气固两相流在燃烧器中的应用

1、气固两相流在燃烧器中的应用1、气固两相流的基本理论不管何种型式的燃烧器，其内流动的本质都是气固两相流动。因而，耍改进燃烧器，必 须对气固两相流动的规律有深入的理解。2、气固两相流的基本特点单相气流中只有气体的存在，但是在锅炉内的气流中都存在一定浓度的固体颗粒，而且 各处的固体颗粒浓度存在差片，这就使得炉内的燃料颗粒流动变的和当复杂。一般來说，有 以下主要的特点：(1) 气体分了分布均匀，而燃料颗粒是分散的、且肓径人小不同，为了简便起见，人们 通常仅仅考虑一个平均尺寸。(2) 燃烧装置中颗粒浓度一般不大，所以颗粒相一般不能作为连续介质。(3) 颗粒相的惯性较人，气体和颗粒间存在着速度的滑移，因而

2、各h运动规律相互会产 生影响。(4) 颗粒之间及颗粒和壁面的碰撞和摩擦可以产生静电效应。在不等温的热流屮还存在 着热泳现象。(5) 由于颗粒尺寸大小不一，形状也不同，使得每个颗粒都有不同的速度。(6) 在启压力梯度、速度梯度存在的流场屮，颗粒经常处于加速或者减速的不稳定状态, 颗粒间及与管壁间相互碰撞等都会引起颗粒的高速旋转，产牛升力效应。颗粒的湍流扩散系数和气体不同，因而其横向扩散运动的特点也不一样。小颗粒的 扩散速率比大颗粒的扩散速率大。3、气固两相流的分类工程中的两相流种类繁多，结构复杂，从空气动力学的特征出发，可以分为稀相两相流 和浓相两相流。这是以颗粒在气相屮的含量多少來区分的，通常

3、认为稀相两相流屮颗粒的浓 度不人，使得颗粒的存在对气相运动的影响不人，颗粒相的运动规律基木与相一致，只要把 气相和固相运动的相互影响加以修止就可以。浓相两相流动就是颗粒相浓度增加到一定数 值以后，对气相的流动形成了很大影响，这时候用气相流动方程就很难准确的加以描述。一 般來说，颗粒的浓度小于lkg/kg空气时，可以认为是稀相两相流，反之就是浓相两相流。对于浓相气固两相流，气相决定着固相运动，固相对气相的影响也不可以忽略，这种情 况称为双向祸(two-way coupling)o稀和两和流的颗粒相对气和影响很小，可以忽略不计, 但是气相场决定这颗粒的轨迹和其他参数的变化，这种情况称为单向祸合(o

4、ne-way coupling) o4、气固两相流的特性参数rti于气固两相流屮增加了颗粒相，流动屮存在着一个形状与分布随机可变的相界面。而 各个相之间又存在着一个不可忽略的相对速度，导致了流经管道的分和流量比和分札i所占的 管截面比不相等。因此描述气固两相流的流动特性参数比气体单相的流动特性参数要复杂很 多。主耍的参数有:两相浓度(各相所占的相对容积，重量等)、空隙度(流体所占的体积与整 个两和流体的总体积之比)、两相密度(各相的总重量与总体积的比)，比血积(分散颗粒相的 表面积与具休积之比)、以及两相粘度、两相比热、两相导热系数和颗粒的松弛时间等。除此，还有其他的一些参数，如两相流体的密度

5、，颗粒平均尺寸等。5、工程气固两相流模化实验的原理气固两相流进行模化时，首先要做到几何和似，其次要使雷诺数相等或者气流达到口模 化区，另外，还要做到单值条件相似，即达到流动和似。为了使模型与原型中的两相流动和 似，还必须要遵循一定的准则。气体湍流流动时的相似准则准则名称表达式意义均时性准则wt速度场随时间的改变速度付鲁德准则fr = - gl惯性力与重力之比，表示重力对运动的彩 响雷诺准则re = wx£/v惯性力和粘性力之比，表示粘性力对运动 的影响欧拉准则氐二冬= /(rc,斤)压力与惯性力之比普朗特准则pr = t温度场和速度场的相似程度湍流准则=idemw湍流脉动的强度脉动准

