东北电力学院硕士学位论文摘要摘要 本文对钝体型浓淡燃烧器在四角切向燃烧煤粉炉中的应用进行了实验研究及数值模拟分析。ＦＷ淡型煤粉燃烧器是一种新型燃烧器，浓淡燃烧方式能够解决锅炉低负荷运行时燃烧不稳的问题，同时也是一种清洁燃烧方式护｝ 本文介绍了煤粉浓淡燃烧方式在锅炉稳燃和降低锅炉燃烧时ＮＯ、生成量的机理。Ａ据模化理论，进行了冷态模化试验，通过对试验结果的比较分析，提出了在切向布置直流煤粉燃烧器上实现浓淡燃烧的具体方案，并根据浓淡型煤粉燃烧器冷模试验结果在６７０ｔ／ｈ锅炉上的应用情况，讨论了浓淡燃烧技术在实际应用中遇到的一些问题。本文利用Ｋ－Ｃ双方程模型对钝体型浓淡燃烧器出口流场进行了数值模 ，开／一飞拟，并从其流场分布特点分析了钝体角度对钝体后回流区几何形状的影响，以及钝体角度变化对煤粉浓度的影响。数值计算与试验结果对比吻合。结果表明，在浓淡燃烧器出口加装钝体形成的回流区对浓淡煤粉燃烧器浓淡比的影响不大，并且，加装钝体后出口湍流强度显著增强，有利于煤粉的着火燃烧。关键词煤粉锅炉浓淡燃烧冷态模化稳燃数值模拟东北电力学院硕士学位论文摘要Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｕｎｔ ｂｏｄｙ ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎ ｂｕｒｎｅｒ ｏｎｔａｎｇｅｎｔｉａｌｌｙ ｆｉｒｅｄ ｕｔｉｌｉｔｙ ｂｏｉｌｅｒｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ． Ｔｈｅ ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎ ｔｙｐｅ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｂｕｒｎｅｒ ｉｓ ａ ｎｅｗｔｙｐｅ ｏｆ ｂｕｒｎｅｒ． Ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｅｎａｂｌｅｓ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒｈｏｌｄｉｎｇ ｓｔａｂｌｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｌｏｗ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｌｅａｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｍａｋｉｎｇ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＯ，，ａ ｔ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ． Ｃｏｌｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｏｍｅｒ ｓｔｒａｉｇｈｔ ｆｉｒｉｎｇ ｂｕｒｎｅｒｓ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃｏｌｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｂｕｒｎｅｒ ｏｎ ａ６７０ ｔ／ｈ ｂｏｉｌｅｒ， ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ． Ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ ｋ－￡ｄｏｕｂｌｅ ｌｆｏｗ ｍｏｄｅｌ ，ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｔｌｆｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｕｎｔ ｂｏｄｙ ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎ ｂｕｒｎｅｒ ｉｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ，ａｎｄ ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｌｕｎｔ ｂｏｄｙ＇ｓ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｆｏｒｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｕｘ ａｒｅａ ａｆｔｅｒｔｈｅ ｂｌｕｎｔ ｂｏｄｙ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｔ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｔａｌｌｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｔｅａｄｙ ｒｅｆｌｕｘ ａｒｅａ ｗｉｌｌ ｂｅ ｆｏｒｍｅｄ ａｆｔｅｒ ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｂｌｕｎｔ ｂｏｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｔ ｏｆ ｔｈｅｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎ ｂｕｒｎｅｒ ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｅｘｉｔ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍａｒｋｅｄｌｙ ｅｎｈａｎｃｅｄａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｂｏｉｌｅｒ， ｄｅｎｓｅ－ａｎｄ－ｔｈｉｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，Ｃｏｌ ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ，ｌｆａｍｅ－ｈｏｌｄｉｎｇ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＩＶ东北电力学院硕士学位论文主要符号表主要符号表英文字母 Ａ，ａＡｒ．， Ａｗ， ＡＮ， ＡＳａ， ６面积，差分方程系数偏微分方程系数钝体底边宽度，差分方程系数ＣＣ，， Ｃ２， ＣｕＣＯ。。ｄｌｄ．，ｎ户ｆ上一卜 Ｉ 「』Ｋ曰曰ＪＩＩＪ卜“卜百匕ｌ ｍ ｍ，ｎＮＵＰＣＦ ｅ 自践 ｅ 八乙 小〔卜巾 ｐ Ｕ １Ｖ 浓度，差分方程系数双方程湍流模型的常数阻力系数湍流粘性表达式中系数定压比热直径，颗粒直径扩散系数，网格点中扩散项系数，扩散项混合物分数Ｆｒｅｕｄ数湍流动能的产生项饨体高度对流与扩散通量输运通量湍流脉动动能湍流标尺混合长度质量，颗粒质量颗粒数密度Ｎｕｓｓｅｌｔ数压力，离散方程中控制容积的节点Ｐｅｃｌｅｔ数Ｒｅｙ关于广义变量中的运动微分方程的源项ｎｏｌｄ数气固两相相互作用产生的源项气相Ｘ， Ｙ方向的速度固相Ｘ， Ｙ方向的速度三个方向的坐标Ｘ， Ｙ方向最靠近钝体斜壁的一个节点到斜壁面的垂直距离东北电力学院硕士学位论文土要符号表Ｑ八ｐｒＫ・，协ｐＬｕＥ・ＶＰＰＴＴ ｒｋ中Ｗ“＊”ｅ， ｗ， ｎ， ｓＧ， Ｗ， Ｎ， ＳＰ１ｉｎ希腊字母钝体顶角的半角松弛因子输运系数常数分子运动粘性系数湍流运动粘性系数有效运动粘性系数ｕ ｅ二 ｕ。＋ｕ湍流脉动动能耗散率运动粘度气相密度固相密度气相湍流的脉动时间颗粒弛豫时间广义变量流函数上角标表示脉动量表示上一次迭代的值表示平均量下角标包围节点Ｐ的四个控制体面与节点Ｐ相邻的四个节点方向网格划分中代表节点Ｐ的变量横向第ｉ个网格点表示进口纵向第ｊ个网格点代表固相代表广义因变量中的东北电力学院硕十学位论文第Ｉ章前言第１章前一Ｊ‘‘ 口 １．１研究背景 随着国民经济的不断发展，电网用电结构发生了很大变化。电网日负荷的峰谷差日益加大，以东北电网为例，昼夜峰谷差达５０００－５５０ＯＭＷ，约占电网总容量的１／４，其它各大电网的峰谷差己超过最高负荷的３０％，个别地区接近５０％，由于我国各大电网的组成结构一般都以火电为主，少量的水电又有很多是径流式，不宜弃水调峰，因而大型火电机组参加电网调峰是必然趋势。