旋流器安裝角對(duì)低旋流燃燒流場(chǎng)的影響

尹 航, 戴 韌, 張建輝, 鐘仕立

(上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海200093)

旋流是穩(wěn)定火焰和控制燃燒強(qiáng)度的有效手段之 一,燃?xì)廨啓C(jī)和鍋爐燃燒室大都采用高旋流動(dòng)產(chǎn)生的中心回流區(qū)來(lái)穩(wěn)定火焰[1-2],但是回流區(qū)在穩(wěn)定火焰的同時(shí)也增加了煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間,使得熱力型NOx排放量增加.隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,出現(xiàn)了多種低NOx技術(shù),如燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)、催化燃燒和選擇性催化還原脫硝技術(shù)(SCR)等.這些技術(shù)在降低NOx排放的同時(shí)需要對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行精確控制,因此成本較高[3].貧預(yù)混低旋流燃燒是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的低NOx技術(shù),NOx排放水平相對(duì)于高旋流燃燒具有明顯優(yōu)勢(shì)[4].

Chan等[5]最先將切向射流法產(chǎn)生的低旋流動(dòng)應(yīng)用于甲烷預(yù)混燃燒,發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)中并沒(méi)有出現(xiàn)回流區(qū),但是仍然可以穩(wěn)定火焰,同時(shí)縮短了煙氣在高溫區(qū)停留的時(shí)間,降低了NOx的排放.Cheng等[6]將37°安裝角葉片式旋流器應(yīng)用于低旋流燃燒器,通過(guò)激光多普勒測(cè)速儀(LDA)測(cè)量燃燒區(qū)域的流動(dòng)分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)應(yīng)用葉片式旋流器與采用切向射流管法所產(chǎn)生的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本一致,同時(shí)可以應(yīng)用等出口速度原則對(duì)燃燒器進(jìn)行放大.Johnson等[7]將某高旋流燃燒器改造成安裝角為37°的葉片式低旋流燃燒器,比較后發(fā)現(xiàn)兩者具有幾乎相同的負(fù)荷范圍,低旋流條件下甲烷火焰穩(wěn)定性不受當(dāng)量比、入口溫度、壓力以及中心射流流速的影響,其N(xiāo)Ox排放水平比高旋流燃燒降低60%.

Zhao等[8]采用k-ε模型對(duì)大空間條件下的切向射流式低旋流燃燒器進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明雖然火焰下游存在一個(gè)回流區(qū),但火焰依靠發(fā)散流穩(wěn)定而與回流區(qū)無(wú)關(guān),熱態(tài)流場(chǎng)中的回流區(qū)比冷態(tài)流場(chǎng)中的回流區(qū)要大.張雅等[9]對(duì)多種湍流模型進(jìn)行了比較,并對(duì)兩個(gè)算例進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用雷諾應(yīng)力模型計(jì)算得到的三維流場(chǎng)比采用k-ε模型更貼近試驗(yàn)值,表明在各向異性的湍流流場(chǎng)計(jì)算上雷諾應(yīng)力模型更具有優(yōu)勢(shì).倪建民等[10]分別采用k-ε模型、RNG k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型對(duì)一旋流燃燒器的出口流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,比較計(jì)算結(jié)果表明:對(duì)于弱旋流動(dòng)RNG k-ε模型可以滿足工程上的精度要求,但采用雷諾應(yīng)力模型的計(jì)算結(jié)果更為精確,對(duì)于強(qiáng)旋流動(dòng)只有采用雷諾應(yīng)力模型才能得到較為滿意的結(jié)果.

