燃煤磁流体燃烧室冷态流场的研究.pdf

第18卷第6期 1988年1 1月 南京工学 院 学报 10 U R N A L O FNAN JIN G二INS TIT U TEO FTECH N OLO G Y V o l . 18 N o . 6 N ov . 198 8 ‘二二二二二二二二二二二二二二二 二 二二 二 二 燃煤磁流体燃烧室冷态流场的研究 陆帆程永元徐一元方一麟 热 能工程 研究所 摘要 采用K 一。湍流模型 、 S IMPL ER方法对 JS砚燃 煤 磁流体燃烧室 的冷态流场进 行了数值计算 , 并做了一系列 冷模试验 研究 . 通过对几种不 同结构燃烧 室的计算与测量 所得出的流场 的分析比较 , 提出 了一些改进 J S 一2燃煤 磁 流体燃烧 室 的建议 , 最后对计算与测量方法进行 了计论 . 关键词 磁流体 , 燃烧 室 , 冷态流场 . 燃煤磁流体燃烧室 流场合理与否对燃烧室的性能尤其是燃烧效率和排渣率影响极大 . 试 验表 明 尽管燃烧室的冷态流场与热态流场有一定的差异 , 但它仍能定性地反映燃烧室热态 情况 . 本文通过在理论与试验上对不 同流场的分析比较 , 寻找能使得燃烧室有高的燃烧效率 与排渣率的流场 . 为此 , 作者首先用冷模试验验证了数学模型 、 计算方法及计算程序的可靠性 . 在此基础 上对各种不 同结构的燃烧室 冷态流场进行了计算 , 从而指导燃烧室的设计 . 1 数值计算 1 . 1 控制方 程 控制方程可用一通式表述为 divpV功一厂 。 g rad 功 S , 式中 必 , 厂 , , S , 见附表 . 附 表控 制 方 程 方程价 厂,S 。 拌 e f 了 口 尸 . 。 一 万灭 十J ‘ 拌e1 1 拌 e f, 户。rr/a * 拌 。 r r/a 。 一口 尸/口 S , S 。 PG一Pe C , p oG /K 一C Zp。’/ K I U犷砰 K 。 连续性方程 U 一动量方程 犷一动量方程 才一动量方程 湍动能方程 耗散项方程 2口 南 京工学院学报 1988 年 其中 “ 。 r r拼‘ 拌 。 ; 召‘pC 召K 丫 。; , ‘ 拼‘/p “一 令景 。一器 十 俞 。一 , 器 一 令食 r u 一乎箭卜 了了器一 { 。一犷。研 ’/ r “。 一钉 旦 箭 左p犷十 一 婆 号 立 G一, { 2 〔器 ’ 豢 ’ 答 2 1 . /口不、 2 /口U , 口犷、 2 , I口研 W 、 “、 十 几 二丁; .杯- 刀 十 砚 二 一卜二亏于 于州」一一又一 一 尽亡 、d 人 ,、O r 口人 /、 口r 7 一 / 少 拌 。 为层流粘性系数 , 的速度分量 . C ,, C , , C Z, a、 , a 。均 为常数 , U 、 犷 、 研分别为 、 r 、 e方向 . 2 计算区域及尺寸 如图1所 示 1 . 3 边界条件 入口处 U , 二Q ‘二/ P二R ; 一R { 不 ‘。 S U ‘, K 0 . 003 6U爹 。 研 , 。 0 . 1643K 3/2/ l。 式中O为流量 , S为旋流度 , 瓜为长度尺度 . 出口处 厂一研一 O 口U口K口 ￡ 口X口X口X 对称轴处 犷一班一O 到到 一 丫丫丫丫 哥哥 髦髦髦髦 日日日 L L L L L L L L L L L L L 图 1 计算区域及 尺寸 一一 口 一r 为 “ 口口 一‘ 一一 己 一r 日 一 口口U口K 口r口r 壁面 U厂一研一 0 近壁面采用壁函数 。 K pC ,’/‘K,’/ZU, /I n EY二 Y , 十 C ,‘’/4 K ,1/’y, / , e, 一K ,’/ZC,’/‘/ K犷 , 口K口 尸 卫 竺 一 ,少 一O 0儿口n 其 中 K 、 E为常数 ; n 为壁面法向量 ; 。 。为壁 面切应力 . 第6 期 陆 帆等 燃 谋 磁流 体燃烧室冷态流场的研兄 4 网格与结点 计算 中采用 不等距网格 , 在速度梯度大 的地方如近壁 、 入口 、 出口等处网格较密 , 其余 处较 疏 . 本计算结点数为2 0 x 4 0个 . 5 计算方法 作者采用了S‘MPLER方法以加味压力场的收敛 , 减少迭代次数 6 收敛准则 计算的收敛准则由欧几里德范数决定 } r,} 〔 刃茗a 。。