火电机组参加调峰的方式很多，但高温高压及以上参数机组以低负荷运行为主，火电机组低负荷运行的能力，对燃煤机组而言，锅炉燃烧的稳定性是机组带最低负荷的主要条件。因此，要提高机组的调峰能力，必须首先解决锅炉低负荷下稳定燃烧问题。，为了使煤粉锅炉稳定燃烧，适应目前我国电站锅炉燃煤品质下降，煤种多 变的趋势，解决锅炉运行的不稳定，燃烧效率不高等问题，设计具有较好煤种适应性，具有较好燃烧稳定性及能组织好炉内空气动力场的煤粉燃烧器具有十分重要的意义。基于此，近年来我国开发了一些提高燃烧稳定性及煤种适应性的新型煤粉燃烧器｛’〕，如煤粉预燃室燃烧器、钝体燃烧器、夹心风燃烧器、多功能船形燃烧器等等，目前，这些燃烧器己在我国火电厂中不同规模得到应用，有的己达正常运行水平，并在稳燃等方面取得了较好效果。煤粉浓淡燃烧器是利用煤粉浓缩技术的新型燃烧器，煤粉浓缩燃烧技术是 近儿年来国内外采用的一种新型煤粉燃烧技术，浓缩燃烧方式具有很强的稳燃作用。在煤粉浓缩装置中，一次风煤粉空气气流被浓缩并分离成两股含粉浓度不同的气流，即含粉浓度高的浓煤粉气流和含粉浓度低的淡煤粉气流，分别送入炉内燃烧。理论分析与实际应用都证明［ ［２１：煤粉气流浓缩并分离成浓淡两股气体分别燃烧时，避开了ＮＯ、生成量最高时的煤粉浓度，两股气体燃烧后生成的ＮＯ、加权平均或总量大幅度降低，因此，浓缩燃烧方式也是一种清洁燃烧方式。为了得到有利于煤粉稳定着火燃烧的局部高煤粉浓度，对于直流燃烧器来 说，煤粉浓缩主要靠气流转弯流动的离心力来实现浓淡分离。为了增强一次风煤粉气流的浓度，并加强其扰动，根据冷模试验结果，在一次风出口加装钝体，由于钝体后的分离流动改变了流场的湍流结构，明显地提高了煤粉火焰的稳定性和燃烧强度。为了研究钝体后气流绕流回流区的流动状况，得到更佳的钝体结构，本人进行了试验与理论计算的研究。东北电力学院硕士学位论文第ｔ章前言１．２气固两相流动研究的发展概况 气固两相流动广泛存在于工程技术的各个领域中（如循环流化床，锅炉烟气，一次风煤粉，固体燃料火箭等），气固两相流总体上分为稀相流和密相流。通常认为在稀相流中山于颗粒相的浓度不太大，使得颗粒相对气相运动的影响不太大，颗粒相的运动规律与气相基本一致，只要把气相和固相运动的相互影响加以修正即可（例如固相对气相的相对滑移，固相的存在对气相的阻力，气相对固相的作用力等等）。而密相流指的是颗粒相浓度增大到一定数值后，对气相的流动会造成很大的影响。此时用气相流动的方程就很难加以描述。这时主要的矛盾是颗粒相的流动，颗粒相对气相的影响大到不能忽略，因而流动过程就不能用简单的气相方程加以修正来描述。循环流化床、负压输送水泥等属密相流；而一次风煤粉、锅炉烟气、固体燃料火箭尾部射流等属稀相流。人们对气固两相流的研究是在单相湍流问题还没得到很好解决之前出现的 又一在理论和实验两方面都不成熟的复杂问题，具有较高的学术价值。这一领域虽然开展得比较晚，但目前在国内外开展得相当活跃，进展也相当迅速。气固两相流研究的发展是随着单相流研究的不断深入，计算工具和测试手段的先进程度而发展的，单相流的研究经历了低雷诺数下的层流到高雷诺数下的紊流的阶段，很长一段时间内，人们只能对非常简单的层流进行解析求解１：＋１。从六十年代，引入了用近代流体力学和计算机为基础的计算机模拟或者数值模拟理论和方法，使数值求解发展到一个全新的阶段，与此同时，气固两相流的研究正式确立起来，并成为多相流的一个分支。在计算求解的同时，不少学者由于工程实际的需要，在气固两相流方面作 了大量的研究。最早的气固两相流实验是牛顿于１７１０年进行的粘性流体中定常运动的圆球阻力实验。之后，不少研究工作者进行了大量的研究。对于弯管内气固两相流的实验及数值研究，国内外已做过一些报导１＂－ ＇１， Ｋｌｉａｆａｓ１５１等用ＬＤＶ对竖直转水平方形弯管道内粒子与气体的速度分布，湍流度分布及颗粒浓度分布，分析了进口流速、弯管曲率半径对弯管流动的影响。我国西安交通大学压’〕对水平弯管内煤粉浓缩特性也进行了较为深入的研究。清华大学施学贵博士采用激光全息对船形燃烧器进行了实验研究１８１。在理论方面，浙江大学岑可法、樊建人教授对脉动气流中煤粉的运动规律以及气固射流作了很多有益的探索〔９・７０．Ｉｌｌ。清华大学周力行教授采用雷诺应力模型（ＤＳＭ模型）与颗粒相ＰＤＦ方程模型相结合的两相湍流ＤＳＭ－ＰＤＦ模型对旋流气固两相突扩流动进行了模拟，并探讨了该模型的可行性，结果表明该模型可以揭示出两相湍流的各向异性，因此有预报强旋流动的潜力［１１２１日本对两相流动的研究及燃烧器的开发也较为普遍，如文献〔 １３， １４」论述了两相流的数值计算以及气固两相流的数值分析，文献【１５〕论述了煤粉输运过程的数值模型，文献［１６」则对煤粉燃烧器的开发阐述了新的见解。就目前来看，在气固两相流的研究中最为棘手的问题是如何考虑两相间的 东北电力学院硕十学位论文第１章前言相互作用（包括动量交换及湍动能交换），它包括两方面内容：第一，固体颗粒的存在如何影响气流的平均场特性及湍流特性；第二，气流的湍流特性将如何影响粒子的运动，也就是粒子的湍流扩散问题。目前，对这两个问题，主要有两种处理方法，即欧拉法和拉格朗日法。欧拉法的优点是可以全面考察颗粒的湍流扩散，并用统一的方法来处理颗粒相和气相，计算结果易于和试验对照，因此得到越来越广泛的应用。如文献［１７］提出的Ｋ－ｓ －Ｋ，模型，文献［１８〕的Ｋ－￡模型及文献［［１９１的低雷诺数Ｋ一模型。但欧拉法也存在其缺点，即无法得到某个颗粒的运动状况。与欧拉法相比，拉格郎日法比较简单，可以追踪颗粒的经历，单拉格郎日法在处理颗粒湍流扩散时遇到了困难，它对湍流扩散缺乏较好的处理方法，难以给出速度及浓度分布，如给出此分布，就必须进行大量的颗粒轨道计算，而这样的计算几乎相当于半直接模拟。 樊建人等［２０１ （１９８７年）曾提出一种描述颗粒一气体多相流动的数值计算模型一脉动频谱随机轨迹模型，该模型用Ｋ－ Ｅ湍流双方程模型求解气相湍流速度场，并用随机的傅立叶级数来模拟气流的脉动速度，在拉格郎日坐标中研究颗粒沿轨迹的运动情况，并用体积平均方法求出颗粒的速度场，同时该模型也计及了颗粒相和气相的祸合作用。但这一模型没有考虑截面由于浓度分布不均匀而造成的漂移速度对颗粒运动的影响效应。文献［２１〕用欧拉法研究了颗粒的湍流扩散，得到了湍流扩散系数的数值解。在燃烧器设计以及煤粉燃烧方面，哈尔滨工业大学朱彤等对水平浓淡煤粉燃烧器进行了试验研究［２ｚ１，杨耀宾博士对射流对冲式煤粉燃烧器的煤粉运动进行了数值计算和试验研究［ｚａ１。哈尔滨工业大学范伟东等对百叶窗煤粉浓缩器进行了数值模拟研究囚，清华大学刘向军、徐旭常对四角切圆燃烧煤粉锅炉炉膛内空气动力场进行了数值研究，模拟了锅炉炉内冷、热态情况下的流场Ｇ 概括起来，目前对气固两相流进行计算求解的方法大多是用混合长度模型，！ｓ１一方程模型和Ｋ一模型来描述气相方程，然后，根据对颗粒流动的不同考虑写出颗粒相的动量方程进行藕合求解，得到颗粒的速度场轨迹和浓度场等，由于多相流的复杂性，所建立模型的求解与试验结果有较大误差。因此，必须把试验与数值计算结合起来对某一特定气固两相流问题进行研究，才能得到比较满意的结果。１．３本文的任务１、分析浓淡燃烧器的稳燃及清洁燃烧机理。ｚ、钝体型浓淡燃烧器的冷模试１１ｋ． ａ ３、钝体型浓淡燃烧器的工业试验。４、气固两相流模型的建立。５、建立一个基于欧拉法的颗粒湍流模型，对水平直方管中钝体后速度东北电力学院硕士学位论文第１章前言 场进行数值模拟。６、分析、比较试验和数值模拟的结果。东北电力学院硕士学位论文第２章煤粉浓缩燃烧技术第２章煤粉浓缩燃烧技术２．１浓淡型煤粉燃烧器的稳燃机理及稳燃效果 根据稳燃机理，为了保持煤粉火焰的稳定，应该组织良好的炉内气流结构，使之形成煤粉着火有利区，即高温并具有高扰动度的区域，并使气体中煤粉在此局部分离和集中为高浓度，这个具有高煤粉浓度、高温和高扰动度的局部区域称为“三高区”，就是保持煤粉火焰稳定的着火有利区。浓淡燃烧器正是致力于形成“三高区”，采取措施使一次风煤粉气流浓缩，以形成有利于稳定着火的高煤粉浓度，“三高区”的形成对煤粉颗粒着火燃烧提供了极为有利的条件，在“三高区”煤粉开始着火，形成稳定的着火源，不断点燃已处于高温区的高浓度煤粉，由于浓煤粉气流具有较高的火焰传播速度，其着火性能明显改善，因而能达到强化着火和稳定燃烧的目的，而淡煤粉气流显然着火性能差。但可依靠与附近的浓煤粉火焰接触而着火燃烧，使火焰扩展到整个射流。由于有了局部可燃煤粉气体的良好着火源，无须将全部煤粉同时加热到着火温度。煤粉气流所需的着火热包括两部分，即加热煤粉和加热一次风的热量。