生物質燃燒機內空氣動力場的實驗研究
    為了考查生物質燃燒機的空氣動力特性，對實際燃燒機進行了流場測定．從燃燒空氣動力學角度對實驗結果進行了分析．結果表明，切向速度分布由于壁面粗糙度的影響而偏離模型情況；壁面粗糙度和二次風弱旋流造成了雙環形回流的軸向速度分布，有利于生物質的著火和火焰穩定．
1  引言
    開發和應用生物質是工業爐窯以煤代油和充分利用煤炭資源的有效途徑，目前生物質的燃燒裝置大多采用噴流床或管式爐[-，2]．這些燃燒設備中生物質的燃燒均屬于火炬燃燒，其空氣動力工況對生物質的著火和穩定燃燒不甚有利，且由于氣流與燃料的混合程度和燃燒強度不是很高，很難達到生物質的高效燃燒，因此，筆者設計研制了一種燃燒機，采用旋轉的霧化空氣及二次風，使室內氣流強烈旋轉從而造成高溫氣體回流，不斷補充點火熱源，這種燃燒機對生物質的著火和穩定燃燒起了很大作用C3J，在較低的窒氣過剩系數下燃燒效率就可達到99%以上[4]．本文對燃燒器進行了冷態流場測定，從燃燒空氣動力學角度進行了分析討論，對實際旋風室的空氣動力場及其規律有了深入的了解．
2實驗裝置與方法
    圖l為所設計的旋風筒及冷態測試裝置示意圖，一次空氣經霧化噴嘴從軸向引入旋風室，二次風由兩個相對180。布置的切向風口引入．旋風室底部設一圓臺形煙氣出口，形成底部環室．旋風室內襯為重質高鋁混凝土加鎂砂搗制而成。
    由于切向二次風射流受到筒壁的約束，在沿簡體軸線方向流動的同時，被迫作旋轉運動，而氣流在徑向上的遷移分量很小，僅在筒體的個別部位才有較明顯的徑向速度值．因而，一般在旋風室空氣動力場的研究中，氣流徑向遷移速度予以忽略，僅側重于切向和軸向速度場C5J．所以本實驗僅測平面流場．測量采用東方汽輪機廠制造的三孔圓柱探針，其直徑為4 mm，對測點的流動干擾很小，具有較大的方向靈敏性，且操作、計算簡便可靠，測量精度與激光多普勒風速儀相近C6J．
2.2測試方法
    本實驗在旋風筒徑向上選取5個測點．測量時探針分別伸入室內5，25，45，65及85mm，對應的測點的無因次半徑r/Ro分別為0.94，0.71，0.47，0.24和0．通過對高度上4個不同截面的各測點的測量，即可獲得燃燒機內的流場分布．截面位置以無斛次距離Z（與噴嘴出口距離／總長）表示，4個截面自上到下的無因次距離分別為0.25，0.50，0.75，1.00．
    冷態實驗中可調節的工況參數有風量和一二次風的比例．由于生物質的燃燒對空氣過剩系數的變化不如煤粉那么敏感；水蒸氣與碳氣化反應的存在，使總的燃燒過程對氧的依賴性不大，且空氣量的多少并不影響空氣動力場的變化規律，因此對煤漿量在40--80kg／h的范圍空氣過剩系數禮選宅在0 .60-0.85之間，一次風率Fi在is-90%范圍內．分別對采用旋流數S為0，0.34，0.55和0.73的噴嘴的工況進行了測定．
3實驗結果及討論
  3.1切向速度分布規律
    正是由于空氣圍繞旋風筒中心線旋轉，產生離心作用，使燃料顆粒被拋到旋風室壁的熔渣膜上，才使燃燒得以進行．因此，切向速度分布對燃燒過程和液態排渣是至關重要的．
    圖2所示為在光滑的旋風筒模型中測得的切向速度分布[”．圖3是本實驗測得的典型的切向速度分布曲線．圖中VO/VOi，；為無因次切向速度（相對于入l|j速度）．由圖可見，兩者有些類似，但也有較大的差異．切向速度在近壁處出現第二峰值，使整個曲線呈“雙峰”．這說明旋風筒的壁面粗糙度對切向速度的影響很大．
    (I)壁面粗糙度對切向速度的影響
    從圖3可見，沿軸向在近壁處，自E而下切向速度逐漸減小；而靠近中心，自上而下速度逐漸增大，這說明壁面粗糙度可降低切向速度，由于旋風筒的壁面粗糙度較大，在與切向速度垂直的平面上產生同流，有較大的能量損失，因此近壁處的切向速度隨旋度的降低而不斷減小，
    為了進一步證明壁面粗糙度對切向速度的影響，在關閉一次風及一側二次風的情況下，在同一截面(Z=0.75)的兩側對切向速度進行了測量．從圖4可見，l、2兩側相差半個圓周，壁面處的切向無因次速度由1.7降為1.2，減小了29.4%．壁面粗糙度不僅是影響切向速度的主要因素，而且也是造成切向速度分布不均衡的主要原因，即橫向回流使氣流旋轉中心線偏離旋風筒中心線。
    (2)空氣過剩系數禮對切向速度的影響
