流化進氣口數(shù)量對粉末燃料供給特性的影響

鄧 哲，任冠龍，沈 文，蔡 平，薛 瑞，孫海俊

(1 西北工業(yè)大學寧波研究院，浙江 寧波 315103；2 南昌航空大學飛行器工程學院江西省微小航空發(fā)動機重點實驗室，江西 南昌 330063；3 西安交通大學航天航空學院機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 引言

粉末發(fā)動機是一種以粉末為燃料,固體、氣體或液體作為氧化劑的新型發(fā)動機。由于燃料自身的特殊性,使得粉末發(fā)動機具有高能量、高密度、高比沖等優(yōu)點,可以更容易實現(xiàn)燃料的穩(wěn)定輸送和自身流量的靈活調(diào)節(jié)。此類發(fā)動機具有多脈沖起動和可調(diào)推力的功能,正在逐步得到人們的重視[1]。目前,已經(jīng)開發(fā)出了多種類型的粉末發(fā)動機,如粉末火箭發(fā)動機[2-5]、粉末沖壓發(fā)動機[6-7]以及Mg/CO2粉末發(fā)動機[8-9]等,粉末發(fā)動機的發(fā)展正趨于多元化。

在粉末發(fā)動機發(fā)展過程中,身為其核心部件的推進劑供給系統(tǒng)也在同步發(fā)展。推進劑供給裝置的作用是將粉末燃料輸出,實現(xiàn)粉末的不斷供給。然而,粉末燃料自身不具備流體的性質(zhì),必須借助相應(yīng)的載體(氣體或液體)使其具備流動的能力,在此載體作用下,粉末經(jīng)歷起動、懸浮以及輸運等過程,最終以氣固或氣液兩相流的形式輸出。有關(guān)粉末發(fā)動機中粉末供給過程的研究,最早是由Fricke等[10]所開展,設(shè)計了一種流化床式粉末供給裝置,但由于結(jié)構(gòu)較為復雜,也未對該供粉裝置進行更多的研究。在此基礎(chǔ)上,Meyer等[11]對Al/Mg發(fā)動機中供粉裝置的運動壁面結(jié)構(gòu)進行了簡化,并將氣孔與運動壁面相連,既能夠?qū)崿F(xiàn)流化氣的均勻分配,還有效避免了粉末回流。隨后,Foote等[12]設(shè)計了一種可使運動壁面運動更平穩(wěn)的容積式流化床(positive displacement fluidized bed, PDFB)的粉末推進劑供給裝置,但由于氣缸結(jié)構(gòu)的存在,增大了發(fā)動機的總質(zhì)量。Miller等[13]對供粉裝置做了進一步的改進,通過供氣管將流化氣體輸送至粉末床,既能很好的調(diào)節(jié)氣體流量,也能平衡粉末儲箱內(nèi)壓強,不足之處在于軟管結(jié)構(gòu)的存在,降低了粉末儲箱內(nèi)粉末的初始裝填率。

從國內(nèi)相關(guān)進展來看,很多科研團隊對供粉裝置也進行了深入的研究,使得粉末燃料供給裝置得到了進一步的發(fā)展。韓超[14]、申慧君等[15]對粉末沖壓發(fā)動機的燃料供給裝置進行了實驗和數(shù)值仿真研究,認為固氣比、粒徑、裝置結(jié)構(gòu)等參數(shù)對電機驅(qū)動式供粉特性和發(fā)動機燃燒性能會產(chǎn)生較大的影響。張虎等多個團隊對結(jié)構(gòu)更為簡便的氣壓驅(qū)動式粉末燃料供給裝置開展了大量研究[16-21],也驗證了氣壓驅(qū)動式粉末供給裝置使用在部分種類粉末發(fā)動機上的可行性。由此表明,有關(guān)粉末燃料供給裝置的探究熱度逐漸遞增,供粉裝置依舊存在很大的研究前景和應(yīng)用空間。

