共轴同向旋流燃烧器扩口长度对回流区影响的数值模拟

刘晓峰+贾建华

摘 要：以旋流燃烧器为对象，利用数值模拟方法研究回流区内部多个旋流的存在和旋流燃烧器扩口长度对回流区的影响，给出了相应的流场分布和回流区模拟结果，以期为今后燃烧器的改进和相关工程设计提供参考。

关键词：旋流燃烧器；数值模拟；回流区；扩口长度；流场

中图分类号：TK223.23 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃烧器设计中，形成较大范围的高温回流区，强化燃料的着火和燃烧、加速燃料和空气的混合对稳定燃烧非常重要。回流区的特性受燃烧器几何结构的影响，所以，研究燃烧器回流区的内部流场分布和燃烧器的几何参数对它的影响是十分必要的。利用数值模拟的方法不但便于研究，还可以有效降低实验成本，并预测流场变化，指导相关实验和设计。

1 数学模型

以某油田注汽锅炉共轴同向旋流燃烧器为研究对象，其结构如图1所示，中心为燃料喷枪，一、二次风管出口布置有轴向叶片，一次风管内径和外径分别为133 mm、346.63 mm，二次风管外径为585 mm，出口采用扩锥，扩锥角度为40°。本文研究的一次风扩口长度为0.5 L，同时，分析一次风扩口长度为L和2L这两种情况时，冷态流场回流区的特性。

计算用通用微分方程如下：

采用轴对称有旋转的流动方程式（此时，虽然 ，但

2 计算结果及分析

2.1 回流区的成因和结构

在一次风管出口，鉴于一次风的流出及其径向运动，原来停滞在燃料喷口的流体受卷吸而离开，在喷口前形成真空区。根据流体的连续性介质进行假设，如果外围流体沿轴线迅速补进，在到达喷口时，受一次风牵引作用而改变方向，在此位置开扩口，与速度更高的二次风相遇，一次风受卷吸与二次风融合后发生扩展，同时，由于射流本身的旋转离心作用，增强了

离心趋势，使射流中心流体离开了轴心位置，形成负压。外部气流在压力梯度的作用下沿轴线回流，当回流至一定位置，一次风提供给流体的动量足以克服逆向压力梯度时，回流流体便会改变速度方向，随一次风运动，形成二次回流，这是一、二次风共同作用的结果。在热态燃烧时，初次回流可以卷吸一部分热烟气，对燃料进行初次加热，此后，二次回流将燃料和高温烟气进一步混合，实现再次加热，这种流场布局可以有效保证着火和稳燃。

2.2 燃烧器扩口长度对回流区的影响

考虑旋流燃烧器几何尺寸的影响，例如扩口长度，计算了一次风扩口长度为0.5L、L和2L这三种情况。其回流区形状变化如图3所示。

从数值模拟结果可见，扩口长度增大，回流区变长、变宽，相应的回流量会加大。另外，随着一次风扩口长度的增加，同一截面最大风速点的位置远离中心轴线，这说明旋转射流的扩展角在增大，卷吸能力在加强。这一现象的产生是因为一次风扩口长度决定了一、二次风的混合点，当二者遭遇时，会发生动量交换。当扩口较短时，一次风会很快与二次风混合，混合后的一、二次风动量克服了回流中心的压力，使混合流体尽快扩展，在垂直轴线方向体现为射流边界扩大和回流区封闭，形成了短而窄的回流区。随着扩口长度的增加，一、二次风在汇合时的速度都在衰减，动量在减小，克服逆压梯度需要的时间和动量积累相应增加，使回流区前滞止点逐渐后移，扩大了回流区。但是，扩口长度在达到L以后，继续加长扩口对回流区的增长收效不大，这可能是受流体动量有限性的影响，其克服压力形成封闭的能力存在上限。由此可见，通过改变扩口长度来扩大回流区保证燃烧时，要考虑选取一个适当值。