    圖5是在其它條件都相同的情況下，僅將死由0.69增至0.82而得到的切向速度分布．可以看出，風量較小時整個切向速度較小，而且沿軸向、徑向變化幅度都不大．風量增大，旋轉變強，切向速度提高．隨著他的增大速度分布的不均衡性也愈明顯，說明橫向回流作用隨之增大．切向速度的增大，特別是在近壁處的切向速度的增大，將使離心力增大，在近壁處和底部環室會集中更多的燃料顆粒，從而強化燃燒或氣化過程．
    (3) -次風及噴嘴結構對切向速度的影晌
    實際的}刃向速度“雙峰”分布的現象在其它旋風爐冷態試驗中也有出現(8]，但未見有對此現象的解釋．由圖5可見，在沒有一次風時，切向速度分布曲線只有一個峰值，并沒有邊峰出現．這說明雙峰形切向速度分布可能是由于一次風的作用形成的．
    計算得8= 0.55<0.6．由于該計算公式是由渦殼為對數螺線條件下推導出來的，而本旋風室的進風管只是簡單的直管．因此二次風入爐的旋流強度8要小于0.55，為弱旋流．按一二次風比例為15：85計算，一次風出口速度約為二次風速的兩倍．
    由于二次風的旋流較弱，且出口速度又較低，強烈旋轉的一次風就會起決定作用．若一次風的旋流強度大干二次風的．旋流強度，則當兩者相遇時，一次風就帶動二次風加速旋2.5轉，其效果就造成近壁處的氣流速度增大，從而使切向速度分布呈現邊峰．而且一次風旋流強度越大，邊峰峰值愈高．實驗結果亦證明如大而增大．當采用直流噴嘴(S=0)時，切向速度分布沒有邊峰，很接近模型情況．而采用旋流噴嘴，正如前面分析，切向速度分布出現作用更加明顯．總之，一次風的旋流強度對切向速度有很大的影響．噴嘴的旋流強度增大使氣流的切向速度顯著增加，這對于強化燃燒過程是十分有益的．因此熱態燃燒試驗應采用旋流強度較大的煤漿霧化噴嘴．
  3.2軸向速度分布規律
    通過對4個不同截面上各點的軸向速度的測量，發現軸向速度分布并不象在壁面光滑的模型中測得的結果．如圖7所示，恰恰與模型中測得結果相反，出現中間環形回流及近壁環形回流．從實驗結果來看，影響軸向速度分布的主要因素是壁面粗糙度、噴嘴旋流強度和一次風量．
    (1)壁面粗糙度對軸向速度的影響
    從軸向速度分布曲線可以看出，筒內有回流存在，但回流流股主要分布在近壁(r／Ro=0.94)處和靠近中心(r／Ro=0.24)處．即出現雙環形回流．在環形回流之間及旋風筒中心，氣流是向下運動的．與光滑的旋風筒的軸向速度比較，最顯著的差別就是中心反向逆流區消失，而近壁處出現回流．產生這種現象的原因主要是壁面粗糙度的影響．由于在壁面凸凹不平處發生渦流，破壞了邊緣氣流向環室的流動；由于橫向回流的存在，使邊緣處的軸向速度分布更加不規則．當然，造成雙環形回流的原因不僅僅是壁面粗糙度，旋風筒的結構也是很重要的．本設計的旋鳳燃燒器二次風為弱旋流，因此軸向壓力梯度不大，不能引起足夠的中心氣體回流，可以設想，旋風筒大部分區域是向出口流去的正向氣流，在簡中心氣流從出口排出．由于旋風筒底部有一環室，氣流運動到環室后被迫折回，返回氣流的能量比出口氣流要小，因而被出口氣流分為兩股，一股沿壁面流回到旋風筒上部至根部折回；另一股插入正向氣流向上逆動，把正向氣流分成了兩股．如圖7所示，下部逆向回流速度值較大，而上部回流速度較小，這表明回流在上升過程中有較大的能量損失．盡管如此，在噴嘴根部仍有一定的環形回流．實驗表明[3，4]，這種雙環形回流的存在對生物質的著火和穩定燃燒起了重要的作用．
    (2)噴嘴結構對軸向速度的影響
    如圖9所示，當采用直流噴嘴時，由于沒有一次鳳的旋流，噴嘴根部沒有回流產生．只是下部附壁處存在部分回流，因此熱態時不會有高溫氣流到達點火段，這種霧化噴嘴不宜采用．
    但當采用旋流角a= 37。的旋流噴嘴時，軸向速度分布發生了很大的變化．如圖10所示，旋流使氣流核心部分的壓力比周圍介質的壓力低，該區域的壓力將從嘖口沿著軸線方向增加，在這個軸向壓力的作川下，刪囤介質逆射流軸線方向朝噴H方向運動而形成回流．從軸向速度分布來看，采用較大旋流程度的霧化噴嘴也是加速著火和強化燃燒的有力措施．
4結論
    (1)實際燃燒機壁面粗糙，導致表面渦流和橫向回流，使氣流旋度降低，從而造成切向速度分布不均衡．
    (2)壁面粗造度和為弱旋流的二次風造成了雙環形回流的軸向速度分布，為生物質的著火和燃燒提供了良好的空氣動力工況條件．
    (3)采用強旋流煤漿霧化噴嘴是創造良好空氣動力工況的重要措施．在該條件下，可以獲得較大的切向速度和較大的環形回流．
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