄的回流區(qū)。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(qū)前滯止點逐漸后移，擴大了回流區(qū)。但是，擴口長度在達到L以后，繼續(xù)加長擴口對回流區(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)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(fā)現(xiàn)，初次回流是普遍存在

的現(xiàn)象，它的存在可以實現(xiàn)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(wěn)燃的影響。另外，當擴口長度增加時，回流區(qū)內(nèi)部流場復雜化，二次回流位置逐漸向前發(fā)展，渦管截面不再平行于對稱軸，呈現(xiàn)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(fā)生了一次回流，而且在軸線位置出現(xiàn)了正向旋流區(qū)，發(fā)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(fā)現(xiàn)，該回流區(qū)存在于一次風擴展段內(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)生負壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補真空，產(chǎn)生了正向旋流。這個旋流的存在使回流區(qū)的流場變得更加復雜，在熱態(tài)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(qū)尺寸和內(nèi)部流場均發(fā)生了變化，其共性是回流區(qū)隨擴口長度的增大而增大，回流區(qū)內(nèi)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(xù)增大時，回流區(qū)增大的不明顯，內(nèi)部將出現(xiàn)中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個意義說，回流區(qū)僅僅只是個廣義的概念，并不能代表在其范圍內(nèi)真實流體的運動特性。

3 結(jié)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(tài)時的高效穩(wěn)燃和燃料加熱。本文通過數(shù)值模擬，分析了這種燃燒器回流區(qū)內(nèi)部流場的復雜性——存在多級回流的現(xiàn)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(wěn)燃和換熱的。另外，隨著一次風擴口長度的增加，內(nèi)部回流區(qū)變長、變寬，回流量加大，內(nèi)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(nèi)燃機缸內(nèi)湍流流動[J].燃燒科學與技術(shù)，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(shù)值模擬方法研究回流區(qū)內(nèi)部多個旋流的存在和旋流燃燒器擴口長度對回流區(qū)的影響，給出了相應的流場分布和回流區(qū)模擬結(jié)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(shù)值模擬；回流區(qū)；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(qū)，強化燃料的著火和燃燒、加速燃料和空氣的混合對穩(wěn)定燃燒非常重要?；亓鲄^(qū)的特性受燃燒器幾何結(jié)構(gòu)的影響，所以，研究燃燒器回流區(qū)的內(nèi)部流場分布和燃燒器的幾何參數(shù)對它的影響是十分必要的。利用數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(tài)流場回流區(qū)的特性。

計算用通用微分方程如下：

采用軸對稱有旋轉(zhuǎn)的流動方程式（此時，雖然 ，但

2 計算結(jié)果及分析

2.1 回流區(qū)的成因和結(jié)構(gòu)

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(qū)。根據(jù)流體的連續(xù)性介質(zhì)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(fā)生擴展，同時，由于射流本身的旋轉(zhuǎn)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(jié)果。在熱態(tài)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(xiàn)再次加熱，這種流場布局可以有效保證著火和穩(wěn)燃。

2.2 燃燒器擴口長度對回流區(qū)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(qū)形狀變化如圖3所示。

從數(shù)值模擬結(jié)果可見，擴口長度增大，回流區(qū)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(zhuǎn)射流的擴展角在增大，卷吸能力在加強。這一現(xiàn)象的產(chǎn)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(fā)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(xiàn)為射流邊界擴大和回流區(qū)封閉，形成了短而窄的回流區(qū)。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(qū)前滯止點逐漸后移，擴大了回流區(qū)。但是，擴口長度在達到L以后，繼續(xù)加長擴口對回流區(qū)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(qū)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(qū)內(nèi)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(fā)現(xiàn)，初次回流是普遍存在

的現(xiàn)象，它的存在可以實現(xiàn)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(wěn)燃的影響。另外，當擴口長度增加時，回流區(qū)內(nèi)部流場復雜化，二次回流位置逐漸向前發(fā)展，渦管截面不再平行于對稱軸，呈現(xiàn)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(fā)生了一次回流，而且在軸線位置出現(xiàn)了正向旋流區(qū)，發(fā)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(fā)現(xiàn)，該回流區(qū)存在于一次風擴展段內(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)生負壓，中間流體在壓力梯度作用下迅速填補真空，產(chǎn)生了正向旋流。這個旋流的存在使回流區(qū)的流場變得更加復雜，在熱態(tài)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(qū)尺寸和內(nèi)部流場均發(fā)生了變化，其共性是回流區(qū)隨擴口長度的增大而增大，回流區(qū)內(nèi)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(xù)增大時，回流區(qū)增大的不明顯，內(nèi)部將出現(xiàn)中間回流，甚至是中心的正向旋流。從這個意義說，回流區(qū)僅僅只是個廣義的概念，并不能代表在其范圍內(nèi)真實流體的運動特性。

3 結(jié)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(tài)時的高效穩(wěn)燃和燃料加熱。本文通過數(shù)值模擬，分析了這種燃燒器回流區(qū)內(nèi)部流場的復雜性——存在多級回流的現(xiàn)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(wěn)燃和換熱的。另外，隨著一次風擴口長度的增加，內(nèi)部回流區(qū)變長、變寬，回流量加大，內(nèi)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(nèi)燃機缸內(nèi)湍流流動[J].燃燒科學與技術(shù)，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〕