生物质燃烧机射流向火侧相干结构涡的研究

摘要：利用IFA300恒温式热线风速仪和六线涡量探针及其定位坐标系统，测量了HG-2008/18.2-YM2型切向炉等温模型燃烧器区的涡量场，判别了涡量探针所测炉内空间点涡矢量的大小和方向，采用条件采样技术，研究了4股燃烧器射流向火侧形成的相干结构涡。研究发现：对于单股射流，引射（卷吸）主要发生在射流两侧，从而在两侧造成负压并出现旋转方向相反的旋涡；对于两股相交射流，射流偏转，出现了射流向火侧的剪切涡，以及由于横向射流干涉，在射流背部的尾迹涡。当生物质燃烧机同时投运，燃烧器射流偏转且贴壁运行，射流向火侧有大的剪切涡出现，该涡即为相干结构涡；涡量场研究结果，也表明了最大的涡矢量在燃烧器射流的向火侧。相干结构涡的研究目的一为探讨涡中NO。的初生形态；二为研究涡对上炉膛内烟温偏差的影响提供理论依据。

1  引言

    涡是流体运动特有的存在形式，最直观的涡是各种集中的旋涡( Swirling Vortex)，如台风、龙卷风、飞机尾涡等。涡和涡量是两个不同的物理概念：涡量（Vorticity）是用来表征流体元旋转角速度的物理量，它是一个有大小的物理量；而涡( Vortex)是涡量高度集中和聚合的流体区域。相干结构是由集中的涡量强度所产生的具有特征的流体力学上的特殊产物，相干结构也称之为拟序结构、大涡结构或者有组织的结构，至今，相干结构仍然是国际上湍流基础研究的焦点之一，主要原因是它提供了控制湍流的可能性，湍流许多有工程意义的物理效应，如湍流掺混、传热、传质、燃烧与化学反应等问题都与湍流的相干结构有关，射流的卷吸、混合是通过适当的外激励和改变边界几何形状而得到增强的。关于4股相交射流形成的大涡相干结构，还未见国内外文献报道，本文利用IFA300恒温式热线风速仪，使用三维可移坐标架给六线涡量探针定位，并用伺服电机驱动，采用条件采样技术研究了4股燃烧器射流向火侧形成的大涡相干结构。

2试验台系统及试验方法

    对于引进型切向燃烧技术，包括上锅、哈锅、武锅自行设计的锅炉，都是大切圆，因此本文以具有普适性的HG-2008-YM2型切向炉为研究对象，

    耐炉内空气动力场进行模拟试验，按照相似理论，应满足下列条件进行模化：①各有关的相似准则数（如Re，Pr，Sc，Fr等）必须相等，对于流动相似，即就是Re数相等；②模型与原型几何条件相似；③模型与原型边界条件相似；④气流流动处于第二自模化区（即Re数大于临界Re数）；⑤模型与原型燃烧器出口一、二次风动量流率比相等；⑥模型和原型燃烧器射流与炉膛上升气流的动量流率比相等。其中⑤、⑥两条是为了燃烧器设备简化而仍保证流场相似而设置的，至于燃烧对于流场的影响就更难模化了。本试验模型和原型的比例为1:40，起初要重点研究的是屏区的流动结构，其间烟气温度和密度变化不大，因而采用了Thring-Newby模化方法，燃烧器放大后移并用统窗风。炉膛内总体上升气流的Re数要达到第二自模化区，即欧拉数Eu与雷诺数Re无关的区域，才能得到与实际情况较为一致的流动结构。实验得出的临界雷诺数为Rec产2.Ox l04，本实验中模型的雷诺数Re=1.5xl0’(原型Re=9.528x105)，炉内气体流动已经处于第二自模化区。随着研究工作不断深入，观察对象包括了燃烧器区，但燃烧器结构不易再改动，因而存茌着Thring-Newby放大和统窗风的影响，只能在分析时加以考虑。

    试验测量使用美国TSI公司生产的IFA300型热膜风速仪系统，由六线涡量探针、IFA300恒温风速计、高速多通道A/D转换板及全自动速度校准仪等组成。使用六线涡量探针测量前，必须进行标定，标定方法见文[2]，六线探头热线敏感段长度1.3mm，直径5肚m，而且要从速度梯度之差求得涡量强度，所以必须十分精确的定位才能使测量数据可靠。本课题组购置了精密三维可移坐标架，该坐标架在x、儿z方向上分别由公称直径为25 mm、长度为1000 mm的滚珠丝杠构成，在水平面内其有效行程为600x600 mm，精确到0.01 mm。每次测量时，将六线涡量探针定位于三维可移坐标架固定座。

