旋流燃燒器空氣流場特性CFD數值模擬*

楊培凱，莊智勇，陳偉博

（1.廣東江聯(lián)能源環(huán)保有限公司，廣東廣州510640；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

旋流燃燒器空氣流場特性CFD數值模擬*

楊培凱1，莊智勇1，陳偉博2

（1.廣東江聯(lián)能源環(huán)保有限公司，廣東廣州510640；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640）

一二次風配風比及其流動特性決定燃燒過程氧氣供應，對旋流燃燒器燃燒質量有著決定性的影響。旋流燃燒器內部結構設計、各部件布局、二次風門開度都會影響一二次風配風比及其流動特性。CFD技術因成本低、周期短，能直觀全面了解流場分布情況而在燃燒流動領域研究被廣泛應用，故采用Fluent對燃燒器空氣流場情況進行數值模擬和分析，研究不同二次風門開度下旋流燃燒器空氣流場特性。結果表明，壓力最大區(qū)域主要分布在空氣入口處到二次風門間、一次風管入口附近區(qū)域，隨二次風門開度增大二次風門內部空氣流速逐漸增大，整體平均空氣壓力、空氣旋流強度、旋轉氣流存在區(qū)域不斷減小，負壓區(qū)存在于旋流器前端到燃燒器空氣出口之間區(qū)域，維持火焰穩(wěn)定，對燃燒器結構設計和實際應用起到重要指導作用。

旋流燃燒器；空氣流場；CFD；湍流；數值模擬

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.006

0　引言

將燃料與空氣混合物以不同方式噴射燃燒裝置稱為燃燒器（Burner），作為核心部件廣泛應用在鍋爐、冶煉爐、熔爐、熱處理等相關行業(yè)中。其作為整個加熱裝置的核心，控制著被控對象的功率、溫度分布、熱效率及使用壽命［1-9］。燃燒器在工作過程中，燃料的燃燒完全和整個反應過程的快慢對燃燒器燃燒質量有著決定性的影響，而以上這兩點取決于燃燒過程中氧氣供應情況［10］。氧氣供應不足或不理想，可能是由于總進風量不足或者一二次風分配不佳［11］。在總風量一定的情況下，一二次風配比及其流動特性對火焰溫度、速度和污染物生成等有顯著影響。旋流燃燒器內部結構設計、各部件布局、二次風門開度直接影響二次風配比及其流動特性。本文以旋流燃燒器為例，應用CFD數值模擬技術，對旋流燃燒器空氣流場進行數值模擬，探討不同二次風門開度下燃燒器一二次風配比和空氣流動特性，以期對燃燒器結構設計和燃燒質量優(yōu)化起到一定參考作用。

1　建模與網格劃分

物理模型采用旋流燃燒器實際設計結構，內置二次風門機構，采用SolidWorks 2012軟件建立整個燃燒器空氣流動計算流域，結構尺寸如圖1所示。進風口為a=400 mm，b=711 mm的矩形，燃燒器噴嘴為直徑340 mm的圓形。研究選取二次風門機構開度分別為15°、30°、45°建立相應空氣計算流域模型。

圖1　旋流燃燒器結構示意圖

在ICEM—CFD軟件上進行對所建模型網格剖分，將所設計燃燒器空氣計算流域模型保存為STEP文件直接導入ICEM中進行網格劃分。由于空氣計算流域模型內部結構復雜，各部位存在較大尺寸差距，故利用四面體網格靈活、適應性強特性，將整個計算流域剖分為四面體網格系統(tǒng)，三種不同二次風門開度模型的網絡劃分單元數如表1所示，生成網格系統(tǒng)如圖2所示。

表1　R預熱式燃燒器網格劃分數目

2　邊界條件及求解設置

旋流燃燒器空氣入口邊界條件選擇入口速度邊界，根據實際工況計算空氣入口速度邊界條件。由旋流燃燒器額定功率和燃料熱值計算燃燒器額定工作時實際單位時間內所需空氣量為V0= 2.886 6 m3/s，根據矩形進風口幾何尺寸，求得空氣量進口面積S=0.295 776 m2，則空氣入口速度為：