不同的扩口长度对回流区内部有不同的影响，从扩口长度为0.5L、L和2L时的流场图中可以发现，初次回流是普遍存在

的现象，它的存在可以实现燃料和一次风的预热，而在此过程中，有必要进一步探讨其对稳燃的影响。另外，当扩口长度增加时，回流区内部流场复杂化，二次回流位置逐渐向前发展，涡管截面不再平行于对称轴，呈现收缩趋势。当扩口长度为2L时，在其他两种情况所具有的一、二次回流之间又发生了一次回流，而且在轴线位置出现了正向旋流区，发生轴向速度正值。对此进行分析认为，二次回流涡管的收缩是由于二次风的扩展压制其扩大，从而形成收缩。对扩口长度为2L时的中间回流来说，其成因是因为扩口的加长延迟了一、二次风的混合，所以，一次风的扩展和径向运动是造成中间回流的主要原因。从图5中可以发现，该回流区存在于一次风扩展段内，并未受二次风的影响。对正向旋流的生成来说，由于其处于中间回流和二次回流之间，2个旋流外围流体的流动方向相同，均与轴向相反，诱使中心流体产生同向的流动。对二次回流旋涡而言，其流体的回流抽吸作用在轴向正方向上产生负压，中间流体在压力梯度作用下迅速填补真空，产生了正向旋流。这个旋流的存在使回流区的流场变得更加复杂，在热态条件下，该处旋流仍然起到加强高温烟气和燃料混合的作用，只不过不再是回流而已。

不同的燃烧器扩口长度使其回流区尺寸和内部流场均发生了变化，其共性是回流区随扩口长度的增大而增大，回流区内部至少有两次回流，分别为初次回流和二次回流。当扩口继续增大时，回流区增大的不明显，内部将出现中间回流，甚至是中心的正向旋流。从这个意义说，回流区仅仅只是个广义的概念，并不能代表在其范围内真实流体的运动特性。

3 结论

共轴同向旋流燃烧器是一种普遍使用的燃烧器，它可以保证热态时的高效稳燃和燃料加热。本文通过数值模拟，分析了这种燃烧器回流区内部流场的复杂性——存在多级回流的现象，从热量有效传递的角度而言，这种回流形式可以减少高低温传热损失，是有利于稳燃和换热的。另外，随着一次风扩口长度的增加，内部回流区变长、变宽，回流量加大，内部旋流多元化。在实际应用和设计过程中，可以考虑采用长的扩口，但是，这种增长是有一个适当值的。

参考文献

[1]冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及设计[M].北京：科学出版社，1992.

[2]马贵阳，解茂昭.用RNGκ-ε模型计算内燃机缸内湍流流动[J].燃烧科学与技术，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程气固多相流动的理论及计算[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[4]吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，1982.

〔编辑：白洁〕

摘 要：以旋流燃烧器为对象，利用数值模拟方法研究回流区内部多个旋流的存在和旋流燃烧器扩口长度对回流区的影响，给出了相应的流场分布和回流区模拟结果，以期为今后燃烧器的改进和相关工程设计提供参考。

关键词：旋流燃烧器；数值模拟；回流区；扩口长度；流场

中图分类号：TK223.23 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃烧器设计中，形成较大范围的高温回流区，强化燃料的着火和燃烧、加速燃料和空气的混合对稳定燃烧非常重要。回流区的特性受燃烧器几何结构的影响，所以，研究燃烧器回流区的内部流场分布和燃烧器的几何参数对它的影响是十分必要的。利用数值模拟的方法不但便于研究，还可以有效降低实验成本，并预测流场变化，指导相关实验和设计。

1 数学模型

以某油田注汽锅炉共轴同向旋流燃烧器为研究对象，其结构如图1所示，中心为燃料喷枪，一、二次风管出口布置有轴向叶片，一次风管内径和外径分别为133 mm、346.63 mm，二次风管外径为585 mm，出口采用扩锥，扩锥角度为40°。本文研究的一次风扩口长度为0.5 L，同时，分析一次风扩口长度为L和2L这两种情况时，冷态流场回流区的特性。