3所测涡矢量与切向炉坐标系匹配

    六线涡量探针由4个X型探头组成，图2为六线涡量探针的实物照片，利用它可以同时测量2个量强度分量OOx和007或者OOx和（o。（只要探针绕长轴转90。1和3个速度分量u，v，w。

    图3是六线涡量探针的三视图，图3(a)4个X型探针平行于x-z乎面，还有一个X型探针平行于x-y平面，所有热线都与探针轴线方向成45。角，轴线方向即为x方向，x-z平面内热线间距为Imm，在x-少平面内热线间距为1 mm，空间分辨率为2xl152m，这时涡量探头所在位置即为位置I，可以测量涡量强度分量OOx和00z；探针绕长轴转90。，可以测量涡量强度分量OOx和(o。，这时涡量探头所在位置即为位置n，如图3(b)所示。由涡量探针的三视图，将其所测涡矢量分量坐标系绘于图4。生物质燃烧机全部投运时，飘带显示：炉内旋转气流在俯视图上为逆时针切圆，切向炉坐标系如图1示，x轴沿炉膛宽度方向，y轴沿炉膛深度方向，z轴沿炉膛高度方向，坐标原点在炉膛中心。按照右手螺旋定则，对于炉内逆时针旋转的大旋涡，大拇指所指的方向为+Z方向，即为炉内旋涡涡矢量∞：的正方向，当量探针从切向炉左侧墙的测孔测量炉内空间点涡量时，涡矢量∞。的正方向与切向炉坐标系x轴的正方向一致，而∞。、∞：的正方向分别与切向炉坐标系y轴、z轴的正方向相反，因此，当所测炉内空间点的涡矢量∞。、∞：为负值时，炉内流体微团分别围绕炉膛坐标系y轴、z轴的正方向旋转，炉内旋转上升气流为逆时针切圜。为了正确判定炉内空间点涡矢量的大小和方向，必须将涡量探针所测涡矢量与切向炉坐标系进行合理匹配。

4  四股燃烧器射流大涡相干结构研究

4.1概述

    对于湍流，普遍认为它由各种尺度的涡叠加而成，湍流中相干结构在时间和空间上都具有局部性。炉内4股燃烧器相交射流形成的空气动力场是一湍流场(Re=1.5×1051，该湍流场由各种尺度的旋涡叠加而成，Navier-Stokes方程成立，流场中任一点在任一瞬时运动都应受到方程所反映的规律制约，并不是无规律运动。若干年来，Hisashi Matsuda等(1990)‘3],P Sullivan和A Pollard (1996)[4l,Hussain A K M F和Zaman K B M Q(1980)[5](1981)‘61等以及文[7]关于相干结构的研究表明：湍流紊乱无规律的运动并非没有内在的规律性。应用维热线风速仪，对炉内湍流特性的研究表明：已经可以从速度脉动的各种长时间平均值，得到湍动能、雷诺切应力、关联系教、偏差系数和峰凸系数以及微尺度等统计量‘8]。随着计算机采样技术以及HF研究所六线涡量探针应用技术的发展，涡量强度的直接测量和湍流相干结构研究已经成为可能，本文重点研究切向炉燃烧器区，如图1中a、b区域，4股燃烧器射流在4号燃烧器射流向火侧形成的相干结构涡，为更深入地研究高湍动气流中煤粉燃烧和污染物（如NO。）治理提供理论依据。

    六线涡量探针所测涡量分量与涡的对应关系列于表1，本文最关心的是旋转上升气流竖直方向上∞：值，即横向分量∞：为纵向涡的分量，展向和法向分量的结果见文[8]，其单位为s。1。

    以涡量（o，= Dv／Dx - Du／Dy的等涡量线分布，表示4股燃烧器相交射流在炉内形成纵向涡的大涡相干结构，这种表示方法和文[3]、[4]、[6]、[9]、[10]中用热线探针采集的数据，分析涡相干结构变化情况是一致的。文[7]也指出，从研究角度，只要能找出有规律的涡运动，都可看成相干结构。对六线涡量探针采集的庞大数据经过计算和分析处理后，用涡量时均值表示涡量的大小和方向，寻求4股燃烧器相交射流相干结构涡的变化情况。

4.2单、双股燃烧器射流涡相干结构

    为正确认识4股燃烧器相交射流形成的相干结构涡，首先研究了单股、双股相交射流相干结构涡的运动。

    图5给出4号燃烧器单角投运( Re= 3.6xl06)，燃烧器区(z=525 mm)水平面“纵向涡等涡量线分布，图示表明：狭长型矩形射流，引射、卷吸主要发生在射流两侧，从而在两侧造成负压，并出现旋转方向相反的旋涡，在左侧墙和射流中心线之间，旋涡顺时针旋转；在后墙和射流中心线之间，旋涡逆时针旋转，旋转方向相反的大涡在射流两侧比较对称。

