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      徑向濃淡旋流生物質燃燒機氣流湍流特性的冷態

      作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.ivgb.tw/news/689.html?????發布時間:2018-10-09 20:10
      導讀:徑向濃淡旋流生物質燃燒機氣流湍流特性的冷態試驗研究 1前 言 徑向濃淡旋流生物質燃燒機(中國專利: ZL93244359.1)是哈爾濱工業大學開發和設計的一種新型濃淡型生物質燃燒機,可以綜

      徑向濃淡旋流生物質燃燒機氣流湍流特性的冷態試驗研究
      1前  言
        徑向濃淡旋流生物質燃燒機(中國專利:  ZL93244359.1)是哈爾濱工業大學開發和設計的一種新型濃淡型生物質燃燒機,可以綜合解決大型生物質鍋爐旋流燃燒機低負荷穩定燃燒、高效燃燒、低NO。排放、防結渣和防高溫腐蝕等問題,是一種具有廣闊應用前景的新型旋流生物質燃燒機[1-3]。
          文獻中對旋轉射流的研究采用了不同的測量工具,Dixon[4]利用五孔探針研究了一次風不同旋流強度下旋轉射流的流動特性。Vu[5]利用球型五孔搡針和一維恒溫式熱線風速儀測量了同軸同向和反向旋轉環形組合射流的時均流場和湍流流場的特性參數,并對其流動規律進行了研究。李爭起[6】利用相位多普勒兩相測量技術(PDA)對徑向濃淡旋流生物質燃燒機氣固兩相流場進行了研究,得出了新型旋流燃燒機氣固兩相湍流流動規律,并與常規蝸殼式旋流燃燒機相比較,發現新型旋流燃燒機出口氣流中顆粒濃度在中心回流區附近處于較高水平,且顆粒濃度衰減速度較蝸殼式燃燒機慢,這種氣固兩相流動規律是新型旋流燃燒機燃燒穩定性得以提高和污染物NOx排放量小的重要原因。為了深入研究新型旋流燃燒機的氣流流動特性,建立了單相冷態試驗
      2試驗設備及方法
          采用了TSI公司的IFA300型熱膜風速儀系統,對徑向濃淡旋流生物質燃燒機單相冷態湍流流場進行測量。測速探針采用了210-20型一維熱膜探針,利用AC-1型氣體探針標定儀對探針進行標定,得出速度和熱膜風速儀輸出電壓的函數關系式,速度標定精度為土2Vo。
          燃燒機模型是按實際燃用貧煤的徑向濃淡旋流生物質燃燒機的三分之一制成,模型外徑為d-372mm,噴口結構如圖1,由離心風機通過不同風道向燃燒機各噴口供風,旋流二次風的旋流器采用固定軸向彎曲葉片,直流二次風為無旋流的純直流風,一次風擴口和中心擴口具有一定的張角和外伸長度。試驗中將一維熱膜探針固定于精密坐標架上,在軸向和徑向按一定間距移動,測量各點的湍流速度,一維熱膜探針置于與氣流速度方向垂直的平面內對瞬時速度絕對值進行測量,采樣頻率為1024 Hz,采樣時間為2.048 s,同時利用飄帶法判斷該點的氣流流動方向。所采用試驗參數如表1。利用一維熱膜探針多方位轉動法對旋流燃燒機旋轉射流時均速度和湍流雷諾應力的測量,已取得了較好的結果[7】,本文在此基礎對旋流燃燒機氣流的湍流瞬時速度場做進~步研究。
      3試驗結果及分析
      3.1流場內瞬時速度的測量結果
          燃燒機噴口處二次風主流區內  (x/d  =0.0,r/d=0.46)氣流速度瞬時值u。的測量結果如圖2(a),在噴口處氣流脈動頻率高,實測速度脈動周期為dT - 0.024 s(頻率為42 Hz),此頻率與噴口處氣流旋轉頻率(30.3 Hz)接近,說明燃燒機出口處的氣流湍流脈動主頻率與二次風流過旋流葉片之間的通道后的氣流旋轉速度和混合情況有很大關系。同時還可看出噴口處氣流中存在著脈動周期較長的低頻大渦(周期T= 0.38 s,頻率,=2.6Hz),這是由于在出口氣流主流區內形成某種相干大渦結構的原因。對離開噴口一定距離下游主流區處(x/d=0.75,r/d=0.75)進行的測量如圖2(b),由于流體微團之間的混合及湍流能基的耗散,氣流時均速度下降,湍流脈動強度下降,低頻大渦結構基本消失,瞬時速度接近均勻隨機脈動,脈動頻率為17.9 Hz(dT=0.056 s)較出口處有所下降。中心回流區內(x/d=0.75,r/d=0.38)瞬時速度如圖3(a),速度呈低頻脈動,頻率只有7.1 Hz,脈動速度均方值較主流區小得多為4.2 1112/S2,回流區內氣流速度較低,主要為湍流脈動強度較小、脈動頻率低的大尺動頻率與回流區內相近為7.0 Hz,由于此處為氣流負速度向正速度轉化存在高剪切速度梯度的區域,氣流時均流速比較回流區內還要小,但湍流脈動強度有所提高,氣流湍流度加大,具有較強的熱質交換能力。