水煤浆热媒炉炉内空气动力场的数值模拟研究

石俊峰， 王会宁

(北京航天动力研究所， 北京 100000)

水煤浆热媒炉炉内空气动力场的数值模拟研究

石俊峰， 王会宁

(北京航天动力研究所， 北京 100000)

采用k-ε双方程湍流模型，对炉内气相湍流流动进行了数值模拟。分析比较了冷态空气经不同旋流角度的燃烧器后在炉内的空气动力场情况，研究表明冷态空气经旋流叶片为30°的旋流燃烧器后在炉膛内的空气动力场具有较好的分布特性。

水煤浆； 空气动力场； 旋流； 速度矢量

0 前言

水煤浆为具有一定粒度级配的煤粉与水并加少量添加剂的混合物，是从20世纪80年代发展起来的一种以煤代油的新型燃料[1]。在国际油价居高不下的情况下，水煤浆作为代油燃料其价格优势十分明显，所以以水煤浆作为燃料的燃烧设备已经在多个行业有了广泛的应用。针对此种情况，本文结合当前市场需求，以及自身的设计、生产实力，研究开发了YJW- 11615型热媒炉。

随着计算机技术的不断发展，数值模拟技术已被研究人员广泛采用。数值模拟从物理模型、数学模型出发，对研究的问题进行数值求解，其数值结果对于实验研究有很独特的优点,如成本低,周期短,能获得完整的数据等。应用数值实验研究可以对所设计的新型水煤浆热媒炉辐射炉膛和燃烧器进行结构特性分析和各种工况下的运行分析，组织良好的炉内空气动力场，提高燃烧效率和燃烧火焰的稳定性，防止炉膛高温结渣和腐蚀，降低污染物的排放量，即进行优化和放大设计[2-5]。

本文对所开发研究的水煤浆热媒炉炉膛进行了冷态的空气动力场数值模拟分析研究，对在不同旋流角度入射的冷态空气，在炉膛内所形成的流场进行了分析和比较。

1 数学模型

以水煤浆热媒炉炉内空气为研究对象，建立气相流动模型。

1.1 质量守恒方程

(1)

式中ρ—流体的密度；u、v、w—x、y、z三个直角坐标上的流体速度分量(下文同)。

1.2 动量守恒方程组

x方向(u速度)动量方程：

(2)

y方向(v速度)动量方程：

(3)

z方向(w速度)动量方程：

(4)

上述动量方程中，p—流体的压力；

μe—有效湍流粘性系数。它定义为湍流粘性系数μt和层流粘性系数之和μl，即：

ue=ut+ul

(6)

1.3 湍流模型

在k-ε双方程模型中，湍流粘性系数μt按下式计算：

(7)

式中k—湍流动能；ε—湍流动能的耗散率；cμ—湍流模型常数。其控制方程如下：

k方程：

(7)

(8)

其中Γk=μe/σk和Γε=μe/σε。

湍流产生项

(9)

其中常数C如表1所示。

表1 选用的常数值

1.4 边界条件

1.4.1 入口条件

各物理量在各燃烧器喷口处都取均匀入口条件，然后根据设计时给出的热态风速进行冷态模化入来确定选取口气流速度。下式为气相湍流动能和湍流耗散率方程：

(10)

(11)

1.4.2 出口条件

设y方向为出口流动方向，按充分发展的管流条件，各变量在出口处沿流动方向的变化率为零，即：

(12)

1.4.3 壁面条件

在固体壁面上，气流按壁面无滑移条件且无湍流运动处理，取：

φ|wall=0 φ=u，v，w，p，k，ε

(13)

1.5 初始条件

本文的模拟对象为水煤浆热媒炉炉膛，冷空气经炉侧面的两个旋流燃烧器后进入炉膛内，图1给出了计算区域的结构和其网格的划分。为比较空气经不同旋流角度的燃烧器对于炉内空气动力场的影响，模型选用两种入射角度的旋流燃烧器，燃烧器中的旋流叶片分别为30°、45°，图2给出了入射角度为30°的旋流叶片及网格划分。

图1 计算域结构及网格划分

图2 入口旋流叶片及网格划分

2 结果和讨论

图3 燃烧器喷口中心截面速度分布图(旋流叶片30°)

图4 燃烧器喷口中心截面速度分布图(旋流叶片45°)

图3和图4为冷态空气经过不同角度的旋流燃烧器后，在燃烧器喷口中心截面所形成的速度分布图。通过图3可以看出，冷空气经旋流燃烧器后在炉膛内形成了较为理想的空气动力场，速度梯度分布均匀，喷口处气体刚直有力。图4所示可以看到冷空气经旋流燃烧器后在炉膛内部发生比较严重的扩散现象，壁面处的空气速度较大，对燃烧器四周的壁面会产生比较严重的冲刷，不利于组织燃烧。并且冷空气经过两个燃烧器后发生比较严重的干涉现象，炉内空气动力场分布较为不均匀。通过图3和图4的比较，冷态空气经不同的旋流角度入射，会对炉内的空气动力场以及燃烧的组织产生比较大的影响。