在粉末發(fā)動機技術(shù)中,最難也是最亟需解決的問題是如何實現(xiàn)供粉裝置中粉末燃料的穩(wěn)定輸送。粉末燃料從靜止到完成整個輸運過程,其間涉及十分復雜的稠密氣固兩相流動,氣固兩相流動狀態(tài)以及固相流型變化能夠反映出粉末流態(tài)化性能,并直接影響粉末供給穩(wěn)定性,可看出粉末流化特性是影響供粉裝置性能的關(guān)鍵。任冠龍等[22]研究了準二維粉末儲箱構(gòu)型下的粉末流態(tài)化和輸送特性,總結(jié)了進氣流量變化對粉末供給特性的影響規(guī)律?；魱|興等[23]通過改變氣體溫度、壓強、粉末粒徑等參數(shù),對粉末沉降速度和最小流化速度進行了探究,并總結(jié)了相應(yīng)的變化規(guī)律。蘇曉杰等[24]對爆轟發(fā)動機中粉末燃料供給特性開展了研究,結(jié)果表明在預壓壓力條件下,粉末流化性能較好,且粉末流化能力與活塞速度成正相關(guān)。孫海俊等對處于高壓狀態(tài)下粉末起動特性和粉末供給特性開展了研究[25-27],認為高壓環(huán)境下,粉末能夠形成穩(wěn)定的氣固分界型面,極大提高了粉末輸送穩(wěn)定性。Ren等[28]探究了不同粉末儲箱內(nèi)初始工作壓力對粉末流化和輸送特性的影響,認為高壓環(huán)境下的粉末輸送狀態(tài)更為穩(wěn)定。Liang等[29]對高壓下的密相氣力輸送過程進行了數(shù)值研究和分析,并著重探究了流態(tài)化數(shù)和粉末粒徑對送料穩(wěn)定性的影響。

從目前研究來看,幾乎都是探究流化參數(shù)(流化氣量、壓強環(huán)境、粉末燃料粒徑等)對粉末流化和輸送特性的影響,而有關(guān)不同進氣結(jié)構(gòu)或者進氣的布置方式等對粉末供給過程產(chǎn)生的影響的研究較少,再加上粉末在重力作用下極易沉降,氣體入口位置對粉末運動行為的影響并不明確,尤其是在氣體-粉末-運動壁面三者耦合作用機制下的粉末流態(tài)化過程尤為模糊,且有關(guān)此方面的研究也少之甚少。另外,有關(guān)粉末供給特性的研究主要集中在實驗方面,所表現(xiàn)出的固相宏觀現(xiàn)象不足以充分理解詳細的氣固運動細節(jié),借助數(shù)值仿真手段能夠有效完善對粉末流化和輸送過程的分析內(nèi)容,這對于深入了解氣固兩相流動行為和固相流型的演化過程十分重要,因此有必要開展相關(guān)方面的研究。

基于以上研究,文中應(yīng)用數(shù)值計算方法,在構(gòu)建的氣體-粉末-運動壁面相互耦合作用模型下,采用歐拉雙流體來描述稠密氣固兩相流動行為,著重討論不同進氣口數(shù)量對粉末流化和輸送特性的影響,以揭示詳細的氣固兩相流動細節(jié),為后續(xù)供粉裝置的改進和工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)和設(shè)計支撐。

1 幾何模型與數(shù)值計算方法

1.1 粉末儲箱構(gòu)型

在前期工作中,已經(jīng)驗證了準二維粉末儲箱構(gòu)型的可行性[22],相關(guān)文獻也表明準二維結(jié)構(gòu)在減少計算量的前提下,所表現(xiàn)出的流動特性與三維結(jié)構(gòu)下的流動狀態(tài)相似[30-31]。因此繼續(xù)選用準二維粉末儲箱構(gòu)型,圖1為準二維粉末儲箱構(gòu)型。不同粉末儲箱構(gòu)型的差異主要是進氣口位置和進氣口數(shù)量,設(shè)計的核心思路是在保證入口表面積不變的條件下,改變進氣口數(shù)量,即在收斂段上分別均勻布置若干個氣體入口。表1給出了詳細的入口數(shù)量與工況的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 準二維粉末儲箱構(gòu)型Fig.1 Powder storage configuration