在常规条件下，着火热中，加热一次风所消耗的热量约占８０％左右，直接加热煤粉的热量约占２０％左右，随着煤粉浓度增加，煤粉气流着火热将显著减小。据计算，若煤粉浓度从０．４Ｋｇ／Ｋｇ增加到０． ６５Ｋｇ／Ｋｇ，着火热可降低３０％左右，这对着火是十分有利的［Ｌ）。因而煤粉气流射入炉内后，着火时ｆ１９缩短，燃烧过程提前，煤粉燃烧更加稳定。提高燃烧器出口煤粉浓度对煤粉火炬的稳燃有许多积极作用，可归纳为 如下几个方面： １，着火热把煤粉气流加热到煤粉颗粒着火温度所需热量的多少，对煤粉气流是否容易着火关系重大，这部分称为着火热，它主要用于加热煤粉和空气并使煤粉中的水分蒸发并过热。着火热可按下式计算：Ｑ，二〔Ｖ， Ｃ，；・二１００１－００二二）ＷＹ（ｔ｝一ｔ，｛（０Ｗ１０ｒ一）４．１９（１０。一，・２５１。一。一。。］）ＫＪ／Ｋｇ（２一１）式中Ｖ，一一次风量，Ｎｍ＇／Ｋｇ；ＣＫ一空气的比热，ＫＪ ／ （ Ｎｍ＇．０Ｃ ）；东北电力学院硕士学位论文第２章煤粉浓缩燃烧技术Ｃｇ一燃料干燥基比热，ＫＪ ／恤．ｃｃ）；Ｃ；一水蒸气的比热，ＫＪ／ （Ｋｇ．０Ｃ）；Ｗｒ一燃料水分，％；ｏｗ一原煤在制粉系统中蒸发掉的水分，Ｋｇ／Ｋｇ； ｔ，一一次风煤粉混合物的初温，“Ｃ； ｔ，一着火温度，ａｃ；根据（２ －１）式，当煤粉浓度提高，即一次风量降低时，着火热降低，煤粉容易着火。２、着火温度 文献〔２６〕对两种煤求解出不同煤粉浓度对应的着火温度列于表２－１，一般说来，随煤粉浓度的增加，煤粉气流的着火温度是降低的。表２－１煤粉浓度与着火温度的关系无烟煤煤粉初始浓度（Ｋｇ／Ｋｇ）０．５１ ５．０混合物着火温度（ＯＣ）１２００ ８００３、着火时间 煤粉浓度提高后，由于煤粉气流的着火热和着火温度均减少，煤粉气流加热到着火温度所需时间将减少。吸、火焰传播速度。煤粉气流中的煤粉浓度过小或过大，火焰传播速度均 减小。对于任何煤种，都有一个最佳的火焰传播速度范围。对于目前电厂锅炉所采用的煤粉浓度，适当将其提高会使火焰传播速度加快。５、辐射换热量。煤粉浓度的提高，增加了火焰黑度，煤粉气流的辐射吸 热量增加，有利于着火。２．２浓淡燃烧方式降低ＮＯｘ生成量的机理燃料燃烧过程中生成的氮氧化物（ＮＯ， ）会严重地危害生态环境，已成为锅炉排烟污染大气的三害中一个急需控制的项目。对ＮＯ 、生成特性的研究（２７１表明：ＮＯ、的生成量与一次风煤比有关，研究结果见图２－１。由图可见，一次风煤比在３－４ｋｇ／ｋｇ（煤）时，ＮＯ、的生成量最高，偏离该数值，不管是煤粉浓度高的一侧，还是煤粉浓度低的一侧，ＮＯ、的生成量均下降。 图２－１中上面的一条曲线是普通煤粉燃烧器的ＮＯ：生成特性。显然，风煤比越大，火焰中的ＮＯ，浓度越高。下面一条曲线是分级燃烧方式的煤粉燃烧器的ＮＯ，生成特性。从磨煤机到燃烧器的煤粉管道中，一次风的风煤比Ｃ２－－３Ｋｇ（空气）／Ｋｇ（煤））．对普通煤粉燃烧器来说，此时火焰中ＮＯ、的生成量为（Ｎｏ，东北电力学院硕士学位论文第ｚ章煤粉浓缩燃烧技术对一般分级燃烧的煤粉燃烧器，ＮＯ，的生成量为（ＮＯ，）。。；显然，（ＮＯ，）。，（（ＮＯＴ）。。对于不仅有分级燃烧功能，而且具有使浓、淡粉流分别燃烧功能的浓淡型燃烧器，山于将风煤比为Ｃ。的一次风气流分成浓淡两股风粉流（即高浓度的浓煤粉气流Ｃ，与低浓度的淡煤粉气流Ｃ，）分开燃烧，对于整个燃烧器，其ＮＯ、的生成量即为（ＮＯ，）。，与（ＮＯ％） Ｃｓ的加权平均值（ＮＯ，） ，，，。显然，（ＮＯ，）。。比（ＮＯＴ）。。还要小得多。尸诵舒通燃烧区的ＮＯｘ生成持性（１』』二ｒＪ（ＮＯｘ））ｘ（〕２／（Ｎｏｘ）ｃａｉＮＯｘ）－／（ＮＯｘ） ｒＫ（ＮＯｘ ）ｃ，０ ＣＧ Ｃ， ３＾－４Ｃ， ７－８贝煤比（ｋ８空气八“煤） 图２－１浓淡燃烧器的ＮＯ、生成特性若是只进行Ｃ，浓风粉流的燃烧，或只进行Ｃ，淡风粉流的燃烧，均可达到 低ＮＯ、值。但是只烧浓风粉流时，有可燃物损失大（燃烧不完全）的缺点，尽管其着火和燃烧是稳定的；仅烧淡风粉流时，可燃物损失不多，但有着火不稳定的缺点。在组织成前述的浓淡两种风粉流燃烧时，不只是降低了ＮＯ，，还可以使着火稳定和降低可燃物损失这两点要求得以满足。２．３煤粉气流浓缩方式 煤粉浓淡燃烧的形式主要依赖于煤粉浓缩分离装置，对于直流燃烧器来说，煤粉浓缩主要是靠气流转弯流动的离心力或偏流装置的导向作用。图２－２中示出了国内常用的几种煤粉浓缩方法。煤粉旋风分离浓缩（ ａ）主要用于Ｗ型火焰锅炉，燃烧器安装在炉膛的前后拱上。运行中，进入旋风分离器的一次风煤粉气流大约有５０％的空气和不到１０％的煤粉由旋风分离器分离出来，从乏气喷口送入炉膛． ９０％左右的煤粉和５０％的空气则从旋风筒底部流出，然后向下流出燃烧器主喷嘴，由于一次风量的减少，即使挥发分较低的煤粉，也能保证稳定着火。经主喷嘴的煤粉气流浓度可用挡板进行调节，以适应煤种及负荷变化的需要。利用管道转弯使煤粉浓缩（ｂ），在切圆燃烧炉膛上采用。一次风煤粉气流 由两个喷口同时送入炉内，浓煤粉气流喷口在上，淡气流喷口在下。浓淡两股东北电力学院硕士学位论文第２章煤粉浓缩燃烧技术煤粉气流来自同一根煤粉管道，经过一个由管子弯曲而成的圆弧形分配器，依靠离心力形成浓度较高的煤粉气流。马）止ｚｎ＇Ｉ（ｂ）Ａ－Ａ（Ｃ）（ｄ）井于一玉三万任亘彩芝于（ｅ）（ｆ）图２－２煤粉浓缩的几种方式 （ａ）旋风分离浓缩；（ｂ）管道转弯浓缩；（Ｃ）煤粉浓度变异装置（ｄ）偏流导向装置；（ｅ）叶片导流型浓缩；（ｆ）螺旋板 ＿ｓ－东北电力学院硕士学位论文第２章煤粉浓缩燃烧技术上述的旋风分离和利用管道转弯使煤粉浓缩的方法，是将浓淡两股气流分 别由两个喷口送入，结构较复杂，下列几种方法则是在同一喷口内实现浓淡分离。 变异煤粉浓度燃烧器适用于切圆燃烧方式的锅炉。在四角切圆布置中（图２－３）， １， ４角气流背火侧的浓度高于向火侧。煤粉浓度变异装置（Ｃ）就是在１角和４角一次风管弯头后直管部分各加装一只变异煤粉浓度装置一浓缩管和浓缩板，使其向火侧的煤粉气流浓度高于背火侧；在２角和３角各加装一块浓缩板，从而在同一水平面上实现了浓淡燃烧。在弯头出口处加装偏流导向装置一偏流挡块（ｄ），也可达到与煤粉浓度变 异管相同的效果，并且不会出现堵塞现象。叶片导流型浓缩装置（ｅ）是利用叶片对煤粉气流的导向作用实现煤粉气 流的浓缩和分离。在一次风管道内设置一组合叶片（（２－４片），当风粉气流流经组合叶片时，由于叶片的导向作用，一部分风粉气流改变方向。各叶片之间设计有一定的间隔，被改变了流动方向的那部分风粉气流中，颗粒的惯性远大于空气的惯性，而由于导流作用在叶片后形成一个低压区，部分空气在压差的作用下经过叶片之间的间隔流向叶片的另一侧。扭曲隔板一螺旋板（ｆ）是ＣＥ型锅炉上广泛采用的一种煤粉浓度分离装置。 螺旋板可将管道截面上已形成的浓度差异保持下去，并可以将浓淡气流旋转０．１８００，因此，可利用螺旋板扭曲角度的不同来实现水平左右浓淡分离或垂直上下浓淡分离。在实际应用中，保证煤粉气流在通过该装置时不堵粉，且不产生较大压力损失是很重要的［２８１口图２－３炉膛横截面上煤粉浓度分布东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验 ３．１实型结构及冷模设计３．１．１实型结构 模化原型为通辽发电总厂４号炉，通辽发电总厂的锅炉为ＨＧ－６７０／１４０－６（１２）型，系超高压参数一次中间再热自然循环汽包锅炉，锅炉呈“ＩＩ”布置，是固态排渣煤粉炉，按燃烧褐煤设计。 锅炉炉膛为矩形等截面烟气上升流动的型式，炉膛宽度为１３６６０ｍ，深度为１１６６０ｍｍａ锅炉采用直流煤粉燃烧器六角布置双切圆燃烧方式（图３－１），六组燃烧器分别布置在炉膛四壁上，前后墙各两组，两侧墙各一组，炉膛中心假想切圆直径分别为４）１０１７ ｍｍ和４）１ ０３５ｍｍａ乡１３６长ｏ图３ －１ ＨＧ－６７０／１４０－６型锅炉燃烧器布置图 每组燃烧器（图３－２）共有三层一次风口，每个一次风口截面为７００ Ｘ ９５０ｍｍ｝，风口中间装有十字风管排，管径小１０８ Ｘ ５ｍｍ，内通热风作为中心辅助风，将大尺寸的一次风口分隔成四部分。在每个一次风口上下分别配置两个二次风口，侮个二次风口的面积为７００ Ｘ １７５耐。在煤粉燃烧器中下部设置一个油燃烧器。每组燃烧器总高度为８５６０ｍｍ，宽度为７００ｍｍ。上一次风口与中一次风口中心距离为２６５０ｍｍ，中下一次风口中心距为３４６０ｍｍ．东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与上业试验燃烧器的设计参数：一次风率为１ ５． ５３％，二次风率为６８． ９６％，中心风率为５． ３７％；一次风速为１６ｍ／ｓ，二次风速５０ｍ／ｓ，中心风速２０ｍ／ｓ．本锅炉采用６套风扇式磨煤机直吹式制粉系统，与６组燃烧器相配。