计算用通用微分方程如下：

采用轴对称有旋转的流动方程式（此时，虽然 ，但

2 计算结果及分析

2.1 回流区的成因和结构

在一次风管出口，鉴于一次风的流出及其径向运动，原来停滞在燃料喷口的流体受卷吸而离开，在喷口前形成真空区。根据流体的连续性介质进行假设，如果外围流体沿轴线迅速补进，在到达喷口时，受一次风牵引作用而改变方向，在此位置开扩口，与速度更高的二次风相遇，一次风受卷吸与二次风融合后发生扩展，同时，由于射流本身的旋转离心作用，增强了

离心趋势，使射流中心流体离开了轴心位置，形成负压。外部气流在压力梯度的作用下沿轴线回流，当回流至一定位置，一次风提供给流体的动量足以克服逆向压力梯度时，回流流体便会改变速度方向，随一次风运动，形成二次回流，这是一、二次风共同作用的结果。在热态燃烧时，初次回流可以卷吸一部分热烟气，对燃料进行初次加热，此后，二次回流将燃料和高温烟气进一步混合，实现再次加热，这种流场布局可以有效保证着火和稳燃。

2.2 燃烧器扩口长度对回流区的影响

考虑旋流燃烧器几何尺寸的影响，例如扩口长度，计算了一次风扩口长度为0.5L、L和2L这三种情况。其回流区形状变化如图3所示。

从数值模拟结果可见，扩口长度增大，回流区变长、变宽，相应的回流量会加大。另外，随着一次风扩口长度的增加，同一截面最大风速点的位置远离中心轴线，这说明旋转射流的扩展角在增大，卷吸能力在加强。这一现象的产生是因为一次风扩口长度决定了一、二次风的混合点，当二者遭遇时，会发生动量交换。当扩口较短时，一次风会很快与二次风混合，混合后的一、二次风动量克服了回流中心的压力，使混合流体尽快扩展，在垂直轴线方向体现为射流边界扩大和回流区封闭，形成了短而窄的回流区。随着扩口长度的增加，一、二次风在汇合时的速度都在衰减，动量在减小，克服逆压梯度需要的时间和动量积累相应增加，使回流区前滞止点逐渐后移，扩大了回流区。但是，扩口长度在达到L以后，继续加长扩口对回流区的增长收效不大，这可能是受流体动量有限性的影响，其克服压力形成封闭的能力存在上限。由此可见，通过改变扩口长度来扩大回流区保证燃烧时，要考虑选取一个适当值。

不同的扩口长度对回流区内部有不同的影响，从扩口长度为0.5L、L和2L时的流场图中可以发现，初次回流是普遍存在

的现象，它的存在可以实现燃料和一次风的预热，而在此过程中，有必要进一步探讨其对稳燃的影响。另外，当扩口长度增加时，回流区内部流场复杂化，二次回流位置逐渐向前发展，涡管截面不再平行于对称轴，呈现收缩趋势。当扩口长度为2L时，在其他两种情况所具有的一、二次回流之间又发生了一次回流，而且在轴线位置出现了正向旋流区，发生轴向速度正值。对此进行分析认为，二次回流涡管的收缩是由于二次风的扩展压制其扩大，从而形成收缩。对扩口长度为2L时的中间回流来说，其成因是因为扩口的加长延迟了一、二次风的混合，所以，一次风的扩展和径向运动是造成中间回流的主要原因。从图5中可以发现，该回流区存在于一次风扩展段内，并未受二次风的影响。对正向旋流的生成来说，由于其处于中间回流和二次回流之间，2个旋流外围流体的流动方向相同，均与轴向相反，诱使中心流体产生同向的流动。对二次回流旋涡而言，其流体的回流抽吸作用在轴向正方向上产生负压，中间流体在压力梯度作用下迅速填补真空，产生了正向旋流。这个旋流的存在使回流区的流场变得更加复杂，在热态条件下，该处旋流仍然起到加强高温烟气和燃料混合的作用，只不过不再是回流而已。