其等效水力直徑為：

圖2　旋流燃燒器網格劃分圖

設空氣運動粘度系數υ=14.8×10-6m2/s，則雷諾數為：

湍流強度為：

旋流燃燒器空氣出口處邊界條件選擇出口壓力邊界，依照實際工作要求，設置為大氣壓力。

設置收斂標準為平均殘差小于10-4，并且當進風口、出風口幾個預設監(jiān)測點速度、壓力都趨于穩(wěn)定，可認為收斂并停止求解。

3　數值模擬結果與分析

3.1不同二次風門開度燃燒器空氣壓力流場分析

圖3為旋流燃燒器在X=0與Z=182截面下不同二次風門開度空氣流場壓力分布圖。其中，圖3（a）、圖3（c）、圖3（e）表明在X=0截面處旋流燃燒器整體壓力最大區(qū)域主要分布在空氣入口處到二次風門間、一次風管入口附近區(qū)域，壓力值分布較均勻；空氣進入二次風門和一次風管后，壓力值逐漸減小，壓力分布出現(xiàn)急劇變化，空氣壓力變化幅度一次風管內部大于二次風門內部。3個不同二次風門開度空氣流場比較結果表明二次風門內、外部空氣壓力都隨二次風門開度增大逐漸減小，其減小趨勢呈非均勻狀態(tài)，外部壓力減小值略大于內部壓力減小值；一次風管內壓力值隨二次風門開度增大減小，二次風門和一次風管內部空氣壓力幅值也隨二次風門開度增大減小。圖3（b）、圖3（d）、圖3（f）表明在Z=182截面處二次風門內外的壓力差、二次風門入口處至中心處橫向壓力差都隨著二次風門開度增大不斷減小。二次風門內外壓力差值在二次風門開度為15°時最大，達到3 000 Pa，風門內部壓力降低狀況最明顯，從4 000 Pa降至530 Pa；，二次風門內外壓力差值在二次風門開度為30°時較15°稍小，約為900 Pa，風門內部空氣壓力從2 040 Pa降至約1 140 Pa，變化幅度相對較??；二次風門內外壓力差值在二次風門開度為45°時為500 Pa以下，風門內部空氣壓力在1 930 Pa到1 440 Pa之間變化，無明顯壓力下降現(xiàn)象。

圖3　不同二次風門開度空氣流動特性壓力云圖

圖4　二次風門不同開度下空氣流動特性速度圖

圖5　不同二次風門開度燃燒器空氣流動負壓區(qū)數值模擬結果

表2　R不同二次風門開度燃燒器空氣流動特性數值模擬結果

3.2不同二次風門開度燃燒器空氣速度流場分析

圖4為旋流燃燒器不同二次風門開度下空氣流場速度、速度矢量數值模擬結果。圖3-4（a）、圖4（c）、圖4（e）為X=0截面空氣速度分布圖，表明從總體上來說，二次風門內部空氣流速隨二次風門開度增大逐漸增大，但開度不同空氣速度流場分布情況略有差異。二次風門內部靠近風門入口處區(qū)域在風門開度為15°時平均速度達78.1 m/s，為最高值，空氣流速從風門入口處沿旋流器方向不斷下降，至一次風管下游處約9.18 m/s，達最小值，經過旋流器后速度略微上升；二次風門內部入口處空氣流速在風門開度為30°時較低，從風門入口處沿旋流器方向一段距離內先上升，在二次風門出口處為54.2 m/s，達流速最高值，后略下降，流經旋流器后速度急劇上升；風門開度為45°時燃燒器空氣速度流場分布情況與30°時類似，但二次風門內部平均流速最小，中心輸氣管中部區(qū)域流速達38.5 m/s，為速度最大值，流經旋流器后速度上升幅值更大。

圖4（b）、圖4（d）、圖4（f）為Z=182截面空氣速度矢量圖，表明旋轉氣流存在于整個二次風門內部區(qū)域中，風門開度為15°時旋流強度最強；二次風門內部空氣旋流強度隨著風門開度增大不斷減小，旋轉氣流存在區(qū)域也逐漸縮小。

3.3不同二次風門開度燃燒器空氣流場負壓區(qū)分析

圖5為不同二次風門開度燃燒器空氣流場負壓區(qū)數值模擬結果，表明負壓區(qū)存在于旋流器前端到燃燒器空氣出口之間區(qū)域，燃料燃燒時負壓區(qū)能不斷卷吸已燃燒完全高溫煙氣，點燃新鮮混合氣體，使火焰保持穩(wěn)定。負壓區(qū)形狀隨著二次風門開度增大由細長逐漸變得粗大，最低壓力絕對值不斷上升（參照表2），卷吸氣流速度不斷減小（15°約為27.8 m/s、30°約為19.8 m/s、45°約為16.9 m/s），表明維持火焰穩(wěn)定能力不斷減弱。