表1 計算工況Table 1 Simulation cases

表2 粉末屬性和操作條件Table 2 Powder properties and operating conditions

另外,圖1所示的粉末儲箱水平放置,其結(jié)構(gòu)主要由運動壁面、流化腔以及輸送管道3部分組成。其中,運動壁面始終沿著X軸正方向勻速運動。在粉末儲箱出口附近設(shè)計喉道結(jié)構(gòu),以便控制出口粉末流量。具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。

1.2 數(shù)值計算方法和邊界條件

采用雙流體模型(two-fluid model, TFM)來描述氣固兩相流動,采用RNGk-ε湍流模型和顆粒動力學模型(kinetic theory of granular flow, KTGF)[32-33]分別描述氣相運動和顆粒行為,氣固相間作用由Gidaspow曳力模型[34]來描述,PC-SIMPLE(phase coupled SIMPLE)算法用于求解壓力-速度耦合,動量、湍流和體積分數(shù)等方程中的對流項采用二階迎風差分格式。

流化氣體和粉末燃料分別采用空氣和鋁粉末,氣體入口和氣固出口分別選用質(zhì)量流量入口和壓力出口邊界條件。通過用戶自定義函數(shù)(user defined function, UDF)實現(xiàn)運動壁面的勻速運動。另外,入口流化氣體流量由理論粉末流量的百分比給出,而理論粉末流量為[17]:

(1)

2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

采用商業(yè)軟件CFD-ICEM對粉末儲箱構(gòu)型進行結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分,以Case 1為例,六面體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。采用1.2節(jié)數(shù)值計算方法和邊界條件對粉末供給過程進行數(shù)值模擬,并選取網(wǎng)格數(shù)為3萬、10萬、20萬以及40萬的網(wǎng)格計算域以驗證網(wǎng)格無關(guān)性。圖3為不同網(wǎng)格數(shù)下X=0.090 m處粉末軸向速度對比結(jié)果。由圖可知,網(wǎng)格數(shù)為3萬的計算結(jié)果與其余數(shù)量網(wǎng)格相比時,差異較大。而網(wǎng)格數(shù)為10萬的計算結(jié)果與20萬和40萬相比時,粉末速度曲線具有很好的吻合形,但在Y=0.055 m附近,計算結(jié)果差異較大,綜合考慮計算精度和計算成本,最終選擇20萬左右網(wǎng)格用于全文的數(shù)值計算。

圖2 粉末儲箱的六面體網(wǎng)格Fig.2 Structured hexahedral meshes of the powder storage tank

3 計算結(jié)果與分析

3.1 計算模型驗證

為驗證所選計算模型的準確性,將構(gòu)型1的計算結(jié)果與實驗結(jié)果[26]進行對比,其結(jié)果如圖4所示。

圖4 計算模型驗證結(jié)果對比Fig.4 Comparison of calculation model validation results

在粉末供給過程中,粉末儲箱內(nèi)壓降率是研究粉末流動行為的重要參數(shù),其含義是單位時間內(nèi)粉末儲箱內(nèi)壓力變化量與時間的比值,其計算公式為:

(2)

式中:p1為初始總壓;p0為終止壓強;Δt為時間間隔。

由圖4可知,數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果具有較好的一致性,最大相對誤差在13%以內(nèi),由此認為所選擇的計算方法和邊界條件用于模擬粉末的供給過程是合理且準確的。

3.2 粉末供給過程

粉末流態(tài)化過程涉及復雜的氣固流動,其流態(tài)化性能對粉末輸出有直接影響。圖5為Z向中心截面(Z=0.003 m)處不同時刻下粉末流化和供給過程。由圖可知,當流化時刻t1=0.01 s時,不同工況下的氣相和固相作用范圍均呈現(xiàn)上下對稱分布。在流化氣體卷吸和運動壁面推動的共同作用下,粉末開始運動并不斷輸出粉末儲箱。