旋流強(qiáng)度是決定旋流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要因素,流場(chǎng)中回流區(qū)的生成、發(fā)散角度以及氣體在燃燒室中的停留時(shí)間均與旋流強(qiáng)度有密切聯(lián)系,因而在燃燒器設(shè)計(jì)中選取合適的旋流強(qiáng)度是十分必要的.改變旋流器安裝角是改變旋流強(qiáng)度的手段之一,進(jìn)而會(huì)對(duì)整個(gè)燃燒過(guò)程產(chǎn)生影響.目前,對(duì)于旋流流動(dòng)的研究主要集中在高旋流部分,對(duì)于低旋流流動(dòng)流場(chǎng)性質(zhì)影響因素的研究較少.筆者分別采用粒子速度影像(PIV)技術(shù)和數(shù)值模擬研究低旋流燃燒器出口流場(chǎng),嘗試對(duì)不同旋流器安裝角以及中心射流流速下的流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以深化對(duì)低旋流流動(dòng)特征的認(rèn)識(shí),為設(shè)計(jì)高效、低排放的燃燒器提供依據(jù).

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)主要由供氣系統(tǒng)、燃燒器和PIV系統(tǒng)組成,見(jiàn)圖1.以壓縮空氣作為氣源,通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)空氣壓力,使用空氣過(guò)濾器對(duì)壓縮空氣進(jìn)行除油除濕處理,過(guò)濾精度達(dá)到 0.1 μ m.采用量程為500 L/min和1 500 L/min的質(zhì)量流量控制器(Mass Flow Controller,MFC)分別控制旋流和射流部分的空氣流量,精度為0.5%f.s.(full scale,滿量程).

圖1 旋流燃燒器試驗(yàn)臺(tái)及PIV系統(tǒng)圖Fig.1 Experimental setup of swirl burner and the PIV system

本試驗(yàn)中使用的旋流燃燒器呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖2.

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)Fig.2 Schematic diagram of burner structure(Unit:mm)

燃燒器流道由中心部分和周?chē)男鞑糠纸M成.中心射流在燃燒器出口上游有500 mm的直管段以均勻來(lái)流;中心射流四周采用直導(dǎo)葉式旋流器產(chǎn)生旋流,其壁厚和葉片厚度均為1 mm,以盡量減少對(duì)流動(dòng)的影響.為研究旋流器角度對(duì)旋流流場(chǎng)的影響情況,本試驗(yàn)中分別選取旋流器安裝角α(導(dǎo)葉與垂直方向夾角)為65°和 40°(見(jiàn)圖3)的旋流器以獲得旋流,兩個(gè)旋流器導(dǎo)葉高度均為4 mm,分別有5個(gè)和12個(gè)流道.

圖3 旋流器結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of swirler structure

1.2 粒子速度影像技術(shù)(PIV)及系統(tǒng)

PIV系統(tǒng)由 TSI公司生產(chǎn),主要由片光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、同步系統(tǒng)和控制平臺(tái)組成.片光源系統(tǒng)以雙腔諧振脈沖式激光器為光源,脈沖頻率為1～15 Hz,單脈沖最大能量為260 mJ.脈沖激光器脈寬8 ns,輸出激光波長(zhǎng)為532 nm,光斑直徑為6 mm,經(jīng)透鏡組形成厚度約為1 mm的發(fā)散片光源,此片光源通過(guò)燃燒器中心軸線.圖像采集系統(tǒng)采用分辨率為2 048×2 048像素的CCD相機(jī),以12位灰度識(shí)別示蹤粒子,最大采集速度為17幀/s,CCD鏡頭前安裝了一塊平均通過(guò)波長(zhǎng)為532 nm、帶寬為6 nm的濾光鏡,以降低環(huán)境對(duì)拍攝圖像的影響.試驗(yàn)拍攝區(qū)域?yàn)?80 mm×180 mm,拍攝區(qū)域下緣與爐臺(tái)出口距離小于1 mm.PIV測(cè)量中確定雙曝光時(shí)間間隔時(shí),示蹤粒子的位移不能超過(guò)查詢區(qū)的寬度,同時(shí)兼顧流場(chǎng)速度變化率,本文選取40～80 μ s.圖像的分析與顯示由Insight 3G軟件完成,后處理時(shí)相關(guān)區(qū)域?yàn)?4×64像素,并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行去除壞點(diǎn)以及平滑處理.該系統(tǒng)的誤差小于0.1%.