表2為不同二次風門開度燃燒器空氣流動特性主要參數數值模擬計算結果，表明隨二次風門開度增大，大部分參數減小，但負壓區(qū)最低壓力絕對值增大且出口風量不變。

4　結論

本文使用前處理器ICEM+求解器FLUENT的組合方案對旋流燃燒器空氣流場情況進行了數值模擬，得到如下結論：

（1）壓力最大區(qū)域主要分布在空氣入口處到二次風門間、一次風管入口附近區(qū)域；

（2）隨二次風門開度增大二次風門內部空氣流速逐漸增大，整體平均空氣壓力、空氣旋流強度、旋轉氣流存在區(qū)域不斷減小；

（3）負壓區(qū)存在于旋流器前端到燃燒器空氣出口之間區(qū)域，維持火焰穩(wěn)定。

［1］陳凌.燃氣燃燒器系統(tǒng)分析和控制應用［D］.上海：上海交通大學，2006.

［2］Yao Zonglu，Meng haibo，Tian Yishui，et al.Design and experiment on anti-slagging biomass pellet fuel burn?er［J］.Nongye Jixie Xuebao/Transactions of the Chi?nese Society of Agricultural Machinery，2010，41（11）：89-93+137.

［3］Chen Xiaoman，Liu Guixiong，Leng Feiyue.Design and simulation of new energy-saving burner［J］.Advanced Materials Research，2012，562-564：847-850.

［4］Li PengfeiMi，Jianchun，Dally Bassam B.Premixed moderate or intense low-oxygen dilution（MILD）com?bustion from a single jet burner in a laboratory-scale fur?nace［J］.Energy and Fuels，2011，25（7）：2782-2793.

［5］Jing Jianping，Li Zhengqi，Zhu Qunyi，et al.Influence of primary air ratio on flow and combustion characteristics and NOx emissions of a new swirl coal burner［J］.Ener?gy，2011，36（2）：1206-1213.

［6］Chinthamony S.K.Sankara，Periasamy Chendhil，Golla?halli S.R.Stability and global emission characteristics of elliptic burner diffusion flames in an elliptic co-flow［J］.Collection of Technical Papers-45th AIAA Aero?space Sciences Meeting，2007（11）：7200-7209.

［7］Emberger B，Hoenig V.Rotary kiln burner technology for alternative fuel co-firing［J］.Cement Internation?al，2011，9（5）：48-60.

［8］翟明，董芃，彭三瓏，等.自激脈動燃燒器脈動頻率跳變的實驗研究［J］.中國電機工程學報，2008，28（23）：31-36.

［9］田野，劉訓良，溫治.自身預熱式輻射管的研究進展及發(fā)展方向［J］.冶金能源，2009，28（5）：43-46.

［10］祝易松，楊步云，李文科.一、二次風量配比對旋流燃燒器燃燒過程影響的數值模擬［J］.工業(yè)爐，2009，31（6）：6-8.

［11］Anil Purimetla，Jie Cui.CFD studies on burner second?ary airflow［J］.Applied Mathematical Modelling，2009（33）：1126-1140.

（編輯：阮毅）

Numerical Simulation of Air Flow of Turbulent Burner Based on FEA

YANG Pei-kai1，ZHUANG Zhi-yong1，CHEN Wei-bo2
（1.Guangdong Jianglian Energy Environmental Protection Co.，Ltd.，Guangzhou510640，China；2.School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510640，China）

The primary to secondary air ratio and characteristic of air flow determine the oxygen supply during the combustion process and have a decisive impact on the combustion quality of turbulent burners.All the designs of inner structure，distributions of every component and opening degrees of secondary air door influence the primary to secondary air ratio and characteristic of air flow.CFD technology is wildly used in the research of combustion and flow since its low cost and short cycle and visualized acquaintance of the whole flow distribution.The flow situation of the turbulent burner is numerical simulated and analyzed.And the characteristics of air flow at different opening degrees of secondary air door are studied.The results show that areas from the air inlet to the secondary air door and areas near the inlet of primary air tube have the maximum pressure.As the opening degree of secondary air door increases，the average air pressure and swirling intensity and region of swirling flow decrease but the velocity inside the secondary air door increases.The area of negative pressure which stabilizes the flame exists between swirler and the air outlet of the burner.The conclusions play an important role in guiding the structure design and practical application of burners.

turbulent burner；air flow field；CFD；turbulence；numerical simulation

TP391.77

A

1009-9492（2015）01-0023-06

*廣州市科信局企業(yè)孵化器資助類專項（編號：2013J4200015）；廣州市科信局創(chuàng)新基金項目（編號：2013J4400223）

2014-11-16

楊培凱，男，1962年生，廣東人，大學本科，高級能源管理師。研究領域：高效率節(jié)能環(huán)保能源設備。已發(fā)表論文1篇。