圖5 粉末流化和輸送過程Fig.5 The powder fluidization and conveying process

當流化時刻t2=0.10 s時,上一時刻的氣固對稱分布現(xiàn)象消失,小氣泡逐漸演變成了大氣泡,呈現(xiàn)出收斂段上部處氣相范圍大于下部的現(xiàn)象,這主要是因為粉末在自身重力和運動壁面的推動作用下,不斷擠壓下部進氣口,導致下部氣體流動受限,而上部氣相范圍受到粉末重力的影響較弱,因此上部處氣相范圍較大。另外,從圖中還能看出,入口數(shù)量的改變對錐形段上部的氣相分布范圍影響不大,而下部處氣相范圍隨著入口數(shù)量的增加而增大,形成的氣固分界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隨入口數(shù)量的增加而降低,尤其在Case 2～Case 4中,出現(xiàn)了大范圍粉末低濃度區(qū)域。分析原因如下:當只存在兩個進氣口時(即上下各一個),上部氣體流入粉末儲箱的運動方向與下部處氣體相反,上部處氣體不斷向粉末儲箱內(nèi)部流動,下部處氣體在粉末破擠壓作用下大多會流出粉末儲箱,此時氣體與氣體之間的湍動作用較弱。然而,隨著入口數(shù)量的增多,從不同位置入口處流入的氣體會相互影響和沖擊,導致氣相湍流脈動增大,再加上粉床不斷擠壓下部處粉末,在強烈的氣體-氣體、氣體-固體以及固體-固體相互作用下,氣固分界面結(jié)構(gòu)以及粉末分布受到較大的影響。另外,由于此流化時刻還處于粉末儲箱的啟動初期,氣體卷吸輸出的粉末量與運動壁面推動的粉末量還未達到很好的匹配關(guān)系,導致粉末缺額現(xiàn)象的發(fā)生,形成了粉末低濃度區(qū)域。

當流化時刻t3=0.40 s時,首先粉末儲箱上部的氣相范圍不斷增大,演變成了大氣腔結(jié)構(gòu),而且不同進氣口數(shù)量下的氣固分界型面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,整體呈現(xiàn)波浪形分布,且軸向范圍[0.10 m, 0.15 m]內(nèi)的氣固分界面厚度高于軸向范圍[0.05 m, 0.10 m],主要原因是流化氣體卷吸輸出的粉末量與運動壁面推動的粉末量未達到很好的一致性,即流化氣體卷吸輸出粉末所留下的空隙應(yīng)及時被運動壁面推動的粉末填充,粉末輸出和粉末裝填過程不斷博弈,完成整個粉末供給過程。然而,圖中大量氣腔結(jié)構(gòu)的存在表明流化氣體卷吸輸出的粉末量大于運動壁面推動的粉末量,粉末不能及時填補空隙,使得氣相不斷擴展。此時,在氣體湍動作用下,向運動壁面方向運動的氣體卷吸形成的回流旋渦與從上部入口流入粉末儲箱的氣體相互作用和沖擊,導致粉末被卷吸揚起和懸浮,形成了較厚的氣固分界面。另外,還能發(fā)現(xiàn)隨著進氣口數(shù)量的增加,錐形段下部壁面處會形成類似條狀的粉末分布,這主要是因為入口與入口之間存在間隙,間隙中的粉末在重力和氣體力的影響下受力平衡,形成上述粉末分布現(xiàn)象。

當流化時刻t4=1.00 s時,不同工況下粉末儲箱內(nèi)的氣固分界面近乎水平分布,相比上一時刻,氣固分界面厚度明顯增加,這主要歸因于氣體的提升作用,粉末儲箱上部的粉末被氣體完全卷吸輸出,出現(xiàn)明顯的上下氣固分層現(xiàn)象。此時,粉床上部的粉末受到氣體力和自身重力的影響,懸浮在氣流中,粉末與粉末間距增大,粉末濃度降低,最終表現(xiàn)在氣固分界面的厚度上。