每台 风扇磨出口引出三根一次风管，与一组燃烧器的上中下三个一次风口连接。其布置见图３－３０制粉系统的干燥为高温炉烟、低温炉烟和热空气三介质干燥方式。 ・｝１巾烹溉中军中圈串牢器由墨中图３－２ ＨＧ－６７０／１４０－６型锅炉燃烧器 图３－３一次风管道布置图东北电力学院硕上学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与仁业试验３．１．２试验目的冷态模化试验研究的目的是针对通辽发电总厂Ｈ Ｇ－６７０／１４０－１２型锅炉的一次风管道和燃烧器系统，采用加装管内装置等措施，使煤粉气流浓缩分离，以实现浓淡燃烧，达到稳定着火和减少ＮＯｓ排放量的目的。冷态模化试验的原型为一次风管弯头前到一次风口的管段，根据煤粉空气两相流动的模化条件［２０］设计了冷模试验台，确定了试验风速，选择滑石粉做试验物料。３．１．３冷态模化试验条件对煤粉锅炉一次风管内煤粉空气两相流动的模化应遵守如下条件［ ［ｉｆ］川 流动相似：几何相似、单值条件相似、Ｉ２ｅ＝ｉｄｅｍ或Ｒｅ） Ｒｅ；，（２） ｆｒ＝ｉｄｅｍ（３） Ｓｔ＝ｉｄｅｍ（４） ｎ＝ｉｃｌｅｍ或Ｒｅ；」处于同一区ｒ１６１、关于原型模化的原型为一次风管弯头前到一次风口的管段（图３－３），每台风扇磨口 有三根一次风管，由于三个弯头的曲率半径和截面尺寸基本相同，因此可简化为一个模型。原一次风口内有十字风，十字风的存在对浓淡燃烧不利，会使浓煤粉气流 的浓度降低，因此，将十字风取消。在实际设备改造时，可考虑采用周界风或侧二次风代替。取消十字风后，原一次风口尺寸偏大，会使一次风速降低；此外，原设计的一次风速１６ｍ／ｓ，为防止浓煤粉气流着火提前，烧坏喷口或结渣，拟将一次风速提高到１８ｍ／ｓ。综合考虑上述因素，将原型一次风口尺寸由７００ Ｘ９５０ｍｍ，改为６４０ Ｘ ７１０ｍｍ｀，作为设计模型的依据。２、关于流动相似雷诺准则Ｒｅ＝丝表示流体的惯性力与粘性力之比，在试验中，模型中最Ｔ 小流速点的Ｒｅ为１． ９７ Ｘ １０５，可以保证Ｒｅ处在自模化区。单值条件中，物理条件相似可自动满足，因原型中气流温度为８００ Ｃ，模型中气流温度１００Ｃ左右，相差不大；模型与原型中均为方管内流动，满足边界条件；模型中颗粒一空气两相流动在进入弯管前有足够长的直管段，气流得到充分发展，因此可以认为模型和原型的进口条件相似。几何相似是保证原型与模型几何尺寸之比为一常数。另外，尽可能使 ｑ二刀／犷，即原型尺寸与模型尺寸大一些。原型的一次风口尺寸为６４０Ｘ７１。二，，模型采用２２２ Ｘ ２４６ｍｍｚ，因此，Ｃ，＝６４０／２２２＝７１０／２４６＝２． ８８。模型其它部分的尺东北电力学院硕Ｉ：学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验寸也按此比例设计。此外，模型和原形中弯管曲率半径与方管沿半径方向高度之比Ｒ／ＦＩ保持常数。３、气流速度的选择根据Ｆｒ＝。－ｌ’解ｉｄｅｍ来选择气流速度。原型Ｆｒ＇＝解一ｇＬ’（Ｃ＂，Ｗ＂），ＣＺ ｗ Ｗｎ２＿旦Ｆｒ＂ｇｃ，ＣＬ解＂ＣＬ 式中，Ｃ，一Ｗ＝ｗ盯 Ｃ，＝ Ｌｑ ＇：Ｆｒ＇＝ Ｆｒ・一，Ｃ，一ＣＬ一２．８８Ｗ＇ 试验风速Ｗ＂＝１．６９７原型中一次风出口风速为１８ｍ／ｓ，模型中试验一次风速应为：Ｗ＂＝二兰－＿１０．６１ｍ ／ ｓ１． ６９７４，试验物料的确定两相流动模化要遵守斯托克斯准则Ｓｔ ＝ＰｒＷ＂ｓ ＂，ｌ＿Ｃｐ丫＂Ｌｉｄｅｍ，由此可以决定模化时所需物料及其平均直径。取ｎ＝１，原”Ｓｔ件兴异若用煤粉作为试验物料，则ｐ，＝ｐ，，‘Ｆ‘ｐ，＝－－二．＝Ｌ。。。Ｐ．Ｓｔ＇＝＝丘ＳＣＬ ｔ＂若要求Ｓｔ＇ ＝ Ｓｔ＂，则你＝ ＣＬ，与Ｆｒ＇ ＝ Ｆｒ，不符，所以采用煤粉做试验物料是不合适的。采用其它物料做试验时，有东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与＿〔业试验Ｃｐ， Ｐ， Ｗ ＂Ｃ＂ （Ｃ．８”），＝Ｃ＇，ＣＷＣｓ Ｓｔ＂Ｃｏｙ（ＣＬＬ＂）ＣＬ 一ＣＬ 由Ｓｔ＇＝Ｓｔ＂，／‘．‘眨．ｔ、、！Ｃ＇， Ｃｗ Ｃｓ＝１扭｜‘原型中，煤粉平均粒径８＇＝ ６６．３５ｐｍ密度Ｐ，＝１４４４．５Ｋｇ ／ ｍ＇选用某滑石粉，８’＝３９．１３ｐｍ，Ｐ，＝２４４５Ｋｇ ／ ｍ＇，则Ｃｐ一Ｐ，要的试验物料平均直径应为：Ｃ８与所选的滑石粉相符。５、关于遵守ｎ＝ｉｄｅｍ１４４４．５２４４５根据斯托克斯关于气固两相流动计算的理论解，当Ｒｅ ， ＜１时，气固阻力系数Ｃ＝２４，而ｎ＝１ｏ颗粒与气流相对运动的雷诺数Ｒｅ．＝一ＪＡ， ＂ｒ Ｉｐ＂ＩＴｌ口，ｉｆ） Ｌ Ｎ＇ＰｊＴＪ３Ｌ ｒｒ，，．＝｝一二户气二一丁一１、ｒ、二、、、、。、、＊。，ｒ４ｐ，８”馆）＝２＂ｌ ３ｐ铆“）对煤粉（空气ｔ，＝８００Ｃ）和滑石粉（空气ｔ开＝１００Ｃ）的计算见表３－１表３－１颗粒雷诺数计算结果两种情况下均满足Ｒｅ， ＜ １，因此ｎ＝ｉｄｅ。得以满足。 Ｌ－Ｃ Ｃ一芥－Ｃ 一Ｃ：ＣＬ１ｖ／４４ ／ｃｐＶ２Ｃｐ， －－ 尸－ 、＝０．５９１，所需＝Ｓ一斗一；．６９４５、・Ｃ＂ ｐ１．６９４５＝３９．１６４ｍ８嫩 ７ 东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验３．１．４试验系统设计如图３一为气固两相流动系统简图。空气经风机１进入试验系统，空气流 量依靠风机入口挡板调节，风速由经过皮托管标定的笛形管２测量。电动机８经减速器７带动螺旋给粉机５将料斗６中的物料加入管道４中，形成的气固两相流经过弯头和试验段９进入取样室１２，然后经排气管１４排出，部分物料落入集灰斗１３中。 试验段９及前面的弯头和后面的管段均是按几何相似条件制作的，管道截面为矩形，目的是使边界条件与原型的一次风管相似。在试验段内加装一些内部装置，以实现含粉气流的浓缩分离。取样室的设置是为了测量一次风口两相流的浓度，考察内部装置的浓缩效 果。取样室横截面为６００ Ｘ ６００ｍ，高ｌ０００ｍｍ，在侧面开有供取样出入的取样孔Ｌ４ 刃７８ｎ 一／１１厂上这巴１一风机；２一笛形管声一微压计；４一加料段；５－螺旋给粉机；Ｇ一料斗７－减速器；８一电动机；９一试验段；１０一浓缩装置；１１－Ｕ型管差压计 １２一取样室；１３－集灰斗；１４一排气管，１５－温度计图３－４ 冷模试验台简图 试验风速的测量采用标定过的笛形管，每个试验工况开始前，调整风机入口挡板，使微压计读数控制在某一点。该点的确定是将模化一次风速换算到笛形管安装截面的风速，用皮托管标定。试验中保证微压计读数不变也就保证了试验风速不变。一次风管出口取样截面上的速度分布用皮托管逐点测量，试验东北电力学院硕十学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与仁业试验段进出口静压差用Ｕ型管差压计测量。二）＜）《火之一一）卜泛卜泛》＜一＞（＜． 图３－５采样点分布出口截面上气固两相流浓度分布的测量采用的是ＪＹＰ－１ １静压平衡型烟尘浓度测定仪，应用等速取样原理进行测定。为了保证取样点具有代表性，将取样截面的矩形分成８个等面积小矩形，取中心点为取样点，共８个，采样点分布见图３－５．３．２等速取样原理及误差分析 为了正确测得气固两相流的浓度，并且使抽取的固体颗粒样品具有代表性，对于气固两相流的直接取样，必须在等速的条件下进行。所谓等速取样，即让探头进口的吸入速度与探头周围的来流速度（如锅炉烟道中的烟气流速，煤粉输送管道中的煤粉气流速度等）相等，其中取样探头是保证准确等速取样的关键［２９］３．２．１不等速取样误差对于气固两相流进行取样，不外乎有以下四种情况：吸入速度等于、小于或大于来流速度；或吸入速度虽与来流速度相等，但取样探头没有正对气流方向。见图３－６所示。后三种情况都将使得探头进口附近的气流流线改变方向，由于固体颗粒密度大多是气体密度的一千倍以上，所以当取样探头吸入速度和来流速度不相等时，固体颗粒会因惯性力的作用而脱离弯曲的气流流线，造成取样误差。例如，若取样时吸入速度小于来流速度，则进入探头的流量将小于管道中实际的流量，部分气流绕向探头外侧，气流流线向外扩张。探头边缘气流中的微小颗粒会跟随气流向外绕流，而较大的固体颗粒因惯性力的作用脱离弯曲的流线仍进入探头，造成取样浓度偏高和样品中的粗颗粒组分增加，平均东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与＿［业试验粒径增加。当吸入速度大于来流速度时，探头入口附近的气流流线收缩，结果正好与上面相反；同样，取样时探头不正对来流方向，也将造成取样误差。各种取样工况导致测量偏差的结果如图３－６所示。Ｆ 、姗恻一取样工况、．．．，．．． Ｍ．．．