旋流稳焰生物质燃烧机湍流扩散火焰的数值模拟

时间：2019-11-07

旋流稳焰生物质燃烧机湍流扩散火焰的数值模拟
    摘要：为研究生物质燃烧机的火焰特性，采用k-e湍流模型、三气体扩散燃烧模型及综合辐射模型对旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰进行了数值模拟。研究结果表明，在旋流作用下，在火盆及其前端附近区域内形成了中心回流区，使燃气与助燃空气在此处发生剧烈掺混而被点燃，这有利于火焰稳定。在火焰前端仍存在一个高温尾流区，在选用和设计燃烧器时应充分考虑这一现象。燃气喷孔直径对火焰长度的影响非常显着，喷头**部气孔位置和火盆锥口角对火焰长度影响较小。随着空气过剩系数和燃气中空气含量的增加，火焰长度明显减小。在实际应用中，应充分考虑燃烧器结构和操作条件的影响，以提高加热炉的效率和安全性。
引  言
    生物质燃烧机火焰特性对加热炉的热效率和安全性有很大影响，为了使加热炉安全高效运行，必须针对加热炉的型式和结构尺寸来选择和设计燃烧器。以往燃烧器的设计和改进主要依靠试验，工作量大，所需经费多。笔者通过对加热炉生物质燃烧机湍流扩散火焰的数值模拟，研究燃烧器的火焰特性，并探讨一些结构参数和操作参数对火焰长度的影响，从而减少实验工作的盲目性和工作量，并为新型燃烧器的设计提供一定的理论依据。
1计算条件
    计算用生物质燃烧机是一种实验用重整加热炉燃烧器，其结构如图1，2所示。图中，a为火盆锥口半角，(。)；口为**部气孔位置角，(。)；di为**部气孔直径，mm。
    计算中的燃气为典型催化瓦斯，入口温度为300 K，压力为0.4 MPa（表压），流量为25 kg/h,平均相对分子质量为29. 21，理论空气量为13. 1817m 3/m3燃气（标准状态下）。助燃风为空气，入口温度为300 K，压力为50 Pa（表压），过剩空气系数为1. 25。基本模型的喷头**部气孔直径di为1.5 mm,底部气孔直径为1 mm.**部气孔位置角l3为300,a为21。，火焰面处昀混合分数fs．i。h[9为0.0711，助燃风旋流数为1. 06。
2模型选择和边界条件处理
    工业装置中所涉及的燃烧过程均为湍流燃烧过程，因此，本次计算中流动模型采用k-e湍流模型，燃烧模型采用三气体扩散燃烧模型，火焰内部传热旋流稳焰生物质燃烧机湍流扩散火焰的数值模拟    用综合辐射模型进行考虑‘2。3]。
    计算中假设燃烧器是在无限大空间中燃烧，选择包括喷嘴在内的一个圆柱形区域为计算区，其中喷嘴的燃气入口和助燃空气入口处为入口边界；距火盆出口一定距离处为出口边界；计算区域的固壁边界用壁面函数来处理；燃烧射流的周边为自由边界，并考虑轴对称边界条件和周向的循环边界条。
3  数值模拟结果分析
3.1  额定工况下的模拟结果
    计算得到设计工况下的湍流扩散火焰特性如图3～5所示。图中皆为半轴剖面分布。图3 (a)所示为燃气混合分数等值线，燃料与空气处于化学当量比处的混合分数等值线代表火焰面[1]。图3(b)为火焰及其附近区域的温度等值线。图4为喷头附近区域的轴向速度等值线。靠近轴线的0速度等值线即为中心回流区的边界。图5为速度矢量分布在z叫面上的投影，图中矢量比例如参考矢量所示。
    从图3中可以看出，此时的火焰长度约为2.4m,火焰面前端一定区域内，温度为700～1100 K。这表明火焰*仍有一商温区域存在。根据炉膛尺寸进行燃烧器设计时，应充分考虑该高温区，以便充分利用燃烧热量，并有效地防止发生炉管烧穿现象。从图4可以看出，喷嘴前端有一个负速度区域，即为中心回流区，该回流区对火焰的稳定有十分重要的作用。从图5可见，燃气以较大速度从喷孔中喷出，随着射流的发展，速度逐渐减小，半径方向上较大速度偏离轴线，这与喷嘴的多孔结构有关。另外，在燃烧器的火盆及其前端一定区域内，湍流强度较大，速度大小、方向发生急剧变化，表明该区域燃气与助燃空气发生激烈混合，并进行着火和燃烧；在射流的边缘，速度的大小和方向改变，造成射流边界的回流和卷吸。
3.2结构优化计算
    仅考虑喷头和火盆的几个主要结构参数，参数名称和水平情况如表1所示。计算结果及方差分析分别如表2，3所示。
    由F检验可知，di对火焰长度的影响非常显着，口和a对其影响木显着。为使炉子纵向温度分布均匀，要适当增加火焰长度，d．取*三水平较好。f3和a虽不显着，但从使火焰长度增加的角度来看，
3.3操作条件对火焰长度的影响
3.3.1空气过剩系数对火焰长度的影响
    改变空气过剩系数，计算结果见图6。由图可见，空气过剩系数增加，火焰长度显着减小。这主要是因为，助燃空气量增加，环形空间中空气速度增加，绕流喷头后，形成更强烈的旋涡，使空气与燃气的混合速度大大增加，从而更易达到良好燃烧所需的化学当量比。
3. 3.2空气含量与火焰长度的关系
    燃气中空气含量分别取为13.3%，41. 43%，56.47%，68.62%，计算得到火焰长度与空气含量的关系如图7所示。从图中可以看出，火焰长度随燃气中空气含量的增加而减小。这主要是由于燃气中空气含量增加，使燃气具有部分预混特性，燃烧时需要的外部空气量降低，燃气和空气能更快混合到相应的化学当量比，燃烧速度加快，火焰长度相应缩短。
4结论
    (1)由于旋流作用，在火盆及其前端附近区域内存在中心回流区，在此处燃气与助燃空气发生激烈混合并点燃，表明肋燃空气旋流进入有助于火焰的稳定。
    (2)在火焰前端仍存在高温尾流区，在燃烧器的选用和设计时应充分考虑这一现象。
    (3)喷孔直径对火焰长度有显着影响，这可以作为控制生物质燃烧机火焰长度的基本因素。
    (4)随着空气过剩系数、燃气中空气含量的增加，生物质燃烧机湍流扩散火焰的长度减小。

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词条说明
旋流稳焰生物质燃烧机湍流扩散火焰的数值模拟
旋流稳焰生物质燃烧机湍流扩散火焰的数值模拟摘要：为研究生物质燃烧机的火焰特性，采用k-e湍流模型、三气体扩散燃烧模型及综合辐射模型对旋流稳焰瓦斯燃烧器湍流扩散火焰进行了数值模拟。研究结果表明，在旋流作用下，在火盆及其前端附近区域内形成了中心回流区，使燃气与助燃空气在此处发生剧烈掺混而被点燃，这有利于火焰稳定。在火焰前端仍存在一个高温尾流区，在选用和设计燃烧器时应充分考虑这一现象。燃气喷孔直径对火

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