當流化時刻t5=1.60 s和t6=2.90 s時,不同工況下粉末儲箱內(nèi)的氣固分界面水平分布,且氣固分界面厚度減小,表明此時粉末填補量與粉末輸出量處于動態(tài)平衡,流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定,由此形成了結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的氣固分界型面。此外,相比前幾個流化時刻,當前時刻下存在一個明顯的固相現(xiàn)象,即隨著進氣口數(shù)量的增加,在中心軸線上無法形成穩(wěn)定的氣固兩相通道,尤其是在Case 6中,氣體流動成為了氣固兩相流動的主流,原因在于隨著供粉過程的不斷進行,粉末儲箱內(nèi)殘余的粉末量降低,導致粉床對氣相的擠壓作用減弱。當入口數(shù)量為2時,下部進氣口對粉末儲箱底部的粉末影響較小,此時粉末流化性能較差,在運動壁面的推動作用下不斷堆積在收斂段下部。隨著進氣口數(shù)量的增加,堆積在收斂段下部的粉末會被氣體夾帶而流出粉末儲箱,但由于粉末無法及時填補氣體輸出粉末留下的間隙,導致氣相流動占據(jù)主導地位,再加上粉末的持續(xù)輸出,多個進氣口粉末儲箱內(nèi)的粉床高度也較低。

3.3 粉末體積分數(shù)變化特性

由上述粉末流化和輸送過程可知,進氣口數(shù)量的變化顯著改變了固相流型的演變行為。為此,針對粉末空間分布采取量化處理,這對于深入理解粉末運動行為十分重要。圖6給出了中心截面(Z=0.003 m)與軸向位置X=0.150 m處截面交線處的粉末體積分數(shù)分布。由圖可知,t1～t44個流化時刻下的粉末體積分數(shù)曲線分布趨勢不盡相同,需要逐一分析。在流化時刻t1=0.03 s,不同進氣口數(shù)量對粉末體積分數(shù)的影響主要體現(xiàn)在Y軸范圍[0.05 m,0.06 m]內(nèi),其余Y軸范圍內(nèi)的粉末體積分數(shù)在0.56左右變化,這是因為粉末儲箱剛啟動,該范圍內(nèi)的粉末在自身重力和運動壁面的推動作用以及粉末間的相互擠壓作用下處于自由堆積狀態(tài),流化氣體入口變化對該位置處粉末運動產(chǎn)生的影響微乎其微。在粉末儲箱頂部Y軸范圍[0.05 m,0.06 m]內(nèi),不同工況的粉末體積分數(shù)下降,且下降速率隨入口數(shù)量的增多而加快,其原因在于隨著進氣口數(shù)量的增多,從收斂段尾部入口流入的氣體對粉末有沖擊和卷吸作用,該作用隨進氣口數(shù)量增多而增強,導致粉末間距增大,粉末濃度降低。而在Case 1中,氣體入口位于收斂段的中心位置,氣體對收斂段尾部處粉末影響較小,故粉末體積分數(shù)無明顯變化。

圖6 不同時刻下粉末體積分數(shù)分布Fig.6 The distribution of powder volume fraction at different moments

在流化時刻t2=0.17 s,不同工況的粉末體積分數(shù)在不同Y軸位置發(fā)生了較大的變化。在Y軸范圍[0 m,0.04 m]內(nèi),不同進氣口數(shù)量下粉末體積分數(shù)無明顯變化,均在0.57左右穩(wěn)定變化。在Y軸范圍[0.04 m, 0.06 m]內(nèi),不同工況下的粉末體積分數(shù)都存在兩個下降階段,第1個下降階段處于Y軸范圍[0.04 m,0.05 m]內(nèi),粉末體積分數(shù)從0.56下降至0.28左右。其中,Case 1的粉末體積分數(shù)減小速率高于其余工況,且同一Y軸位置,Case 1的粉末體積分數(shù)低于其余工況。其原因為:相比多個氣體入口,從單個進氣口流入粉末儲箱時的氣體動能更為集中,氣體卷吸粉末的能力較強,此時,粉床中粉末受到的氣體提升力與粉末重力博弈,彌散在粉床中,增大了粉末與粉末間距,降低了粉末體積分數(shù)。隨著進氣口數(shù)量的增加,上述博弈程度減弱,粉末趨于沉降,造成粉末體積分數(shù)增大。第2個下降階段處于Y軸范圍[0.05 m,0.06 m]內(nèi),粉末體積分數(shù)從0.28下降至0.14左右,對應(yīng)的曲線下降速率低于前一階段。原因是這一階段的粉末體積分數(shù)是由氣體卷吸揚起的粉末作用的,粉末濃度勢必低于粉床中粉末濃度。另外,由于Case 1中只有單個氣體入口,相比多個進氣口,氣體與粉末之間的摩擦耗散減少,其充足的動能可揚起更多的粉末,使得粉末體積分數(shù)高于其余工況。