取样珍塑一‘甘二呻ｂ哟（切、Ｉ －＞”一Ｉ －＿． ．取祥粉尘浓康１准确４ 准确＇ 丝兰丝变水Ｗｅ变小取样夕尘平烤侧圣赞大了图３－６几种可能的取样工况３．２．２不等速取样误差的理论计算 不等速取样所造成误差的大小，目前尚缺乏严格的理论计算方法。Ｖ． Ｖｉｔｏｌｓ曾根据流体流动方程式及其边界条件，用数字计算解出在不等速程度为０．２５－３．０的几种不等速情况下取样探头进口附近的气流流线分布，以及气流中所含不同直径的固体颗粒的运动轨迹，计算结果与试验比较基本吻合。Ｖ． Ｖｉｔｏｌｓ的计算是在作了以下简化的基础上进行的：（１）假定固体颗粒为球形；（２）假定取样时只有直径相同的“均一”颗粒；（３）假定取样探头壁非常薄：（４）由于固体颗粒的直径很小，在被抽向探头的过程中，重力的影响可以忽略，而只受惯性力的作用。图３－７示出了理论计算的一个结果，其取样不等速程度：竺－－３Ｗｎ 雷诺准则：Ｒ。一兰ｄＰ一２３．２斯托克斯准则式中：ｔｓＳｔ＝兰些星ｚ＝Ｗ０Ｐ０ｄ０二１．０１８衅。 ｗ一取样吸入速度ｍ／５：东北电力学院硕」：学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验ｉｔ ｖ。一来流速度，ｍ／ｓ；ｄ，， Ｐ，一固体颗粒的直径和密度，ｍ和Ｋｇ／ｍ＇＇；ｖ一气体的运动粘度，Ｍ， ／Ｓ：Ｆ ｔ一气体的动力粘度，Ｐ －ｓ；Ｒ。一－ 取样探头的半径，ｍ；上述计算都是在假定气体中只含有二种相同直径的固体颗粒的条件下进行 的，实际的气固两相流不可能只含有理想的“均一”颗粒，对于“非均一”固体颗粒可按其平均粒径计算惯性系数６，锅炉中煤粉、飞灰等更是宽筛分的非均一模型，按平均颗粒计算也会带来较大误差。所以计算时先将煤粉、飞灰等进行筛分，分成直径不等的若千级，然后按各级的平均直径计算分级的惯性系数６ｉ，再按筛分各级的重量份额加权平均求得平均惯性系数后得到不等速取样误差计算式为〔２ｓ７． ｄ：二合（ｄ；＋ｄ；ｊ （ｉ＝１，２，一）｝ｖ ｉｘ仃尸一！＝１００。二三－鱼 ｘ１００厂琳 、ＣＯ ＝１ｕｕａＩ一一１１＼Ｗ ｊ％式中： ｄ尹一各级固体颗粒的平均直径，ｍ；ｘ， 一各级固体颗粒的重量分额，％；Ｑ Ｐｉ一平均惯性系数Ｃ， Ｃ。一来流及吸入探头内固体颗粒浓度，Ｋｇ／ｍ＇结果表明：（）］在同样的相对不等速程度Ｎ二ＷＯ．下，吸入速度大于来流速度（Ｗ ＞ Ｗｏ）所产生的取样浓度误差比Ｗ＜Ｗ，时小得多。灰粒平均直径越大，这个差东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与仁业试验别愈加显著，由于实际测量中不可能实现完全等速取样，所以应尽量将吸入速度提高至略高于来流速度，以降低取样误差。勺娜１．５．比‘之谈杯匆头二二户二，叭．￣一一一￣、＿＼介入口一、之ｓＩａｓ女－：万，‘刀０Ｘ／Ｄｏ图３－７气流和灰粒理论计算例子（１Ｎ／ Ｗ｝＝３，Ｒｅ＝２３．２，Ｓｔ＝１．０）（ ２）不等速取样采集的固体颗粒样品将改变原来的粒度分布特性。（３）对典型的锅炉煤粉，飞灰计算表明：当取样时相对不等速程度竺卫生＜ １１０％，取样探％ 头轴线偏离来流方向夹角不大于士巧％时，可使得浓度取样误差。＜－１５％３．３冷模试验内容与试验结果分析３．３．１冷模试验内容 本试验的目的是针对通辽发电总厂ＨＧ－６７０／１４０－６ （１２）型锅炉的一次风管道和燃烧器系统，采取加装管内装置等措施，使煤粉气流浓缩分离，形成浓淡两股气流，以实现浓淡燃烧，达到稳定着火和减少Ｎ０，排放量的目标。为了找到阻力小且浓缩效果好的煤粉浓缩器结构，我们做了很多试验，主 要包括下列几种结构型式（图３－８）：（１）垂直上下浓淡，加下偏流挡块，上部浓度高于下部； 〔２、垂官卜下浓淡，加上偏流挡块，下部浓度高于上部； 东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验 （３）水平左右浓淡，加侧偏流挡块；（４）水平左右浓淡，带一个人造弯； （５）水平左右浓淡，加百叶窗导流挡板； （６）水平左右浓淡，加扭曲隔板 螺旋板；１、偏流挡块及隔板结构试验根据锦州发电厂一２号炉改装浓淡型直流煤粉燃烧器的经验，一次风管’ 内加装偏流挡块，可使煤粉气流向一侧浓缩，偏流块一般做成三角形的。偏流挡块的高度对浓缩效果和流动阻力影响很大。挡块增高时，浓缩效果好，但流动阻力增大；挡块高度较低时，流动阻力小，但浓缩效果也差。经试验确定，偏流挡块为１／４高度（垂直浓淡）或宽度（水平浓淡）时，其浓缩效果好，且阻力增加不多。气固两相流沿截面浓度分布具有恢复特性，即由于各种因素造成的流通截 面上的浓度差异，经过一段直管内流动后会减小或消失。这种恢复特性会使我们人为造成的浓淡差异恢复，根据试验结果及文献中报道，已有的截面上的浓度差异，在经过了３－４倍直径后，就会恢复，且矩形管道比圆形管道的恢复特性更强。为了将煤粉浓缩装置造成的煤粉气流浓淡差异保持到一次风口，在浓缩装置后需加装防恢复装置一隔板。／、，＼＼ 、一一、 、飞 ！ （ａ）（ｂ）一一．—一一一一，屯夕一一一‘一￣￣￣￣－一一一！‘｛一一一（ｃ）（ｄ）卜一・／／．（ｅ）（ｆ）图３－８试验段内部装置东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验当采用偏流挡块与隔板配合时，偏流挡块与隔板间的距离对浓缩效果影响 很大，经试验对比后发现，当距离为一个宽度（或高度）时，浓缩效果最好。由于煤粉浓缩或导流装置不仅会造成同一个截面内浓度差异，还会形成速度差异，煤粉量大的一侧风速也高，一方面使浓缩效果变差，另一方面高风速也会使煤粉着火推迟。为了保持或提高浓度差，又减少速度差，采取了隔板上开孔的方法来平衡静压，进而使动压也趋于平衡，速度差可以减小。经试验，确定开孔率为２０％的隔板使用效果好。２、垂直浓淡分离试验ＨＧ－１４０／６７０－６ （１２）型锅炉一次风管进入炉膛前的弯头是垂直布置的，弯头出口的煤粉气流浓度分布是上浓下淡。表３－２列出了为实现上下浓淡加装内部装置后的试验结果。表３－２垂直浓淡分离试验结果序号工况浓淡比阻力系数备注１水平隔板１．９６０． ２８２水平孔板２． １５０． ２８开孔率２０％３水平孔板加下挡块３． ５４０． ６４４水平孔板加上挡块１． ２８０． ６１下侧浓度高 结果表明：加装了水平隔板后，使弯头出口处的浓淡差异一直保持到一次风口；将隔板中部一段改为孔板后，由于速度差的减小，浓度比略有上升；在弯头出口下部加装挡板后，使上下浓淡比进一步提高，达３．５４，此时内部装置阻力系数为１．６４；若将偏流挡块加在弯头出口上部，则形成了下浓上淡的局面，但浓淡比只有１．２８．３．３．２试验结果及分析 １、试验结果表明，对于ＨＧ－１４０／６７０－６ （１２）型锅炉，通过加装内部装置，可以实现垂直浓淡燃烧，垂直浓淡燃烧可采用弯头出口加挡块与水平孔板相配合的结构。２，随着煤粉浓度的提高，着火热减少，同时，煤粉浓度（或说是浓淡比） 也不是越高越好，因为煤粉气流中的空气是供给煤粉中挥发份燃烧用，一旦燃烧所需氧气供应不足，会使火焰传播速度下降。因此，浓淡比要选择适当，特别对于高挥发份煤，不要采用过高的煤粉浓度。３、由于ＨＧ－１ ４０／６７０－６ （１２）型锅炉燃烧器的每一组的三个一次风口是与一台风扇磨煤机相连，为保证一组燃烧器的一次风口间煤粉分配合理，三个一次风管必须同时改造。若采用垂直浓淡方式时，为减少机械未完全燃烧热损失，最上部一次风可采用下浓上淡的结构，下两个一次风采用上浓下淡的型式。东北电力学院硕士学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与工业试验３．３．３一次风口加装钝体的试验 为了在一次风口外形成回流区，增强燃烧器出口气流的扰动，使锅炉运行时卷吸高温烟气量增多，增强烟气与煤粉的对流换热，有利于着火燃烧；同时喷口外回流区也起到了将浓淡气流分隔开，不至于在喷口出口迅速混合的作用。因此，作了在一次风口出口加装钝体试验，冷模试验结果发现，在出口加装钝体后气流湍流强度明显增加，扰动增强。通过试验选定了钝体的角度。为了更好地了解钝体后回流区的几何形状以及出口湍流动能的分布，清楚钝体后回流区对浓淡燃烧器浓度分布的影响，需要通过数值模拟对钝体后流场进行进一步分析，并和试验结果对照，以便得到比较满意的结果。３．４钝体型浓淡燃烧器的工业试验３．４．１通辽发电总厂４号炉燃烧器改造方案 工业试验在通辽发电总厂４号炉上进行。针对４号炉的一次风系统〔图３－３）。考虑到其风扇磨压头裕量小，综合分析后，认定采用垂直上下浓淡方式是合理的。为保证一组燃烧器的一次风口间煤粉分配合理，３个一次风管必须同时改造。