生物質(zhì)燃燒機內(nèi)空氣動力場的實驗研究
    為了考查生物質(zhì)燃燒機的空氣動力特性，對實際燃燒機進行了流場測定．從燃燒空氣動力學(xué)角度對實驗結(jié)果進行了分析．結(jié)果表明，切向速度分布由于壁面粗糙度的影響而偏離模型情況；壁面粗糙度和二次風(fēng)弱旋流造成了雙環(huán)形回流的軸向速度分布，有利于生物質(zhì)的著火和火焰穩(wěn)定．
1  引言
    開發(fā)和應(yīng)用生物質(zhì)是工業(yè)爐窯以煤代油和充分利用煤炭資源的有效途徑，目前生物質(zhì)的燃燒裝置大多采用噴流床或管式爐[-，2]．這些燃燒設(shè)備中生物質(zhì)的燃燒均屬于火炬燃燒，其空氣動力工況對生物質(zhì)的著火和穩(wěn)定燃燒不甚有利，且由于氣流與燃料的混合程度和燃燒強度不是很高，很難達到生物質(zhì)的高效燃燒，因此，筆者設(shè)計研制了一種燃燒機，采用旋轉(zhuǎn)的霧化空氣及二次風(fēng)，使室內(nèi)氣流強烈旋轉(zhuǎn)從而造成高溫氣體回流，不斷補充點火熱源，這種燃燒機對生物質(zhì)的著火和穩(wěn)定燃燒起了很大作用C3J，在較低的窒氣過剩系數(shù)下燃燒效率就可達到99%以上[4]．本文對燃燒器進行了冷態(tài)流場測定，從燃燒空氣動力學(xué)角度進行了分析討論，對實際旋風(fēng)室的空氣動力場及其規(guī)律有了深入的了解．
2實驗裝置與方法
    圖l為所設(shè)計的旋風(fēng)筒及冷態(tài)測試裝置示意圖，一次空氣經(jīng)霧化噴嘴從軸向引入旋風(fēng)室，二次風(fēng)由兩個相對180。布置的切向風(fēng)口引入．旋風(fēng)室底部設(shè)一圓臺形煙氣出口，形成底部環(huán)室．旋風(fēng)室內(nèi)襯為重質(zhì)高鋁混凝土加鎂砂搗制而成。
    由于切向二次風(fēng)射流受到筒壁的約束，在沿簡體軸線方向流動的同時，被迫作旋轉(zhuǎn)運動，而氣流在徑向上的遷移分量很小，僅在筒體的個別部位才有較明顯的徑向速度值．因而，一般在旋風(fēng)室空氣動力場的研究中，氣流徑向遷移速度予以忽略，僅側(cè)重于切向和軸向速度場C5J．所以本實驗僅測平面流場．測量采用東方汽輪機廠制造的三孔圓柱探針，其直徑為4 mm，對測點的流動干擾很小，具有較大的方向靈敏性，且操作、計算簡便可靠，測量精度與激光多普勒風(fēng)速儀相近C6J．
2.2測試方法
    本實驗在旋風(fēng)筒徑向上選取5個測點．測量時探針分別伸入室內(nèi)5，25，45，65及85mm，對應(yīng)的測點的無因次半徑r/Ro分別為0.94，0.71，0.47，0.24和0．通過對高度上4個不同截面的各測點的測量，即可獲得燃燒機內(nèi)的流場分布．截面位置以無斛次距離Z（與噴嘴出口距離／總長）表示，4個截面自上到下的無因次距離分別為0.25，0.50，0.75，1.00．
    冷態(tài)實驗中可調(diào)節(jié)的工況參數(shù)有風(fēng)量和一二次風(fēng)的比例．由于生物質(zhì)的燃燒對空氣過剩系數(shù)的變化不如煤粉那么敏感；水蒸氣與碳氣化反應(yīng)的存在，使總的燃燒過程對氧的依賴性不大，且空氣量的多少并不影響空氣動力場的變化規(guī)律，因此對煤漿量在40--80kg／h的范圍空氣過剩系數(shù)禮選宅在0 .60-0.85之間，一次風(fēng)率Fi在is-90%范圍內(nèi)．分別對采用旋流數(shù)S為0，0.34，0.55和0.73的噴嘴的工況進行了測定．
3實驗結(jié)果及討論
  3.1切向速度分布規(guī)律