在流化時刻t3=1.10 s和t4=2.90 s,不同進氣口數(shù)量下的粉末體積分數(shù)無明顯差異,但相比前兩個時刻,該兩時刻下的粉末體積分數(shù)曲線下降拐點提前,拐點分別處于Y=0.035 m和Y=0.030 m附近,這主要是因為該兩時刻下粉末儲箱上部幾乎全部被氣腔結(jié)構(gòu)充滿,只有零星粉末彌散和懸浮在氣流中,導致粉末濃度大幅度降低。另外,從圖中還能發(fā)現(xiàn),在拐點之前,Case 1的粉末體積分數(shù)大于其余工況,表明在粉末流化過程的中后期,多個進氣口結(jié)構(gòu)的存在對壓實狀態(tài)下的粉末擾動作用較大。

3.4 粉末輸出特性

粉末輸出特性可由出口粉末流量來表征。圖7為不同進氣口數(shù)量下粉末流量分布。由圖可見,不同工況下粉末流量均會出現(xiàn)大范圍波動和相對穩(wěn)定變化階段。在流化時段0～1.5 s內(nèi),不同工況下的粉末流量出現(xiàn)大范圍波動,且持續(xù)時間較長,表明有大量粉末噴出粉末儲箱,十分不利于粉末的穩(wěn)定輸送。另外,隨著進氣口數(shù)量的增加,粉末流量波動幅度降低,對應(yīng)的流量曲線更加平滑,表明進氣口數(shù)量的增加能夠削弱氣固相間作用,有利于改善初始階段粉末的不穩(wěn)定噴動現(xiàn)象。除此之外,還能發(fā)現(xiàn)不同工況在流化時刻t=1.0 s左右都存在一個較小的粉末流量峰值,這主要歸因于氣固分界面結(jié)構(gòu)的改變,在此時刻之前,氣固分界面呈現(xiàn)波浪形分布,在此時刻之后,氣固分界面呈現(xiàn)水平分布,此時,流化氣體卷吸輸出的粉末量較多,再加上運動壁面的推動作用,最終導致粉末輸出時再次形成一流量峰值。隨后,在流化時段1.5～2.9 s內(nèi),粉末流量曲線雖有波動,但整體相對平穩(wěn),其中Case 1的流量曲線呈現(xiàn)高頻振蕩。另外,在穩(wěn)定輸送階段,各工況的瞬時粉末流量曲線與理論粉末流量曲線間存在較大差距,且均低于理論粉末流量,這主要是因為在0～1.3 s時間段內(nèi),大量粉末噴出粉末儲箱,導致粉末儲箱內(nèi)粉末量減少,再加上運動壁面推送的粉末量遠小于流化氣體卷吸輸出的粉末量,所以導致穩(wěn)定階段輸出的粉末流量低于理論粉末流量。

圖7 不同工況下粉末流量分布Fig.7 The distribution of powder flow rate in different cases

為了定量分析不同進氣口數(shù)量下粉末流量的波動程度,選用均方差(standard deviation, STD)來表征瞬時粉末流量偏離平均值的程度[26]。圖8展示了不同進氣口數(shù)量下瞬時粉末流量的均方差分布?？煽闯?Case 3的均方差最小,相比最大均方差值即Case 2,粉末流量波動降低了約7.6%,表明當在錐形段上下各布置3個進氣口時,粉末流量波動較小。