在旋轉射流邊界附近(x/d=0.75,r/d=1.13)測得瞬時速度如圖3(c),射流接近靜止的環境流體,卷吸速度小,脈動頻率在5.05 Hz左右,由于速度剪切層的作用湍流動能的數值較高,而時均速度較小,湍流度相當高。在射流邊界處測得平坦因子Ki為4.035,偏斜因子Sl為1.24。鑒于主流區的平坦因子一般為3.0左右,且平坦因子與湍流間歇因子成反比,在射流邊界處的湍流流動具有較小的間歇因子。隨機量為高斯正態分布時偏斜因子為0,因此射流邊界處的氣流瞬時速度概率密度函數較大地偏離高斯分布。
      3.2流場內偏斜因子和平坦因子的的測量結果
          在射流流動范圍內測得脈動速度的偏斜因子Sl和平坦因子Ki的分布如圖4,在燃燒機噴口處及下游主流區內Sl接近零,說明在速度較高、湍流能量大的區域,氣流瞬時速度呈均勻隨機脈動,其概率密度函數接近于高斯正態分布。而在中心回流區內Sl偏離零點較大,可見回流區內瞬時速度概率密度函數較大地偏離了高斯正態分布,為不對稱分布。平坦因子Ki在回流區內和射流邊界處數值較大,對于高斯隨機場Ki=3.0,并且平坦因子Ki越大,氣流中的間歇因子越小,湍流流動時間所占整個流動時間份額越小,因此在回流區內和射流邊界附近均出現了湍流流動和層流流動交替出現的現象,在射流邊界處徑向距離越大層流流動所占時間份額越大。中心回流區內瞬時速度非高斯分布和湍流間歇的流動特性說明在復雜同軸旋轉射流流場內出現某種相干擬序結構,這有利于湍流能量由含能的主流區向回流區內的徑向傳遞,將有效提高回流區與主流區流體之間的湍流輸運強度。
      3.3流場內湍流強度的的測量縮果
          無因次脈動速度均方根值(rms)的分布和湍流度分布如圖5。可見在回流區內和射流邊界處湍流脈114動強度低,而在回流區邊界附近和射流主流區處,由于存在較大的剪切速度梯度和氣流擬序結構的交互作用,大量平均運動能量轉化為湍流能量,使湍流脈動強度加強。r m,s在下游x/d=0.25~0.5范圍內具有較高峰值,高脈動強度水平的區域沿徑向不斷擴展加寬其影響區域,同時其強度沿軸向逐漸提高。在軸向距離x/d=0.5之后由于湍流能量耗散和輸運的作用,氣流整體湍流能量逐漸衰減,  r m,s徑向分布漸趨平坦。湍流度在組合射流出口中心回流區內具有200Vo以上的數值,這是在出口中心處由于存在中心鈍體引起極小的回流速度所致,在下游回流速度有所提高,回流區內湍流度下降至50V0左右。主流區內氣流時均速度高,出現了湍流度的極小值。而射流邊界位置卷吸速度小,速度剪切用較大,形成了很高的湍流度水平。可見脈動速度均方根值和氣流湍流度從不同方面反映了旋轉射流流場內湍流能量的分布情況,利用無因次r m,s可以更清楚地反映整個流場內湍流脈動能量的產生、擴
      散和衰減過程。新型旄流燃燒機在一次風管道內采用低阻力、高濃縮效率的環形百葉窗式生物質濃縮裝置,將一次風生物質氣流中心生物質顆粒濃度提高形成濃生物質氣流,集中在接近中心回流區邊界附近噴入,此區域內氣流湍流脈動強烈、湍流能量由主流區向回流區內輸運能力強,同時煙氣溫度高,生物質燃燒過程中傳熱、傳質速度得以提高,湍流化學反應速度相應增加,這對促進生物質氣流及時的著火和強化其燃燒反應過程具有重要意義。
      4結  論
          由一維熱膜風速儀對徑向濃淡旋流生物質燃燒機冷態湍流流場內瞬時速度的測量結果,可得出以下幾點結論:
          (1)在旋轉射流主流區內,出口區域的氣流湍流特性主要與出口氣流旋流和混合情況有關,并具有某種擬序結構,下游湍流流動呈接近高斯分布均勻湍流脈動,平坦因子較小。
          (2)在中心回流區內和射流邊界處,氣流流動主要以脈動頻率低、湍流能量小的大渦結構為主,瞬時速度分布較大偏離高斯分布,平坦因子高,湍流流動具有明顯的間歇現象。中心回流區內氣流流動出現較大時間份額的湍流間歇現象,有利于湍流能量由主流區向中心回流區內的湍流輸運。
          (3)在旋轉射流下游一定區域內(x/d=o.25~0.5),中心回流區邊界附近,湍流脈動速度均方根rms值達到最大值,脈動水乎高的區域隨射流發展而加寬并不斷沿徑向擴展,在此區域內其強度逐漸加強。湍流度在出口中心回流區內和射流邊界處存在較大數值。湍流能量的這種分布特點,將強化濃生物質氣流的著火和燃燒過程。

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