6、则 =idem w不同方向间脉动的联系lo). =idemw考虑脉动频率彩响的准则用于描述两相运动的相似准则冇:凤=空rc = wfr = 民=上冬lkgl卩严；c _ mw； h> pp w2 叱w；z =:f v f "5 >z 0叫 pt w* w当分散相用平均直径来模化的吋候，还应该遵守以下条件:ni=idem, ce=idema。山是和 颗粒粗细分布性质有关的系数，ce是固体粉体浓度。要同时满足以上的所有准则是很困难的，应该根据实际情况采取近似模化的方法，通常 作如下的简化：(1) 如果炉内流动过程是稳定的，可以不考虑均时性准则。(2) 在几何相似的条件下，当气

7、流流动达到自模化以后，湍流准则也基本上达到了 口模, 如果此时满足阻力处于同一区域，那么气流脉动対燃烧颗粒的影响也可以近似得到相似。如果能满足进口条件相似，则意味着，wp/vg = idem和ce = idem能得到遵4"；n)=idem 也能得到遵守。(4)要求遵守准则pp/pg= idem,在等温模化中用相同的物质就可以做到。综上所述，简化可得到两相流动的近似模化屮，应遵守的相似准则为:fr, st和re(或 者处于和同的流动阻力区)。6、气固两相流的试验测试技术在锅炉的调试和运行过程屮，常会遇到两相流的取样和测量的问题。如果想知道各种燃 烧器内部的煤粉颗粒和空气的温度、速度浓度

8、等，就必须对两相流进行采样测虽和分析。h 前已经有很多的测量两相流的方法，例如可以利用灰粒对光线的光谱吸收特性制成光学测虽 装置，可以利用静电效应、超声波、激光或者英他的方法测量。需要测量的两相流参数主要 有:颗粒和气流的速度、浓度及温度.颗粒粒径等物理量。常见的颗粒速度测虽方法冇取样法、动量法、相关法和激光多普勒法。可以用各种气力 探针、热电风速仪和叶轮风速计以及激光测速的方法来测最气流速度，还可以用飘带法和示 踪法來得知速度的方向。流量的测量包括速度法、节流法、示踪法、质量流量法和温度法。目前的测量气固两相流的方下去很多，人多是利川颗粒的各种物理性质，例如比色法、 光电法、电容法、静电法、

9、超声法丫射线法等等。tl前工业上用的主耍测温装置，有轴射式温度计和接触式温热电偶两种:可以用pda测 量颗粒的粒径分布。7、煤粉燃烧器内气固两相流的研究现状从8()年代后期开始，国内的很多高校和研究机构对燃烧器内的气固两札i流动进行了研 究，清华大学、浙江大学、华中理工大学和哈尔滨工业大学等，都对气固两相流动的研究做 出了很多卓有成效的工作。近年來由于计算机技术口新月界的发展，给数值模拟带來了无限生机，气固两相流数值 模拟的对象和深度都达到了一个崭新的台阶。在对湍流气相场进行数值模拟时，得到最广泛应用的是ke模型。在能满足工程需要 的前提下，它也是最简单冇效的双方程模型。但是在许多流动较复杂的工程实际中，k-£模 型的计算结果会和实际情况产生较大的误差。所以，很多学者又提出了对k-£模型的改进 和修正。对于气固两相流动，在模拟时或者把颗粒群当作拟连续介质或者拟流体，或者把颗粒群 看作离散体系。颗粒拟流体模型的核心问题是颗粒湍流模型，冃前一般采用两种方法:一种 是基于颗粒追随流体脉动概念的hinzc-tchcn颗粒湍流代数模型(ap模型);第二种是颗粒湍动 能方程模型(岭模型)。除此z外，还有统一的二阶矩模