圖8 不同工況的粉末流量均方差對比Fig.8 Comparison of powder flow rate standard deviation in different cases

總的來說,在整個粉末流化和供給過程中,出口粉末流量存在劇烈波動,這種流量現(xiàn)象符合之前的實驗結(jié)果[17, 25]。通過對粉末流化過程和粉末流量進行分析,可看出進氣口數(shù)量對出口粉末流量的影響較大,尤其是當進氣口數(shù)量為4時,粉末流量波動最大,這就要求在實際工程領(lǐng)域中設(shè)計合適的進氣口數(shù)量來提高粉末輸送穩(wěn)定性。雖然在采用準二維粉末儲箱構(gòu)型模擬粉末供給過程時與三維流動區(qū)域相比存在誤差,但在計算成本降低的基礎(chǔ)上,所表現(xiàn)出的氣固流動規(guī)律亦能很好的為后續(xù)二維粉末儲箱的應(yīng)用以及三維粉末儲箱的設(shè)計和發(fā)展提供思路。

3.5 粉末儲箱內(nèi)壓力變化特性

圖9展示了不同進氣口數(shù)量下粉末儲箱內(nèi)壓力分布對比結(jié)果。整體來看,不同工況下壓力變化趨勢相似,在經(jīng)歷兩個壓力峰值之后開始小幅度穩(wěn)定變化,但在壓力波動幅度上,不同進氣口數(shù)量下略微不同,尤其是Case 1的壓力波動幅度較大,體現(xiàn)在整個壓力變化過程中。這主要是因為粉末以氣固兩相流的形式流出粉末儲箱, Case 1中的粉末流量波動幅度較大,直接導致氣體輸出過程不穩(wěn)定,此時,氣體流量波動也隨之增大,恒定的氣體輸入量與變化的氣體輸出量不斷博弈,導致粉末儲箱內(nèi)壓力波動幅度較大。

圖9 不同工況下粉末儲箱內(nèi)壓力分布Fig.9 The distribution of pressure in the powder storage tank in different cases

圖10為不同進氣口數(shù)量下粉末儲箱內(nèi)壓力的均方差分布?？煽闯?均方差的最大值和最小值分別對應(yīng)于Case 1和Case 3,相比之下,Case 3的壓力均方差降低了約30.1%,表明當進氣口數(shù)量為6時,粉末儲箱內(nèi)壓力波動幅度最小。

圖10 不同工況下粉末儲箱內(nèi)壓力均方差分布Fig.10 The standard deviation distribution of pressure in the powder storage tank in different cases

4 結(jié)論

針對準二維粉末儲箱構(gòu)型,在構(gòu)建的氣體-粉末-運動壁面多物理耦合作用模型上,采用TFM探究了不同進氣口數(shù)量對粉末燃料供給特性的影響,主要結(jié)論如下:

1)在不同進氣口數(shù)量下,氣固分界面從波浪形分布逐漸演變成水平分布,并最終形成明顯的上下氣固分層現(xiàn)象。當粉末供給過程接近尾聲時,粉床高度隨進氣口數(shù)量增加而降低。

2)在粉末供給初期,粉末儲箱上部的粉末體積分數(shù)隨進氣口數(shù)量增加而降低。在粉末供給后期,粉末儲箱下部的粉末體積分數(shù)隨進氣口數(shù)量增加而增大。

3)當進氣口數(shù)量為4時,粉末流量均方差最大。當進氣口數(shù)量為6時,粉末流量均方差最小。相比前者,后者的粉末流量波動降低了約7.6%。

4)當進氣口數(shù)量從2增加至6時,粉末儲箱內(nèi)壓力波動降低了約30.1%。通過適當增加進氣口數(shù)量的方式,能夠改善粉末流化性能,提高粉末輸運穩(wěn)定性。