为减少机械未完全燃烧损失，又考虑到浓煤粉气流火焰之间的相互支持，最上部一次风采用下浓上淡的方式，即在弯头出口上部加偏流挡块，并配合以开孔隔板；下两个一次风采用上浓下淡的方式，即只加装水平孔板，充分利用垂直弯头对煤粉气流的离心力作用。由于十字风会降低浓煤粉气流的浓度，将十字风取消，但为了增强一次风 的刚性，防止射流偏斜，在上下浓淡气流之间保留水平夹心风。为了增强一次风煤粉气流卷吸能力，并加强其扰动，根据冷模试验结果， 在一次风口内加装钝体。３．４．２工业试验结果锅炉１９９６年９月改造后，于１ ９９７年３月初进行了低负荷断油稳燃试验。试验期间上煤均为常规上煤，共进行了３次低负荷稳燃试验，每次约６ｈ左右，断油稳燃负荷保持在９２－１００ＭＷ。低负荷试验时保持３台磨煤机运行，燃烧稳定，未出现投油助燃情况，炉膛负压和各部风压在正常范围内波动，火焰监视器显示的火焰正常。就地观察，一次风喷口附近看不到“黑头”，用光学高温计测炉膛各部温度，表明炉膛火焰中心温度均在１３００℃以上。东北电力学院硕十学位论文第３章钝体型浓淡燃烧器的冷模试验与Ｌ业试验 煤粉浓淡燃烧器安装完成以来，经过长期考核试验，结果表明：煤粉浓淡燃烧装置能较好地适应煤种及负荷的变化，锅炉能在不投油情况下在５０％发电负荷稳定运行。达到了锅炉改造的目的。．２１－东北电力学院硕士学位论文第４章数学模型的选择第４章数学模型的选择４．１斯托克斯假设 虽然人们仍在不断探讨除了Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程以外是否还有更完整的描述湍流运动的方程式，但人们普遍认为，Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程仍然是湍流运动的规范方程。在推导Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ时，采用了如下一些假设，称为斯托克斯假设，即：（ １）流体介质是连续的。这意味着仅从宏观的角度而不是从微观角度去研究流体运动；（ ２）动量的粘性扩散与应变率（即速度梯度）成正比（牛顿流体）；（ ３）流体介质是各向同性的；（ ４）流体介质是均一的。流体内的应力仅是速度、梯度、密度和温度的函数。即：Ｚ，ｒ＝ｆ（ｕＰ＞Ｐ．Ｔ）； （５）当流体处于静止状态时，流体内的应力就是流体中的静压；（ ６）当流体仅作膨胀或压缩而无剪切变形时，流体的平均法向应力等于压力；（ ７）粘性流动模型中流体特性常数如密度ｐ、粘性系数“等要由试验来测定； 上述一系列假设并未涉及湍流现象，在推导Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程时，并未限定是层流还是湍流。因此，当湍流运动并不违反这些假定条件时，则Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程也应适用于湍流。４．２湍流模型简介 关于湍流运动的数值计算，是目前计算流体力学中困难最多因而研究最活跃的领域之一，己经采用的数值计算方法主要有以下三种。Ｉ． 完全模拟（直接模拟）这是用非稳态的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程来对湍流进行直接计算的方法。如果此法能成功地加以运用，则所得结果误差就仅是数值计算所引起的误差，并且可以根据需要加以控制。但此种方法对内存空间要求相当之高，要求巨大的超级计算机，就世界范围看，目前采用这种方式计算有工程实际意义的湍流过程仍有相当困难。东北电力学院硕士学位论文第４章数学模型的选择 ２．大涡旋模拟按照湍流的旋涡理论，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大尺度的涡从主流中获得能量，它们是高度的非各向同性的，而且随脉动的情形有异。大尺度的祸通过相互作用把能量传给小尺度的涡。小尺度涡的主要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡有许多共性。关于涡旋的上述认识就导致了大尺度涡模拟的数值解法。此种方法旨在用非稳态的Ｎａｖｌ ｅｒＳ－ｔｏｋｅｓ方程来模拟大尺度涡，而不直接模拟小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑，这种数值计算方法仍需较大的计算机容量，因此，目前此种方法解决有工程实际意义的湍流问题仍有很大困难。３． 雷诺（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）时均方程法。在这类方法里，在对ＮａｖｉｅｒＳ－ｔｏｋｅｓ方程进行雷诺分解和平均过程中，却产生了未知的雷诺应力项，于是所得方程的个数小于未知数的个数。导致了整个问题数学上的不封闭，而且不可能依靠进一步的时均处理而使控制方程组封闭。因此必须做出假设。在某个阶段给出多余未知量的近似表达式以使问题封闭，这种近似但可解的方程组取代所谓严格但不封闭的方程组的过程称为“模拟”或“模化”，模拟的方式可以多种多样，这就构成各种模型，不同的湍流模型有其不同的范围。下面介绍几种常用的湍流模型。４．３湍流粘性系数模型基于湍流涡团的脉动与分子热运动有相似之处，仿照流体粘性引入并定义 了湍流粘性系数（协，）的概念，湍流粘性系数模型就是通过给出雷诺应力与均流速度场之间的关系式，把均流方程的不封闭性山雷诺应力转移到湍流粘性系数协，上，通过根据决定林，所需要求解的微分方程的个数把湍流粘性系数模型分成：零方程模型、单方程模型和双方程模型。一、零方程模型。这一封闭模型的特点是用平均速度场的局部速度梯度来 模拟雷诺应力从而达到封闭方程组的目的。主要的零方程模型是Ｐｒａｎｄｔ在１９２５年对湍流边界层问题提出的混合长度模型。在二维坐标系下表示为一ＰＵＹ＝Ｐｉ．１一＿，Ｉ－１－ｄｕｌｄｕＩ ａｙｌ ｄｙ或；，＝ＰＬ， Ｉ －ｌｄｄｙＩｕ 混合长度模型在边界层和射流一类的二维抛物型流动中（由二维抛物型方程控制的流动过程），获得了很大成功，今天仍在广泛应用，但这种模型也有很大局限性。表现在：第一、它认为湍流粘性系数仅是流场当地性质的函数，湍东北电力学院硕十学位论文第４章数学模型的选择流脉动速度与当地均流速度梯度成正比。实际上，体现湍流脉动的湍流粘性系数是流动状态的函数，而流动状态要受到对流和扩散过程的影响，均流速度为零的点可能不产生湍流脉动，但决不意味着该点的湍流脉动速度为零，因而还有对流和扩散的影响，因此，混合长度模型认为湍流粘性系数正比于均流速度梯度是不合理的；第二、在许多流动中给出混合长度的计算公式相当困难，例如复杂边界层类流动，有回流的流动，有二次流的情况等等。没有混合长度公式，当然就谈不上应用混合长度模型。虽然有些研究者曾对混合长度模型进行过修正，试图考虑上游影响及突扩流动特点给定混合长度公式，但是模型经验性很强，难以推广到其他流动中。二、单方程模型 针对混合长度模型的局限性，为首先解决湍流粘性系数随均流速度梯度而 趋于零问题，Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ（１９４２）和Ｐｒａｎｄｔｌ（１９４５）提出了单方程模型。各自提出了计算协，的表达式，即：ｐ，＝ｑｐＫ２Ｌ式中Ｌ是湍流粘性尺度，Ｃｕ为常数，Ｋ是湍流脉动动能平均值，其定义式为：一告１１２ ＋Ｔ２ ＋Ｔ１２Ｉ－合｝ ｉ 从Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程出发，根据Ｋ的定义，经过一番简化处理［２１１，可得Ｋ方程的最终形式如下：。ａＯｚ Ｋ ＋。。，Ｏｏｘ， Ｋ ｏｘ， －乒「ｌ ａ 。＋＋ １，，ｋ）ｏｘ｝ ｖｘ， １ａＫ＋＋；ｗ，ｉ１Ｎ｝ｊｌ ａｘ， － 十Ｎｉ｝ｘ｝ｌ一ＣｐＫ２ ／ｌ 单方程模型优于混合长度模型之处是克服了后者的不足，即考虑了对流与扩散作用对湍流量的影响，从这个意义上讲，单方程模型前进了一步。但是，由于在单方程模型中仍需用代数式给出Ｌ，因此，单方程模型与混合长度模型旧范围而言，具有同样的局限性。克服这种局限性的途径就是设法直接或间接建立求解长度尺度Ｌ的微分方程。也就是说，表征湍流输运的两个特征量Ｋ和Ｌ都用微分方程来求解，这就是湍流粘性系数的双方程模型。三、双方程模型 双方程模型把体现湍流脉动对均流场输运作用的两个特征量Ｋ和Ｌ都处理 成由各自的微分方程控制的因变量。建立Ｋ和Ｌ控制方程的基础是Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，由于直接建立以Ｌ为因变量的微分方程比较困难，所以实际上建立的一个是Ｋ方程，另一个是Ｚ方程（（Ｚ＝Ｋ二二）。