不同的燃烧器扩口长度使其回流区尺寸和内部流场均发生了变化，其共性是回流区随扩口长度的增大而增大，回流区内部至少有两次回流，分别为初次回流和二次回流。当扩口继续增大时，回流区增大的不明显，内部将出现中间回流，甚至是中心的正向旋流。从这个意义说，回流区仅仅只是个广义的概念，并不能代表在其范围内真实流体的运动特性。

3 结论

共轴同向旋流燃烧器是一种普遍使用的燃烧器，它可以保证热态时的高效稳燃和燃料加热。本文通过数值模拟，分析了这种燃烧器回流区内部流场的复杂性——存在多级回流的现象，从热量有效传递的角度而言，这种回流形式可以减少高低温传热损失，是有利于稳燃和换热的。另外，随着一次风扩口长度的增加，内部回流区变长、变宽，回流量加大，内部旋流多元化。在实际应用和设计过程中，可以考虑采用长的扩口，但是，这种增长是有一个适当值的。

参考文献

[1]冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及设计[M].北京：科学出版社，1992.

[2]马贵阳，解茂昭.用RNGκ-ε模型计算内燃机缸内湍流流动[J].燃烧科学与技术，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程气固多相流动的理论及计算[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[4]吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，1982.

〔编辑：白洁〕

摘 要：以旋流燃烧器为对象，利用数值模拟方法研究回流区内部多个旋流的存在和旋流燃烧器扩口长度对回流区的影响，给出了相应的流场分布和回流区模拟结果，以期为今后燃烧器的改进和相关工程设计提供参考。

关键词：旋流燃烧器；数值模拟；回流区；扩口长度；流场

中图分类号：TK223.23 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）12-0118-02

在旋流燃烧器设计中，形成较大范围的高温回流区，强化燃料的着火和燃烧、加速燃料和空气的混合对稳定燃烧非常重要。回流区的特性受燃烧器几何结构的影响，所以，研究燃烧器回流区的内部流场分布和燃烧器的几何参数对它的影响是十分必要的。利用数值模拟的方法不但便于研究，还可以有效降低实验成本，并预测流场变化，指导相关实验和设计。

1 数学模型

以某油田注汽锅炉共轴同向旋流燃烧器为研究对象，其结构如图1所示，中心为燃料喷枪，一、二次风管出口布置有轴向叶片，一次风管内径和外径分别为133 mm、346.63 mm，二次风管外径为585 mm，出口采用扩锥，扩锥角度为40°。本文研究的一次风扩口长度为0.5 L，同时，分析一次风扩口长度为L和2L这两种情况时，冷态流场回流区的特性。

计算用通用微分方程如下：

采用轴对称有旋转的流动方程式（此时，虽然 ，但

2 计算结果及分析

2.1 回流区的成因和结构

在一次风管出口，鉴于一次风的流出及其径向运动，原来停滞在燃料喷口的流体受卷吸而离开，在喷口前形成真空区。根据流体的连续性介质进行假设，如果外围流体沿轴线迅速补进，在到达喷口时，受一次风牵引作用而改变方向，在此位置开扩口，与速度更高的二次风相遇，一次风受卷吸与二次风融合后发生扩展，同时，由于射流本身的旋转离心作用，增强了

离心趋势，使射流中心流体离开了轴心位置，形成负压。外部气流在压力梯度的作用下沿轴线回流，当回流至一定位置，一次风提供给流体的动量足以克服逆向压力梯度时，回流流体便会改变速度方向，随一次风运动，形成二次回流，这是一、二次风共同作用的结果。在热态燃烧时，初次回流可以卷吸一部分热烟气，对燃料进行初次加热，此后，二次回流将燃料和高温烟气进一步混合，实现再次加热，这种流场布局可以有效保证着火和稳燃。