4.3  四股燃烧器射流涡相干结构

    图7给出生物质燃烧机全部投运f炉内Re=1.5xl05)，水平面以(z=525 mm)的等涡量线分布，图示表明：由于4股燃烧器射流相互联系、相互影响，形成了一个充满炉膛的主旋流涡，使煤粉能迅速的着火和充分燃尽，这是一种相干结构；另外，还有一种比较重要的相干结构，4号燃烧器射流及上邻角燃烧器横向流干涉作用，在4号燃烧器射流向火侧，形成与横向射流之间的剪切大涡(达到-3.25x104s-1)，文[13]曾有类似的结论，并认为在射流背部还有尾迹涡存在。生物质燃烧机全部投运，剪切大涡的涡量强度值(达到-3.25x104s-l)比3号、4号燃烧器两角同时投运时，剪切大涡的涡量强度值(达到-3.5 xl03s-l)要大一个数量级，并且4号燃烧器射流中心线向左侧墙偏转程度要大一些，在其射流与上游来流撞击点处，将会有较高的湍动能和较大的雷诺切应力，该剪切大涡对煤粉颗粒的扩散与混合似及煤粉的着火和燃烧起着主控作用，研究涡相干结构中NO。的初生形态，就必须研究煤粉颗粒在该剪切大涡中的燃烧过程。

    图8给出生物质燃烧机全部投运时，水平面6(z=525 mm)的等涡量线分布，图示表明：由于四股燃烧器射流相互影响、相互作用，形成了涡量强度大小不等的旋涡，该涡的分布，对研究煤粉颗粒在炉内的燃尽过程，有着重要的作用，大涡的湍动能和雷诺切应力越大，越有利于煤粉颗粒的燃尽。

4.4速度场和涡量场分布

    图9给出了生物质燃烧机全部投运，应用六线涡量探针测得的水平面ab(z=525 mm)的速度场分布。速度场的测量结果表明：逆时针方向切圆的炉内旋转气流，在靠近左侧墙壁面，速度矢量值较大，而在远离左侧墙壁面位置，其速度矢量值较小。四角燃烧器相交射流的相互作用和相互影响，会在炉内形成旋转上升的气流，并且，在炉膛中心有一低速这与文[14]实验结果一致。图10给出了燃烧器区水平面ab内(z=525mm)涡量场分布。图示表明：在燃烧器区中部的水平面内，靠近左侧墙壁面，涡矢量值较大，远离左侧墙，涡矢量值减小；炉内旋转气流，在壁面附近时，流体微团的自旋角速度较大，并且在其水平面内，由于四股湍流射流的相互影响、相互作用，涡矢量的最大值依然出现在4号燃烧器射流的向火侧。

5结论与讨论

  (1)应用美国TSI公司生产的IFA300熟线风速仪、六线涡量探针及其精确的定位坐标系统，可以测得燃烧器区的空间涡量场，正确判别涡量探针所测炉内空间点涡矢量的大小和方向，从而深刻认识炉内旋涡的运动形态；

  (2)冷模试验首次表明：由于四股燃烧器相交射流相互作用，在射流向火侧，形成了与横向射流之间的剪切大涡f达到-3.25x104s-1)，该涡即为相干结构涡。逆时针切圆的炉内旋转气流，在靠近左侧墙壁面，速度矢量值较大，而在远离左侧墙，其速度矢量值较小；由于4股湍流射流相互影响、相互作用，涡矢量的最大值依然出现在燃烧器射流的向火侧；

    (3)采用Thring-Newby模化方法模化，燃烧器放大后移并用统窗风，因而存在着不区分一、二次风对形成相干结构大涡的影响，但是，作为基础性理论砑究，4股相交射流形成相干结构涡的发现，对进一步认识复杂的炉内空气动力场（如二次风集中反切、分散反切等），研究其湍流特性，有一定的指导意义；

    (4)对炉内空气动力场进行模化试验，气体流动处于第二自模化区，速度场与雷诺数Re无关，可以得到与实际情况较为一致的流动结构；但是，对炉内空间涡量场，气体流动处于第二自模化区，模型与原型的涡量场是否一致，必须进一步考虑雷诺数Re变化对它的影响，因为涡的运动是受雷诺数Re变化影响的，实际锅炉炉内的空间涡量场受雷诺数Re影响的程度，以及相干结构涡的湍动演变过程还值得进一步研究。

生物质燃烧机，http://www.jiegankeliji.com

生物质气化站，http://www.598jx.com