PIV試驗(yàn)要求粒子具有良好的跟隨性.為評(píng)估粒子的跟隨性,引入斯托克斯數(shù)St(Stokes number),其兩相流中的定義如下:

式中:τp、τf分別為粒子響應(yīng)時(shí)間和流體特征時(shí)間;ρd為粒子密度;dp為粒子半徑;μ為流體動(dòng)力黏度;L為噴口直徑;U為出口平均速度.

對(duì)于粒徑 dp=5 μ m 的 Al2O3顆粒,若空氣流速U=5 m/s,由式(1)可得 St=0.0058＜＜1,表明粒子具有良好的跟隨性,可以代表氣流的流動(dòng)情況.

此外,試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)5 μ m的Al2O3顆粒具有良好的反射性,有利于圖像的采集.由于研究區(qū)域集中在射流和旋流的相互作用部分,因此試驗(yàn)中僅向中心射流部分加入示蹤粒子.

2 數(shù)值方法

在笛卡爾坐標(biāo)系中,三維可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程可表示為:

式中:ρ為流體的密度;p為流體的靜壓;ui,uj(i,j=1,2,3)為雷諾時(shí)均速度分量;fi為體積力;Fi為附加源項(xiàng)為雷諾應(yīng)力項(xiàng).

旋流流場(chǎng)中的湍流黏性系數(shù)是各向異性的,綜合湍流模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)際計(jì)算的可行性,本文選擇雷諾應(yīng)力湍流模型,采用CFD軟件Fluent 6.3求解湍流方程.

3 結(jié)果與討論

3.1 臨界旋流數(shù)確定

旋流強(qiáng)度是決定流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的重要因素,通常采用旋流數(shù)S來(lái)表征.假定燃燒器出口氣流密度一致,對(duì)于低旋流動(dòng)旋流數(shù)可定義如下[11]:

式中:α為旋流器導(dǎo)葉與垂直方向的夾角;R為中心射流部分與旋流部分內(nèi)徑比值;m為中心射流流量和旋流流量比值.

高旋流動(dòng)與低旋流動(dòng)的區(qū)別在于流場(chǎng)中是否有穩(wěn)定的中心回流區(qū),因此定義臨界旋流數(shù)為旋流流場(chǎng)中出現(xiàn)回流區(qū)時(shí)的旋流數(shù).限于篇幅,臨界旋流數(shù)的確定僅在 α=65°、Uj=3 m/s條件下進(jìn)行求取.圖4為通過(guò)PIV和數(shù)值模擬得到的不同旋流強(qiáng)度下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu).圖4中x、R分別表示流場(chǎng)中任意一點(diǎn)到燃燒器出口和中心軸線的距離,D為燃燒器口徑.從圖4可以看出,試驗(yàn)與模擬的結(jié)果基本相同.而從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,圖4(a)中心軸線上的速度最小值僅為0.2 m/s,圖4(c)中心軸線上的速度最小值＜0.當(dāng)S=0.52時(shí)流場(chǎng)中心軸線上的速度分布開(kāi)始＜0.試驗(yàn)與模擬的結(jié)果均表明,S=0.52時(shí)流場(chǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)回流區(qū),因而認(rèn)為S=0.51是此工況下的臨界旋流數(shù).

對(duì)不同旋流器安裝角和中心射流流速條件下的旋流流場(chǎng)分別進(jìn)行了PIV測(cè)量與數(shù)值模擬,得到的臨界旋流數(shù)見(jiàn)表1.

圖4 不同旋流強(qiáng)度下旋流流場(chǎng)Fig.4 Flow field at different swirl intensities

表1 臨界旋流數(shù)Tab.1 The critical swirl number

由表1可見(jiàn),臨界旋流數(shù)基本不受中心射流流速和安裝角的影響,在本文的工況下可以認(rèn)為臨界旋流數(shù)為0.47,對(duì)于低旋流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析在各工況對(duì)應(yīng)的臨界旋流數(shù)下進(jìn)行.