图5为冷空气经过旋流燃烧器后，在旋流燃烧器喷口中心截面处所形成的速度矢量图。从上图中可以得出，当流场处于相对稳定的状态时，空气在燃烧器附近的速度矢量较大，同时空气扩散效应较小，这就保证了组织燃烧时的火焰刚直有力，考虑此处的热强度较大，在此处没有布置受热面。炉膛顶部左侧为死角，在此处产生了回流，这样就避免了此处的受热效果不好问题。产生回流的原因是因为气体高速射入炉膛时，会带动入口周围的空气一起向速度方向运动，这样在进口周围就产生了一定的真空度，导致空气入口附近的空气不断地补充进来，这样就形成了旋涡，且炉膛内空气的速度随着与入口距离的增大而不断减小。从图中还可以看出，进口的速度远远大于回流速度，炉膛内气体速度较低。

图5 燃烧器喷口中心截面速度矢量图(旋流叶片30)

图6为冷态空气经旋流燃烧器后距离燃烧器喷口不同距离的炉膛截面处的速度矢量图，通过图6a可以看出，冷态空气经过燃烧器后，在燃烧器附近产生了较强的旋流作用，这是由冷态空气经燃烧器中的旋流叶片后产生的，同时两个燃烧器产生的旋流并没有发生明显的干涉现象。在热媒炉运行时，旋流作用会卷吸周围的高温烟气，使燃烧区温度上升，有利于组织燃烧，同时旋流作用会增加煤粉颗粒在炉内的停留时间，使煤粉颗粒燃烧完全。火焰不发生干涉也能使燃烧稳定进行。通过图6b可以看出，旋流区的强度减弱，发生了一定的扩散效应，同时炉膛上方有回流现象发生。这是由于冷态空气经过一段距离后动量减弱，同时高速气流会带动周围的空气一起向速度方向运动，这样在空气周围就产生了一定的真空度，导致周围空气不断地补充进来，这样就形成了回流。通过图6c可以看出，冷态空气向上运动，速度矢量较小。由于此截面与出口较近，出口处速度较大，在此截面的上方形成了旋流。通过图6a、图6b、图6c可以看出，随着距离燃烧器喷口截面的距离增大，旋流强度减小，气流的扩散效应增强。

图6 炉膛不同截面速度矢量图(旋流叶片30)

3 结论

对水煤浆热媒炉炉内空气动力场进行了数值模拟研究，研究结果表明冷态空气经角度不同的旋流叶片进入炉膛后会对炉内空气动力场的分布产生比较大的影响。对于旋流叶片角度为30°和45°的燃烧器来讲，冷态空气经旋流叶片角度为30°的燃烧器后会在炉内形成较好的空气动力场分布。冷态空气经旋流叶片角度为30°的燃烧器后，产生了强烈的旋流，强烈的旋流会增加煤粉颗粒在炉内的停留时间，使煤粉颗粒燃烧完全，同时减少了火焰在水平方向的刚度，避免了气流对后墙的直接接触，且两股气流间并没有发生明显的干涉现象。经燃烧器喷出的高速气流会卷吸周围的空气，能够使炉膛顶部不容易受到气流冲刷的死区产生回流。

[1] 李智伟，我国水煤浆燃烧技术与工业发展前景[J].云南冶金，2002，31(6)：43-44．

[2] Fiveland W A, Latham C E. Use of Numerical Modelling in the Design of Low-NOxBurnace for Utility Boiler,Comb. Sci. and Tech.，1993，93：53-72.

[3] Gorner K, Insser W. Prediction of Three Dimensional Flows in Veility Baler Furnaces and Comparison with Experiment,Comb. Sci. and Tech.，1988，58：43-57.

[4] Fan J R, Sun P. Numerical and Experimental Investigation on the Reduction of NOxEmission in a 600MW Utility Furnace by Using OFA Fuel,1999，78：1387-1394.

[5] 冯俊凯，沈幼庭.锅炉原理及计算(第三版)[M].北京：科学出版社，2003.

Numerical Simulation Research of Aerodynamic Field in Coal Water Slurry Furnace

SHI Jun-feng，WANG Hui-ning

The gas-phase turbulent flow in the furnace is implemented based on classicalk-εturbulence two-equation model. The different aerodynamic fields formed by different swirling burners are analysed and compared, the research shows that air sprayed by swirling burner with the swirling blade angle of 30° can form good aerodynamic field.

coal water slurry； aerodynamic field； rotational flow； velocity vector

2015-03-12

石俊峰(1982-)，河南安阳人，工程师，硕士，主要从事加热炉设计工作。

TF821

B

1003-8884(2015)03-0045-04