如何选择ｍ和。？几十年来世界上很东北电力学院硕十学位论文第４章数学模型的选择多学者对此进行了研究，提出了不同的方案，其中以Ｋ一双方程模型应用的最为普遍。推导￡原始方程时采用与Ｋ方程类似的思路，在推导过程中假设湍流为各 向同性，推导出模拟后的。方程为：ａａ ｔ ＋ｆ－＂’－， 十－ｋ．。，ａｘ，ｐ＿＿＿ｋｂ＿、。ｒｗｅ ’一ａｘ，Ｌ，ａａ ｝ ｘ，Ｊ１。‘，－ ｋ Ｋ＂］＇＼二二．。＿ Ｔ １２尸“＿、’这里的。定义为：。＝ｖ｛ＫｚＫ３又ｘ，） ａｕｌ）一二于是Ｋ方程可写成：Ｐ －ａ Ｋ＿ａＫ。「｛＿。、ａ ｔ十ｐｕ； ’ｘ －．Ｉ ｏ＿－ ｘｉ ｝｛！［｀ ａｋ）ｏＡ＊－Ｉ－Ｋ １…ｎ ｊ」１Ｔ＂ａａｘ，ｕｉ｝ ａａｘ； ｕ； ａ＋ ａｘ；ｕｉ一ｐ６Ｋ一双方程模型多年来己得到广泛的应用。大量的预报及其与不同的试验 结果的对照表明，Ｋ－￡模型可以完全或基本上成功地用于下列情况：无浮力平面射流、平壁边界层、管流、通道流或喷管内流动。无旋或弱旋的二维及三维回流流动。但Ｋ－Ｅ模型在强旋流、浮力流、重力分层流、曲壁边界层、低雷诺数流动、圆射流上则是不成功的。通过清华大学周力行教授及其同事们预报的突扩加钝体后方流场及Ｋｈａｌｉｌ等人预报的无旋及有旋同轴射流进入突扩室中流场与试验的结果相比较，结果有力地表明，Ｋ－Ｃ模型基本可用于无旋或弱旋而无浮力的回流流动［［１２１４．４雷诺应力方程模型 用方程式求解雷诺应力，从而使得湍流均流控制方程封闭的模型称为雷诺应力方程模型（ＲＳＭ）求解雷诺应力的方程可以是微分方程（ＤＳＭ）或是它的简化形式一代数方程（ＡＳＭ）一、雷诺应力的微分方程模型（Ｄ ＳＭ）在对不封闭的雷诺应力方程进行逐项分析和模拟的方法，实施了对雷诺应 力方程的封闭，在一般情况下，一共有七个因变量：六个雷诺应力和一个湍流动能的耗散率。也有七个相应的微分方程，这就是所谓的雷诺应力微分方程模型（ＤＳＭ）．下面列出雷诺应力方程及湍流动能的耗散率方程： ：ｆ｝ ＩＤｕ ）．ｔｕ 干、｛十，景ｃ｝ －／＞ｔ｝Ｅ二ｒ１Ｉ ｃ口ｔ ｃｃ，火一－Ｅ－ｕｋｕｉ而卜；一、一，－ｌｋ中各项物理意义及各常数取值见文献［１２立十Ｋ（了，）３］．＿２７， 东北电力学院硕士学位论文第４章数学模型的选择 由于湍流粘性系数模型中，都采用了湍流粘性的假设，用有效粘性系数和平均速度梯度的乘积来模拟雷诺应力，但这类模型对低雷诺数或旋转气流等复杂流动问题仍不能得到很好的结果，因而在湍流理论的研究中，许多学者就想到干脆抛弃湍流粘性系数的概念，而直接从雷诺应力出发来建立输运微分方程。完整的雷诺应力模型，包括由平均运动的一个连续方程和三个动量方程，雷诺应力的六个方程，Ｋ方程和￡方程，总共包括十二个未知量的十二个微分方程组成的封闭方程组。若还要计算温度或其它标量分布，则还要加上一个平均温度与三个ｕ９的方程，总共有十六个方程，对于一般工程湍流流动问题，这个方程组有些过于庞大了，需要计算机内存和占用计算机时间都很多，为了减小计算工作量，又提出许多简化的模型。目前已经可以在微机上使用微分应力模型进行有工程意义的计算，在计算突扩流动分离区大小和计算湍流各项异性较强的体系时，微分应力模型得到优于双方程模型的结果，但对于一般回流过程，ＤＳＭ的结果不一定比Ｋ－ ｅ模型好。二、雷诺应力的代数应力模型（ＡＳＭ） 常用的Ｋ－。模型比ＤＳＭ简单得多，但前者通用性差，另一方面，ＤＳＭ 虽然通用性好，但对于工程而言又嫌过于复杂，即经济性差。正是基于这种情况，人们提出一种折中方案，即代数应力模型（ＡＳＭ），代数应力模型由应力及热流的代数表达式加上Ｋ及ｅ方程构成，因此，又称为扩展的Ｋ－￡模型（Ｋ－。一）或者２个半方程模型。从雷诺应力的微分方程模型（ＤＳＭ）出发建立雷诺应力的代数方程模型 （ＡＳＭ），只需对。ＳＭ中包含雷诺应力微商的项用不包含雷诺应力微商项的表达式去代表即可。在不计浮力影响的情况下，基于不同的简化方式，推导出的ＡＳＭ表达式分 别为：（１）仿照Ｋ－￡双方程模型中对湍流动能的局部平衡假设，假设吼一Ｄｙ ＝ ０ＡＳＭ的表达式为：广．１２ｕ，ｕ； Ｋ．ｅｓ 一一ｅｓ Ｌ一３ 又 Ｕ （２）假设雷诺应力的输运速率与湍流动能的输运速率成线形关系 女＋Ｌ｝Ｃｓ。ｊ（一别」Ｌａｕｎｄｅｒ（１９７６）建议，吼一几３（Ｃ一Ｄｋ）则ＡＳＭ的表达式为： ｅｓｒ ２！一１｜ａｅ，ｕｉ＝Ｋｅｓ ２｜ｅｓ 卜乙（ １一Ｃ，）｜二｜ ｌＩ 、 凡２、１ － ｅｓＬ－３ “十下二丁－一￣１－ｔ 鱿一１）Ｅ＋尸目竺￣ 卜６ 扩 尸 Ｊ 、 一３ ．，了 （３）Ｌａｕｎｄｅｒ （１９８２）建议把吼和Ｄ。 分别用各自的公式表示， 东北电力学院硕卜学位论文第ａ章数学摸型的选择、一ｃ＊！。二｝ｕ，ｕｉ门ｌｅｓ ｝鱿ｅｓ ｅｓ ｅｓＪ Ｄ。一。［。・ａ ）；｝－Ｕ－，－ ／式一一ｐａ２＿＿ ３’ 则ＡＳＭ的表达式为：一价１ １一Ｕ， ＿了＿ ａ ｒ，．一一，２＿＿、）；；Ｉ－ ＩＫ一ｌ’ ３“）Ｉ Ｃ，＋汉一‘Ａｌ＋ａ）＋（ａ一Ｐ）－ｙ＇ ，Ｅ 代数应力模型可以在不增加微分方程个数前提下，在一定程度上考虑浮力、流线弯曲及旋转等因素带来的湍流输运各向异性的影响。这是它优于Ｋ－￡之处，拓宽了它的实用范围，然而，总的来说，代数应力模型仅适用于不很偏离局部平衡条件的流动过程，它无法计算出反梯度效应。同时，它在三维计算的收敛性方面常常有相当大的困难。因此，目前世界上有的研究组正宣布不再使用代数应力模型，转而使用微分应力模型。４．５湍流模型的选择 通过以上对湍流模型的简述和分析，我们知道零方程和单方程模型需要经验表达式一般不准确，雷诺应力模型因为太复杂，还尚未达到工程应用阶段，直接模拟和大涡旋模拟对内存空间要求太高，远远超出现阶段计算机所能提供的容量。 本人结合前人的经验及本文所要研究的具体问题特点（本文研究的是加装钝体的浓淡燃烧器出口处流场的数值计算，为有回流的两相流动），决定采用Ｋ－￡湍流模型计算湍流核心区。采用壁面函数法计算靠近壁面的区域。东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析第５章钝体出口流场的数值分析５．１单相气体的基本方程 单相流动是两相流动的基础，本节针对不可压流体绕钝体流动有回流区的湍流流动问题进行了数值计算及分析，得出了气相流场和在不同相对宽度（ｂ／Ｂ）下射流绕钝体后回流区的变化规律。同时对压力与速度的祸合、网格生成及定解条件等问题进行了分析和讨论。一、基木假定在本文的流动计算中，根据具体问题的特点，作如下基本假设： １、流动为二维、定常、不可压缩粘性流动； ２、不存在任何形式的热交换； ３、忽略质量力的影响。 二、控制方程根据基本假设，控制方程如下： 质量守恒方程：景（ｐｕ） ＋最（ｐｖ） ＝ ０动量方程－ｋｐｕ一）＋－ｋｐｕｖ）＝一下，ａ（，＼ａ了、ａｐ＋二尸｝２９ｅ二尸 １ａ （＿ ａｕ）＋：￣ａ 目Ｉ卜。－＋林ｅ二尸｝（ ａｖ ａｕ）ｏｘ一即 ｏｘ ｏｘ ｝ ｏｘｄＹ ｌ ｏｘ ｏＹ ）；ａ‘：ｋｐｕｖ）十下下ｌ丫ａｒ２＼一ａｐ（＿ ｄｘ即ｐｖ １＝ａａｖｙ）。（ａｖ ）十ａｘｌｅ｀ ＆＋ｐ ＤＯ．咖（ｌｗｅ ｀ ａｙ）湍流动能方程：孰ｐ。ｏｘ ｕＫ）＋孚（ｏｙ ｐｖＫ） ＝孚ｏｘ一即｛ｌ６ ｗｅ ｋ ｝ａＫ）Ｙ）＋Ｇ＊一ｐｓ湍流动能耗散率方程丽ｋａ，ｐｕｅ）、ａ，日＋可ｌｐＥｖｌ＝一击｛卜。｝ｌ．。浇ｌ６Ｅ １——＆ｌ即ｉ宁．了一人－叭一即＋兰（Ｋ 、ｃ， Ｇ，一ＣｚＰ．）东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析十几 ２「‘ 了 卜１１艺 Ｇ 林日、ｌ、 ． 上述各方程中面 －－护１ ｜－血 ＋ａｖ－即ｅｓｅｓｌ日 十撇ｅｓｌｅｓｅｓ ＋广 卜 ｊｅｓ Ｊ 、－勿加、１ 一击于、／ｅｓ ｗｌ＝ｗ＋ ｐ，，“，＝Ｃ， ｐＫ Ｚ／￡ 三、通用控制方程使用上述Ｋ一模型时，湍流流动的基本方程组可表示为下列通用形式： ａ（ｐｕ（ｐ）＋ａ（ｐｖｗ ）。‘ 。Ｏｗ、。（，－ ａｗ，。（５－１）砂 ＝ａｘ ＼１， ａｘ）十－ａｙ ｝ｌ１万）甲“，这里，，是通用因变量，ｒａ是输运系数，ＳＷ是源项，对应于不同的，，ｒ，以及Ｓ。具有不同的表达式・具体内容见下表：表５－１式（５－１）中各项的物理意义：方程甲几凡连续一１一。一。ｘ一动量一ｕ一人护－叙 ＋日 协刹 十。刹 林 Ｙ一动量Ｉ ｖ一－护 一击 －即 钱 一即十。一ａｘ林、叫叼十ａ一即协、叫司湍流动能ＩＫ｝１ｔｅＧ‘一ＰＣ叭湍流动能一火耗散率一ａｔ量（Ｃ Ｇｋ一ＣＺ ＰＥ）能量一９，其中，通用控制方程组中经验常数取为：ＣＮ ＝ ０．０９Ｃ，＝１．４４矶＝２．０凡Ｃ、ｈ的普朗特数取为［２３１。‘目。６Ｅ ＝１．３，（３１＝０．