3.2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

圖5為 α分別為 40°、65°,Uj分別為 5 m/s、3 m/s時(shí)的低旋流流場(chǎng)。

綜合分析圖5和圖4(a)的流動(dòng)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)低旋流流場(chǎng)具有相似的性質(zhì):

(1)速度沿燃燒器中心軸線迅速衰減,在燃燒器出口下游出現(xiàn)一個(gè)低速區(qū),這是由于旋流離心力作用的結(jié)果,流場(chǎng)中沒(méi)有回流區(qū)出現(xiàn),隨著旋流強(qiáng)度的加強(qiáng)將出現(xiàn)中心回流區(qū);

(2)流場(chǎng)具有出良好的對(duì)稱(chēng)性,并且流動(dòng)呈現(xiàn)發(fā)散性質(zhì).與 α=40°旋流器相比,α=65°旋流器能夠產(chǎn)生更大的切向/軸向速度分量比,對(duì)中心射流的拉伸作用更強(qiáng),流場(chǎng)具有較大的發(fā)散角,下游的低速區(qū)也相對(duì)較大.

3.3 速度分布

圖6給出了試驗(yàn)與模擬得到的燃燒器出口下游不同軸向位置的無(wú)量綱軸向速度分布,Y表示截面與燃燒器出口的距離.由圖6可見(jiàn):

(1)相同旋流器安裝角下的無(wú)量綱速度分布基本一致,并以燃燒器中心軸線對(duì)稱(chēng).

(2)隨著軸向距離增大,中心部分軸向速度衰減很快,并且兩個(gè)旋流器的衰減速率基本相當(dāng).

(3)左右有兩個(gè)峰值,隨著軸向距離的增大,α=40°旋流器的兩個(gè)峰值不斷減小且峰值之間的距離不斷增加,而α=65°旋流器的兩個(gè)峰值沒(méi)有出現(xiàn)明顯的衰減且峰值之間的距離基本保持不變,表明α=40°旋流器下游的發(fā)散角和低速區(qū)均較大.

圖6 無(wú)量綱軸向速度分布Fig.6 Distribution of dimensionless axial velocity

(4)與試驗(yàn)結(jié)果相比,數(shù)值模擬結(jié)果表現(xiàn)出了相似的速度分布特性,但在出口處左右兩個(gè)峰值偏大,旋流器峰值之間距離增大趨勢(shì)不夠明顯.

燃燒器出口下游不同軸向位置徑向速度分布的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果見(jiàn)圖7.

圖7 徑向速度分布Fig.7 Distribution of radial velocity

由圖7可見(jiàn):(1)試驗(yàn)得到的徑向速度峰值以及峰值之間距離相比模擬值更大些,但總體趨勢(shì)基本一致.(2)徑向速度以燃燒器中心軸線對(duì)稱(chēng),并隨著中心射流流速的增大而增大.(3)隨著軸向距離增大,徑向速度峰值先增大后減小,峰值之間的距離不斷增加.(4)徑向速度在靠近軸線的區(qū)域并不為0,表明旋流對(duì)中心射流的拉伸已經(jīng)滲透到射流中心.(5)中心射流流速相同條件下,α=40°旋流器流場(chǎng)下游的徑向速度比α=65°旋流器大,并且峰值更加遠(yuǎn)離燃燒器中心軸線.

定義湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣葹?當(dāng)坐標(biāo)系固定于火焰面上時(shí),未燃混合物垂直進(jìn)入火焰區(qū)的速度[12].圖8給出了燃燒器中心軸線上無(wú)量綱軸向速度的分布曲線.