2.2 燃烧器扩口长度对回流区的影响

考虑旋流燃烧器几何尺寸的影响，例如扩口长度，计算了一次风扩口长度为0.5L、L和2L这三种情况。其回流区形状变化如图3所示。

从数值模拟结果可见，扩口长度增大，回流区变长、变宽，相应的回流量会加大。另外，随着一次风扩口长度的增加，同一截面最大风速点的位置远离中心轴线，这说明旋转射流的扩展角在增大，卷吸能力在加强。这一现象的产生是因为一次风扩口长度决定了一、二次风的混合点，当二者遭遇时，会发生动量交换。当扩口较短时，一次风会很快与二次风混合，混合后的一、二次风动量克服了回流中心的压力，使混合流体尽快扩展，在垂直轴线方向体现为射流边界扩大和回流区封闭，形成了短而窄的回流区。随着扩口长度的增加，一、二次风在汇合时的速度都在衰减，动量在减小，克服逆压梯度需要的时间和动量积累相应增加，使回流区前滞止点逐渐后移，扩大了回流区。但是，扩口长度在达到L以后，继续加长扩口对回流区的增长收效不大，这可能是受流体动量有限性的影响，其克服压力形成封闭的能力存在上限。由此可见，通过改变扩口长度来扩大回流区保证燃烧时，要考虑选取一个适当值。

不同的扩口长度对回流区内部有不同的影响，从扩口长度为0.5L、L和2L时的流场图中可以发现，初次回流是普遍存在

的现象，它的存在可以实现燃料和一次风的预热，而在此过程中，有必要进一步探讨其对稳燃的影响。另外，当扩口长度增加时，回流区内部流场复杂化，二次回流位置逐渐向前发展，涡管截面不再平行于对称轴，呈现收缩趋势。当扩口长度为2L时，在其他两种情况所具有的一、二次回流之间又发生了一次回流，而且在轴线位置出现了正向旋流区，发生轴向速度正值。对此进行分析认为，二次回流涡管的收缩是由于二次风的扩展压制其扩大，从而形成收缩。对扩口长度为2L时的中间回流来说，其成因是因为扩口的加长延迟了一、二次风的混合，所以，一次风的扩展和径向运动是造成中间回流的主要原因。从图5中可以发现，该回流区存在于一次风扩展段内，并未受二次风的影响。对正向旋流的生成来说，由于其处于中间回流和二次回流之间，2个旋流外围流体的流动方向相同，均与轴向相反，诱使中心流体产生同向的流动。对二次回流旋涡而言，其流体的回流抽吸作用在轴向正方向上产生负压，中间流体在压力梯度作用下迅速填补真空，产生了正向旋流。这个旋流的存在使回流区的流场变得更加复杂，在热态条件下，该处旋流仍然起到加强高温烟气和燃料混合的作用，只不过不再是回流而已。

不同的燃烧器扩口长度使其回流区尺寸和内部流场均发生了变化，其共性是回流区随扩口长度的增大而增大，回流区内部至少有两次回流，分别为初次回流和二次回流。当扩口继续增大时，回流区增大的不明显，内部将出现中间回流，甚至是中心的正向旋流。从这个意义说，回流区仅仅只是个广义的概念，并不能代表在其范围内真实流体的运动特性。

3 结论

共轴同向旋流燃烧器是一种普遍使用的燃烧器，它可以保证热态时的高效稳燃和燃料加热。本文通过数值模拟，分析了这种燃烧器回流区内部流场的复杂性——存在多级回流的现象，从热量有效传递的角度而言，这种回流形式可以减少高低温传热损失，是有利于稳燃和换热的。另外，随着一次风扩口长度的增加，内部回流区变长、变宽，回流量加大，内部旋流多元化。在实际应用和设计过程中，可以考虑采用长的扩口，但是，这种增长是有一个适当值的。

参考文献

[1]冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及设计[M].北京：科学出版社，1992.

[2]马贵阳，解茂昭.用RNGκ-ε模型计算内燃机缸内湍流流动[J].燃烧科学与技术，2002（08）.

[3]岑可法，樊建人.工程气固多相流动的理论及计算[M].杭州：浙江大学出版社，1990.

[4]吴望一.流体力学[M].北京：北京大学出版社，1982.

〔编辑：白洁〕