功。。 b一 a, 价 , ’j’/’簇。‘ 对于 不 同的变量价 , 采用 不同的收敛精度 。, . 本计算在D PS 一8计 算机上完成 . 2 计算值与测量值的分析比较 2 . 1 冷态试验模型 和测 里方法 为 了验证计算程序以及对计算值与试验值进行分析比 较 , 建立了图 2 所示 的冷模装置 , 以五孔探针对流场进行 测量 . 2 . 2 计算值 与试验值的分析比较 图3a 是将涂有油墨的平板水平插入燃烧室冷态模型 所得出的无旋流流场 , 图3b 为计算所得的流场 . 两者非 常相似 , 它 们之间微小的差别是由平板对流场的影响所 致 . 可以看 出 , 流体大都从中心区域流走 , 在外部形成狭 长且很弱 的回流 由于 流场无旋 , 煤粒不能甩向四甩 , 点 能从中心直接流走 . 这对于燃烧和排渣十分不利 , 而且降 低了燃烧室 的有效空 间 . 空 压机 孔板流量计 管道 愚烧室冷模装置 五孔探针 差压计 图 2 冷模装置 示意图 a试脸所得流场 图 南京工学 院 学报 里夕占8 年 b计算所得流场图 图3 无旋流 流场 图 ‘ 图4为无旋情况下在不同轴向位置 , 速度U的计算值与试验值沿横截面 的分布 . 结果表 明 , 两者是十分吻合的 . UZ F 。 . ,7 a X /D 二0 . 2 5b X/D 2 . 30 cX /D 1 . 5 6 图4在不同抽向位丑 抽 向速度 计算值与测量 值的比较 S一0 图5是在S 0 . 6的情形下轴向速度U , 切向速度研的计算值与试验值的 比较 . 由图可见 , 在燃烧室中心区域 , 两者差别较大 , 而其它部份基本 吻合 , 这主要是由于中心 区域流线曲率 过大给测量造成的误差所致 . 此外切向速度的相对误差比轴向速度的相对误差要小 , 这是由 于切向速度比轴向速度大所致 . 上述试验表明本程序的计算结果正确反映了燃烧室流场 . 甲/厂 1 1 竺 0 aX /D 0 . 23 b X /D 0 . 23 找 飞 护11叮l / ‘,口/厂 ‘ 、 00000 以左 eX /D 230 d X/D 二 1 . 3 0 弟 6期 陆帆等 燃煤磁流体燃 烧 室冷态流场的研 完 . . .叭门. 口曰. . 口. 目. . . . . . . . . , .. . . . .. . . . ‘.. . ,..二..... ‘. .‘口 口,..山 .口 声 闷.. J 曰 ..确 ...J,,... 全廿 尸二 次 _ , _ . } ‘爪 ” U ‘” 阮硫 ,_ 迄一一一 _一生竺 里立 交、一 - 一 立 少 1 。X/D 1 , 56 f X/D 二1 . sc 图 5 在不 同抽 向位 置轴 向与切向速 度计旅伍与测量值 的比较 LS一 0 . 6 , 为汉扭量位 图 6 是不 同旋流度时由计算所得出的燃烧室流场结构 . 可以着到 随着旋流度的增大 , 燃烧室中心回 流区变长 、 变宽 , 回流量增加 . 当S妻0 . 8 6 时 , 有涡圈 出现 . 这些对燃烧和排 渣都是有利的 , 因为气流所携带的煤粒行程变长 , 停留时间变长 , 加上强烈 的涡旋扰动 , 可 以使风粉更好的混合 , 燃烧更完全 . 旋流度的增加可使大量 的煤渣甩 向壁面 , 提高排渣率 . 当旋流度进一步增大 , 中心回流区长度就不再增加 , 但宽度变大 . 外回流区 的旋涡由长变 短 , 逐步前移 。 洲 戮 一”一一乓 曰 ⋯ 。 ; 1、 之 Ž”一切 二 一一 尹 ‘ ⋯ ⋯ ,、、 之 工”r ,一 ”二 产 户‘-,‘ . ,.曰,;,Ž 夏 ”、” 三 一二 尸 ‘护户,丁 ‘ ., 二 ‘二 三 、ŽŽ”Ž1 , 加-一一 口沪声- -, 二 . . t卜 二 、、,,‘l-,二r 二 确,‘ ‘ ..,Ž” -.”介工,-1户一 曲 ‘创户.-曰,‘ 。二 ,屯 -工‘-,,-‘ ,二一 ‘ 扣曰, ‘l -,‘ ‘”、 今协二 ,甲”曲 J声 户户‘- 1 . , ,,。、份 ---‘ 、 ,、叫 ----甲 j碑 ‘- 归, ,; ,---‘ ‘、 、 之 ‘气八J. 。 二 、 ;甲三 中Ž 。 . 。‘凡 于工 、 -, -- -,.---户-” ,声-J口- - - --- ,, 才,,月,,、- ‘., - -口‘甲声.. - -‘.