    正是由于空氣圍繞旋風(fēng)筒中心線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心作用，使燃料顆粒被拋到旋風(fēng)室壁的熔渣膜上，才使燃燒得以進行．因此，切向速度分布對燃燒過程和液態(tài)排渣是至關(guān)重要的．
    圖2所示為在光滑的旋風(fēng)筒模型中測得的切向速度分布[”．圖3是本實驗測得的典型的切向速度分布曲線．圖中VO/VOi，；為無因次切向速度（相對于入l|j速度）．由圖可見，兩者有些類似，但也有較大的差異．切向速度在近壁處出現(xiàn)第二峰值，使整個曲線呈“雙峰”．這說明旋風(fēng)筒的壁面粗糙度對切向速度的影響很大．
    (I)壁面粗糙度對切向速度的影響
    從圖3可見，沿軸向在近壁處，自E而下切向速度逐漸減小；而靠近中心，自上而下速度逐漸增大，這說明壁面粗糙度可降低切向速度，由于旋風(fēng)筒的壁面粗糙度較大，在與切向速度垂直的平面上產(chǎn)生同流，有較大的能量損失，因此近壁處的切向速度隨旋度的降低而不斷減小，
    為了進一步證明壁面粗糙度對切向速度的影響，在關(guān)閉一次風(fēng)及一側(cè)二次風(fēng)的情況下，在同一截面(Z=0.75)的兩側(cè)對切向速度進行了測量．從圖4可見，l、2兩側(cè)相差半個圓周，壁面處的切向無因次速度由1.7降為1.2，減小了29.4%．壁面粗糙度不僅是影響切向速度的主要因素，而且也是造成切向速度分布不均衡的主要原因，即橫向回流使氣流旋轉(zhuǎn)中心線偏離旋風(fēng)筒中心線。
    (2)空氣過剩系數(shù)禮對切向速度的影響
    圖5是在其它條件都相同的情況下，僅將死由0.69增至0.82而得到的切向速度分布．可以看出，風(fēng)量較小時整個切向速度較小，而且沿軸向、徑向變化幅度都不大．風(fēng)量增大，旋轉(zhuǎn)變強，切向速度提高．隨著他的增大速度分布的不均衡性也愈明顯，說明橫向回流作用隨之增大．切向速度的增大，特別是在近壁處的切向速度的增大，將使離心力增大，在近壁處和底部環(huán)室會集中更多的燃料顆粒，從而強化燃燒或氣化過程．
    (3) -次風(fēng)及噴嘴結(jié)構(gòu)對切向速度的影晌
    實際的}刃向速度“雙峰”分布的現(xiàn)象在其它旋風(fēng)爐冷態(tài)試驗中也有出現(xiàn)(8]，但未見有對此現(xiàn)象的解釋．由圖5可見，在沒有一次風(fēng)時，切向速度分布曲線只有一個峰值，并沒有邊峰出現(xiàn)．這說明雙峰形切向速度分布可能是由于一次風(fēng)的作用形成的．
    計算得8= 0.55<0.6．由于該計算公式是由渦殼為對數(shù)螺線條件下推導(dǎo)出來的，而本旋風(fēng)室的進風(fēng)管只是簡單的直管．因此二次風(fēng)入爐的旋流強度8要小于0.55，為弱旋流．按一二次風(fēng)比例為15：85計算，一次風(fēng)出口速度約為二次風(fēng)速的兩倍．
    由于二次風(fēng)的旋流較弱，且出口速度又較低，強烈旋轉(zhuǎn)的一次風(fēng)就會起決定作用．若一次風(fēng)的旋流強度大干二次風(fēng)的．旋流強度，則當(dāng)兩者相遇時，一次風(fēng)就帶動二次風(fēng)加速旋2.5轉(zhuǎn)，其效果就造成近壁處的氣流速度增大，從而使切向速度分布呈現(xiàn)邊峰．而且一次風(fēng)旋流強度越大，邊峰峰值愈高．實驗結(jié)果亦證明如大而增大．當(dāng)采用直流噴嘴(S=0)時，切向速度分布沒有邊峰，很接近模型情況．而采用旋流噴嘴，正如前面分析，切向速度分布出現(xiàn)作用更加明顯．總之，一次風(fēng)的旋流強度對切向速度有很大的影響．噴嘴的旋流強度增大使氣流的切向速度顯著增加，這對于強化燃燒過程是十分有益的．因此熱態(tài)燃燒試驗應(yīng)采用旋流強度較大的煤漿霧化噴嘴．