由圖8可見(jiàn),沿軸線方向軸向速度U呈線性迅速衰減,在x/D=1.3～1.6處達(dá)到最小值,幾乎為0,表明在該區(qū)域內(nèi)必然存在氣流速度與湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣认嗟鹊奈恢?即火焰面駐定位置,從而滿足火焰穩(wěn)定燃燒的條件.α=65°旋流器后方軸向速度的衰減更接近于線性,并且在達(dá)到最小值后抬升明顯,說(shuō)明其后方的低速區(qū)較小.從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看,軸線上的速度在x/D=1.8～2.4處達(dá)到最小值,這比試驗(yàn)結(jié)果要大些,并且兩個(gè)旋流器后方軸向速度的衰減規(guī)律幾乎是相同的.

圖8 中心軸線上軸向速度分布Fig.8 Distribution of axial velocity along the central axis

3.4 湍動(dòng)能分布

燃燒過(guò)程中,湍動(dòng)能會(huì)對(duì)湍流火焰?zhèn)鞑ニ俣犬a(chǎn)生影響,定義二維湍動(dòng)能如下:

式中:v′x、v′y分別為徑向和軸向的脈動(dòng)速度.試驗(yàn)的湍動(dòng)能結(jié)果通過(guò)式(4)計(jì)算獲得.

圖9給出了不同軸向位置的二維湍動(dòng)能分布情況,數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合得比較好.湍動(dòng)能關(guān)于中心軸線對(duì)稱(chēng)分布.在貧預(yù)混低旋流燃燒中,火焰類(lèi)似于一維平面結(jié)構(gòu)[5],湍動(dòng)能增大使當(dāng)?shù)厝紵俣仍龃?燃燒速度的增大又使當(dāng)?shù)販囟壬?較高的溫度進(jìn)一步增大了火焰燃燒速度.旋流部分具有較高的湍動(dòng)能,軸線兩側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)峰值,表明旋流部分具有更大的火焰?zhèn)鞑ニ俣?隨著中心射流流速的增大,湍動(dòng)能明顯增大,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?有利于減少火焰在負(fù)荷增大時(shí)火焰位置的劇烈變化.隨著軸向距離的增大,旋流部分湍動(dòng)能峰值迅速減小,峰值之間的距離增大,受外圍旋流擾動(dòng)影響中心部分湍動(dòng)能增大.α=65°旋流器后方的流場(chǎng)具有較高的湍動(dòng)能,對(duì)中心射流部分的影響也較大,燃燒過(guò)程中具有較高的火焰?zhèn)鞑ニ俣?

圖9 湍動(dòng)能分布Fig.9 Distribution of tubulent kinetic energy

4 結(jié) 論

(1)中心流速和旋流器安裝角與流場(chǎng)中產(chǎn)生回流區(qū)時(shí)的臨界旋流數(shù)無(wú)關(guān),高旋流與低旋流的分界點(diǎn)約為0.47.

(2)安裝角較大的旋流器下游流場(chǎng)的發(fā)散角和低速區(qū)較大.無(wú)量綱軸向速度和徑向速度分布均以燃燒器中心軸線對(duì)稱(chēng).隨著軸向距離增大,中心部分的軸向速度衰減很快,并且兩個(gè)旋流器的衰減速率基本相當(dāng).徑向速度隨著中心射流流速的增大而增大,安裝角較大的旋流器徑向速度較小.隨著軸向距離的增大,徑向速度峰值先增大后減小,在靠近中心軸線的區(qū)域并不為0,表明旋流對(duì)中心射流的拉伸已經(jīng)滲透到射流中心.燃燒器中心軸線上無(wú)量綱軸向速度分布十分相似,沿軸線方向呈線性迅速衰減,安裝角較小的旋流器軸向速度在達(dá)到最小值后抬升明顯.

(3)湍動(dòng)能以中心軸線對(duì)稱(chēng)分布,旋流部分具有較高的湍動(dòng)能.隨著中心射流流速的增大,湍動(dòng)能明顯增大.隨著軸向距離的增大,中心部分湍動(dòng)能增大.安裝角較小的旋流器后方的流場(chǎng)具有較高的湍動(dòng)能,火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?

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