- -‘- -、  矛、龟, -;‘尹‘ 尹‘ - - 二 二 、.‘”嘴 了 . . -- -‘户- ---- 尸 、 二 、 ; ,加气.,‘‘ 户 二。 .⋯ 勺 .*” - , 二1 ￡ Ž , 心,-二 - ..⋯ ;; . .” J . 碑 二 J仁一 .‘、 -二 一--⋯ 二 lŽ“二 .- 二”岭”一 JŽ ‘ ” 一 奇二 ‘Ž 一 . 枯 -一卜一 l” . ‘工,片一州r. ,‘ 气 Ž中” 沪矛 . ‘ ‘,;.门. . ‘. . . . . . .. Ž, 翻 .. 月 三 三 土 碑.匆 , ,时 ‘几病‘从一一一 a S 二0 。4 3 e S 0 。 8 6 bS 二0 。6 0 d S 1 . 20 图6不同旋流度时流场结构图 图 7 表明 , 在S 一 0 . 6的情况下 , 改变出口挡渣板缩口长度只对流场产生微小的 “压 缩 ” 作用 , 其影响不是很大 . 这已由过去的试验所证实 . 南京工学院学才皮 j988人 遥一一辱 . .-, 护 、,、 之 , 三 比 三 产 ”沪‘.. -‘ ,,-- -、电、,、--22-三 声 产尹 户z -沪夕., - ⋯ 、 .‘, , 、--,、、-匆--”姆户护户‘,-口,, ,、, ” 一 一 ” 。 , ,, 、.⋯ 户‘口,甲.护户甲-- -t-- ”” -”- - -如 -. - ”,- - J-.J 专 Ž .电, 它 Ž、、 、、 。 , .J一 Ž、 、、、 、,备勺/,,、 尧 、 、 ‘, 应里 习 ”一廷W W -一一一一一- t w 沂 川 ; 注 、211 -工 - - 三三 ‘ ; ,..⋯ 户 ,,,,三 r l二 二一沪 二 碑咨-。 .‘ J‘、 Ž,, ‘ Ž Ž二峪 二 一声砂一护;户 甲Ž ,J ,、 .‘、、勺-,l ,二2-二”碑二 Ž”尸t‘. ‘.- .二 电, 、.龟、‘Ž 、 f - , --”‘ 二 ‘二 ,、 -. - -‘- -电、 ,呀电”, -.户 ,户户产甲户护户‘-.- -- - 甲勺 协 - J , 、 . - --龟 - 、互、 . . -妇.互 . - 、 - - --.- - ---. r, ” 、勺 . .- - -户工 Ž l Ž 勺 ,.‘尹产二声‘ .- ,‘ 户产尸盆 - .。 ,八‘ 尸 户 卜.‘ ‘\\尹沪 ” 二二 一⋯二二二二 二二”二二二一一 二 己二 二 找绪多 ⋯二二止几 { .户 ‘ . ,,tl 砂. -户--- --工- 甲食 . . - ---口小 ”电-.士 l勺七 ,、Ž 1 加-, - ””、 ‘ ,户 l 弓 叼 ,、 、‘ t,.崎 ,‘、 、 Ž‘‘‘ 曰、、、、,、 、. ;、尧、 ,‘ ⋯ 匕 璧 璧 a L/D 0 . 0 b L/D 0 . 30 图 7 不同档渣板缩口长度 时流场结构图 图8是加入切向二次进风后测得的轴向速度U在不 同轴向位置时沿横截面的分布 曲线 . 其 中有出口中心回流产生 , 这对于燃烧和排渣是有利的 . 。 、/劣 / 六尸 、、 . 丫 几 厂 ___ 么 口口 、、 、 二 ‘ 、 夺一‘,产,, 。 ,咨甲 飞飞 画画 { { { 仁缝⋯ ; ⋯ 廷廷 i i i i i三三i三三苦 百兰誉三三是三三 玉三弓三烈诬诬诬诬诬诬诬 { { { { { { { { { { { { { { { { { { {歹 歹 ‘ , 如 -一 一护 喇.声声J一户叫 . ,卜 .- . 氢 犷犷三架遥 誉 称称称 斗二 二 一霏霜言言选选 巡巡巡 P 尹尹尹尹 图8有切向进风 时轴向速 度分布曲线 由试验得 图9 计算所得 有切向进风时 流场结构 图9是用 K一。双方程模型 计算出的带切向进风 的流场图 , 此图与图 8 有较大差 异 , 而 且无出口中心回流 . 3 结论与讨论 1 在没有二次进 风 的情况 下 , 仅改变入口旋流器的旋流度以及出口挡渣板的缩口长 度是难以得到有利于燃烧和排渣的出口中心 回流的 . 旋流器旋流度过大不仅在工艺 上难以实 现而且会引起很大 的压力降 , 增加压气机能耗 , 从而降低系统效率 . 