  3.2軸向速度分布規(guī)律
    通過對4個不同截面上各點的軸向速度的測量，發(fā)現(xiàn)軸向速度分布并不象在壁面光滑的模型中測得的結(jié)果．如圖7所示，恰恰與模型中測得結(jié)果相反，出現(xiàn)中間環(huán)形回流及近壁環(huán)形回流．從實驗結(jié)果來看，影響軸向速度分布的主要因素是壁面粗糙度、噴嘴旋流強度和一次風(fēng)量．
    (1)壁面粗糙度對軸向速度的影響
    從軸向速度分布曲線可以看出，筒內(nèi)有回流存在，但回流流股主要分布在近壁(r／Ro=0.94)處和靠近中心(r／Ro=0.24)處．即出現(xiàn)雙環(huán)形回流．在環(huán)形回流之間及旋風(fēng)筒中心，氣流是向下運動的．與光滑的旋風(fēng)筒的軸向速度比較，最顯著的差別就是中心反向逆流區(qū)消失，而近壁處出現(xiàn)回流．產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是壁面粗糙度的影響．由于在壁面凸凹不平處發(fā)生渦流，破壞了邊緣氣流向環(huán)室的流動；由于橫向回流的存在，使邊緣處的軸向速度分布更加不規(guī)則．當(dāng)然，造成雙環(huán)形回流的原因不僅僅是壁面粗糙度，旋風(fēng)筒的結(jié)構(gòu)也是很重要的．本設(shè)計的旋鳳燃燒器二次風(fēng)為弱旋流，因此軸向壓力梯度不大，不能引起足夠的中心氣體回流，可以設(shè)想，旋風(fēng)筒大部分區(qū)域是向出口流去的正向氣流，在簡中心氣流從出口排出．由于旋風(fēng)筒底部有一環(huán)室，氣流運動到環(huán)室后被迫折回，返回氣流的能量比出口氣流要小，因而被出口氣流分為兩股，一股沿壁面流回到旋風(fēng)筒上部至根部折回；另一股插入正向氣流向上逆動，把正向氣流分成了兩股．如圖7所示，下部逆向回流速度值較大，而上部回流速度較小，這表明回流在上升過程中有較大的能量損失．盡管如此，在噴嘴根部仍有一定的環(huán)形回流．實驗表明[3，4]，這種雙環(huán)形回流的存在對生物質(zhì)的著火和穩(wěn)定燃燒起了重要的作用．
    (2)噴嘴結(jié)構(gòu)對軸向速度的影響
    如圖9所示，當(dāng)采用直流噴嘴時，由于沒有一次鳳的旋流，噴嘴根部沒有回流產(chǎn)生．只是下部附壁處存在部分回流，因此熱態(tài)時不會有高溫氣流到達點火段，這種霧化噴嘴不宜采用．
    但當(dāng)采用旋流角a= 37。的旋流噴嘴時，軸向速度分布發(fā)生了很大的變化．如圖10所示，旋流使氣流核心部分的壓力比周圍介質(zhì)的壓力低，該區(qū)域的壓力將從嘖口沿著軸線方向增加，在這個軸向壓力的作川下，刪囤介質(zhì)逆射流軸線方向朝噴H方向運動而形成回流．從軸向速度分布來看，采用較大旋流程度的霧化噴嘴也是加速著火和強化燃燒的有力措施．
4結(jié)論
    (1)實際燃燒機壁面粗糙，導(dǎo)致表面渦流和橫向回流，使氣流旋度降低，從而造成切向速度分布不均衡．
    (2)壁面粗造度和為弱旋流的二次風(fēng)造成了雙環(huán)形回流的軸向速度分布，為生物質(zhì)的著火和燃燒提供了良好的空氣動力工況條件．
    (3)采用強旋流煤漿霧化噴嘴是創(chuàng)造良好空氣動力工況的重要措施．在該條件下，可以獲得較大的切向速度和較大的環(huán)形回流．
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