2 原弱旋的JS 一2燃煤磁 流体燃烧室流场不尽 合理 , 这是 由于从过去实测 的流场看 , 除几个角上和入口部分有一 些小涡旋外 , 气流 大多从中心 区域直接流 出 , 更 没有出口中心回 流 , 这对燃烧与排渣是不利 的 . 作者认为 只有增加切向二次进风 , 选取适当 的切向进风口 位置以及一 、 二次 风风 量比 , 才能从权本上 改变燃烧室 流场结构 , 形成出口中心 回流 , 进一 步改善燃烧室性能 . 3 从图 8和 图9 可知 , 用 K 一。 模型 计算强旋流场有一定的误差 . 作者认为 如采用 代数应力模型 可以提高计算精度 . 4 在国内日前所用的 测量流场的方法中 , 以采用五孔或七孔探针为多 . 对旋流度不 大 的稳态 流动 , 五孔探针还能适用 , 但对强旋流动的测量 , 尤其是在涡旋区 , 就不太合适 第6 期 陆 帆等 燃谋磁流体燃烧 室冷态流场的研兄 25 了 , 此时应采用更为先进的测 量方 法 . 在计算和试验过程中 , 曾得到清华大 学周力行教授 、 北京钢铁学 院李成章教授 、 南京工 学院陈善年副教授 、 南京航空学院赵 坚行等 同志的指导帮助 , 谨表深切的谢意 . 参 考 文献 1 2 W ei Qid on g Cta l . E xpe rim en tal a n d the o retie al in ve stigatio n so f e o a l - fired MH D e o mb u sto r . NinthInter n a tio n al C on f on MHD E l e e trie al Pow e r G ene ratio n , T su k u ba , JaPa n , N ov , 1986 B oys an F , Swithe n b a n kJ . N u m er 呈 al p r edie tio no f e on fin ed tu rbulent v o rtex fl o w s . U n iv e rsityo fSheffield , D cp t . o f C h em ie al E n gin e ering an dF uel T eehno log y , R epo rt N o . HIC , 198 0 360 In vesti乡tio nand Study on C o l d Fl ow Fiel dsfo r Coal fir edMHD C o mbustor L u F a n Ch召n刀Y o n夕夕u a n X “ Y艺少u a nF a,s y‘11月 T h er m oen e rg y E n gin e e ring R e s eareh In stitu te Abstra et B a sedo n K 一￡ tu rbulentm o d el, the nu m e rie ala n a ly se so f e o ldfl o w field s fo r JS 一2eoa l 一fir ed MHD e o mb ustor sa r eearr ied ou tinte rm so fSIMPLE R m etho d . B e side s , as erieso f e o ldm o d elex p e r im en talin v estigations w e r eeo n d ue - ted . T hr o u gh 。a refu l ana ly se sa n d e o mp a risio n b etween ; vario u s flowfield s o btain ed b o thbym e a s ur emen ts an d ea l eula tio ns , tl ie a u tho rs p ut fo rw ar d sev e - ra lp ropo s a l s fo r the imp r ovemen t o f JS一2 eo al一fired MH D eo mb usto r . Atla st , ea l e u latio n an dm e a su rin g m etho d sare dis e u s sed . Key words MHD , eo mb u sto r , e o ldflowfield .