９ 以上是气体的通用控制方程组这样，在编制计算机程序时，也只需要写出一个求解方程的通用程序就够了因此，人们可以根据不同的中重复使用这个程序。只是对于不同的小需要对相应的１７和５分别赋以各自不同的表达式，同时也要给出相应的初始条件和边界条件。因此通用方程组可以使我们能够 东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析编制一个通用程序。５．２差分方程的建立 一、方程的离散对微分方程离散化建立在如下两个假设的基础上： （１）函数值在任一网络内均匀分布，即函数在网络点的值代表它在网格 点内各处的值。（ｚ）函数值在任意一网络的任一界面上均匀分布，即函数在一个网格边界 上任一点的值都可以代表函数在该边界上的值。为了便于在计算机上求解，必须在网格化了的积分区域内把基本方程的微 分形式转换为代数形式，即化微分方程为代数方程组。离散化的实质就是用积分区域内有限数目的孤立点上的不连续性函数值取代函数定义域内的连续函数值。目前应用的微分方程离散化方程的方法可分为三种：有限差分法（或有限区域法）、有限元法和有限分析法。有限差分法习惯采用泰勒级数展开作为微分方程离散化的工具，而国际上所说的有限区域法则采用控制容积去离散微分方程，目前在计算热物理领域，控制容积法应用最广，最为成功。根据我国多数人习惯，认为有限容积法是有限差分法中的一种。有限差分法的一个主要缺点是难于处理复杂几何形状的研究体系，但随着近年来出现的贴体坐标系，该问题已逐步得到解决；有限元法在处理研究体系的复杂几何形状有特殊优点，但在处理流体力学中特有的非线性对流项时遇到了较大困难，加上需要较大的计算机内存，所以有限元法日前还在流体力学领域处于发展阶段；有限分析法的基本思想是要建立求解微分方程的解析方法和数值方法之间的联系，这种方法在某些计算中较为准确，但耗费机时较多，有时求微分方程的局部解析解也会遇到困难，目前尚未得到普遍的应用。根据以上讨论，本人在以后的差分过程中采用在计算热物理方面较为适用的有限容积法。根据上节介绍的计算平面内微分方程的适用形式： －ｋｐｕ（。‘ｘ ｐ）＋－ｋ、。，ａｙ ｐｖｗ１＝－Ｉ１． 、日‘＿ａｏｘ ｝ ＯＸ ，ｍ、。｛＿－ ＪＩ 十－Ｉ ａｙ ｝ ｏｙ ｉｅ二，Ｉｏ（ ）Ｊ十礼采用控制容积积分法来导出具有一定通用性的离散化方程：其具体形式如下：ａＰ Ｐ＝ａ ＥＲＥ ＋ａ；ＹＷｗ ＋ａＮ（ＰＮ ＋ａｓ（ｐｓ ＋ｂ其中：ａ：一ＤＥＡ（Ｐ，Ｅ）＝Ｄ，Ａ（Ｐ，）＋｝－Ｆ ０＂Ｉ］ ａ，＝Ｄｗ Ｂ（Ｐｅｗ ） ＝ Ｄｗ ＡＶ Ｐｏｗ １）＋ ｐＦｗ，０１ｊａ 。一Ｄ． Ａ（Ｐ，）一ＤＡ｝Ｐ，Ｉ）＋｝－Ｆ ，０１ｌ东北电力学院硕十学位论文第５章钝体出口流场的数值分析ａ ｓ＝Ｄ，Ｂ（Ｐ，）一Ｄｓ Ａ｝Ｐｏｓ Ｉ）＋ ＧＦｓ ，ＯＩｊｂ二Ｓ， ．Ａｘ细“ 一“・＋ａｗ ＋ａＮ ＋ａｓ －Ｓｐ ＡｘｌＦ＝（Ｐ． ）ｅＡｙ， Ｆｗ一（Ｐｕｌｗ ＡＹ，Ｆ一（Ｐｖ）ｎ Ａｘ， Ｆｓ一（Ｐ＇）ｓＤ， ＝ Ｓ（ｊ， Ｄｗ一 瓮，Ｄ ＝箭，Ｄｓ一箭 在上述离散方程中，曾把Ｎ－Ｓ方程中的压力梯度归到源项中，但压力本身是未知量，需要与速度一起加以求解，下面是压力梯度项从源项中分离出来的控制方程：了气。，Ｐｕ；ｖ； ）＝一－、８Ｐ。（８＋二厂一 Ｉ ｝－－｝ｕ、ｏｘ‘一ｏｘ， ｏｘｉ又ｏｘ ｉ少＋。为了解决流场计算中的第一个问题，即不合理的压力场的检测，可以采用 交错网格。所谓交错网格就是把速度ｕ， ｖ及压力Ｐ（包括所有标量场及物性参数）分别存储于三套不同网格上的网格系统。在交错网格中，动量方程离散的具休形式为：ａ＂ｕ。一Ｉａ，ａｕ。十６＋（Ｐ，一凡从ａｗ。一艺ａｎｈｖ，＊十。十（Ｐｐ一Ｐ， ）Ａ．（５－２）其中ｕ｝，， ｖ｝。是ｕ，， ｖ。的邻点速度・连续方程的离散形式是：［ （Ｐｕ）。一（Ｐｕ）ｗ扮＋［（Ｐｖ）。一（Ｐｖ）ｓ琢＝０ （５－３） 二、压力修正方程按给定的压力场求解ｕ， ｖ的代数方程，由此得到的速度场未必能满足质量守恒的要求，因此必须对给定的压力场加以修正。为此，把由动量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续性方程的离散形式，从而得出压力修正值方程。由压力修正方程得出压力改进值，进而去改进速度，以得出在这一迭代层次上能满足连续性方程的解。为此，假设ｕ＝ｕ，＋“，ｖ＝ｖ‘＋ ｖ＇东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析尸＝尸申十尸（５－４）其中上标“”，表示修正值，即原来值与改进值之差，设在迭代过程的某一轮计算中，压力为Ｐ＇，速度为ｕ＇、 ｖ＇，一般来说，ｖ’不满足连续方程，但满足式５－２，即：ａｅｕｅ一Ｙ－ａｎ ｂｕ．＇＋。＋（Ｐｒ＊ － ＰＥ＊ ｋａ，ｖｎ一艺ａｎｂｖｎｂ・十。＋认‘一凡’卜（５－５）将式 （５４－）代入式（５－２）并减去式（５－５），并忽略四周邻点速度修正值的影响，即认为系数ａ．。二０，于是得速度修正方程如下：Ｕ 仑 ＝ｄｅ （ＰＩ’一。’） ｄ －－凡 －气Ｖ刀一ｄ｝（Ｐ，’一。‘）ｄ｝＝Ａａｎ 改进后的速度为：。。一。‘二ｄｅ（。一。‘）一，． ＋ｄ，（。一。’）（５－６）将（５－６）代入（５－２）并整理成关于Ｐ＇的代数方程，可得ａ ｐ Ｐｐ＝ａＥＰＥ ＋ａ，凡＋ａＮ凡＋ａ，Ｐ， ＋ｂ（５－７）其中ａ二二Ｐ厂，ＡＹ ａｌｌ， ＝ ＰｗｄｗＡＹａＮ＝Ｐ｝ｖｎ山 ａ．，＝Ｐｓｖｓ酝ａ．＝ａＥ ＋ａｗ ＋ａＮ ＋ａｓ。＝［（Ｌ（ｐＰ。ｕ・＊）｝。一（Ｐｕ． １ｅ ｝ｙ ＋ Ｌ（Ｐ，＊）ｓ一（Ｐｖ・工知（５一）式就是确定压力修正值的代数方程。对于计算平面上方程的边界条件，若压力为已知，则显然边界上的Ｐ ｝＝Ｏ；若速度为已知时，则此时边界上的ｕ。－０东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析５．３斜交坐标系下的控制方程 在进行物理问题的理论计算时，最理想的坐标是各坐标轴与所计算的物理边界相符合的坐标系。为了适应复杂区域内的流动并降低对网格生成的要求，本文对物理模型（图５－１）中０１区域和０２区域分别采用斜交坐标系与直角坐标系来编制通用计算程序。本文通过坐标变换将直角坐标系下的控制微分方程变换到任意斜交坐标系ｃ一１１下。习’－－一‘一’一‘一‘一’一一’一’－－－一‘－图５－１物理模型设ｃ＝｝ （ｘ， Ｙ）， Ｒ二ｒｉ （ｘ， ｙ ）则利用多元函数的微分关系得：戈＿１二ａｘ一了少”‘ａ如＿１．＿义＿＿工，．互ｘ一 ｉ一ｊ ｝ｑ ， ，０ｙ＝丁ｘ其中下标乙和几表示对该自变量的导数，ｊ为雅可比因子，其值为：ｊ＝爪入一Ｘｑ ｈ 对直角坐标系下的控制微分方程（式５－１）进行坐标变换，并利用上面所得的关系式，得出斜交坐标系ｂ一几下的通用微分方程：－－ｋ１ ａ Ｉ ｐｕ中少＋下二￣气－． ｝ １ ａ １ －， ，Ｊ ａ Ｊ ａｒｋＰＶＴ少＝＿Ｊ１＿ａａ ｝［ｉ ｒｍ （ａ｝；一、。１・＋ Ｊ１ ａａ ｇｒＬＪ（ｒｍＹ｝０一Ｐ｝， ）ｌ＋ ＳＯ （５－８） 直角坐标系下（Ｘ－Ｙ ）与斜交坐标系下（屯一几）点与点之间的对应关系本文采用下式确定：弓＝ｆ（ｘ）＝ｘ东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析。一：：十＇１ｐ二一－１伽一Ｙ）＝Ｔ１， ＋ＴＴ，ＩＫ。‘ 、（５－９）Ｙ，一ｙ，ａ ｏｌＹ一ｙ，）对（５－９）式取偏导，得直角坐标系与斜交坐标系之间控制方程的转换时，各偏导之间的对应关系如下：日ａ Ｋｏ爪、ａ气尸＝二二，一二不，又ｔｘ ｏｆ ０林少ｇ夕｝二，肉ａ二Ｓ （ｘ） ａ（５－１０）ａｙ Ｋｏ ａｒｋ 将（５－１０）式代入直角坐标系的控制方程，得斜交坐标系下的控制微分方程，在计算平面下对此方程各变量点所在的控制容积积分并整理得：对于速度。有： Ａｐ ｕ，一，ＥＬＳＥ＋，，。二＋Ａ，，ｕＮ＋Ａｓｕｓ＋。・＋（Ｂ－＇Ｐ，＋Ｃｕ －Ｐ，）Ａｐ＝ＡＥ＋Ａ，，＋ＡＮ＋Ａ：一ＳｐＡ｝ＡｌｊＤ＂＝Ｉ气二州卜二丁！十二丁】林二丁｝（ Ｊ．ａ（ ａｕ） ａ （ ａｖ） 一－二一｝—Ｊ．ａ（ｕ，＇ｔｇ（ｅ）。。、｛一１９。、ａ‘ａｋ＂ＷｆＯ＇ｑ ｌｆ －ｊＧ｝ｕ ）ｔｏ％、 ｏ｝少ｏＳ ｝代）ｏ５ ｝ ．ｉａｎ ＋ａ ｇｔ （ｅ）－如１｝・；一「（今。一〕一〔今。一；）一」其中：Ｂｕ＝Ｃｕ ＝ｒ８（０｝ Ｊ＝ ８入ａ ｘ：尸一。Ｕ一ＫＳＹ １ｌＡｅ － ＤＱＡ（｛ Ｆ｝Ｄｅ｛ ）＇｝ｕ－Ｆ ，０｝ＡＷ－Ｄ＿Ａ（一Ｆ／ｗ１）ＩＩ・二＇０１ＡＮ － Ｄ Ａ（Ｉ Ｆ／。一）Ａ－Ｆ ，ＯＩｌ东北电力学院硕十学位论文第５章钝体出口流场的数值分析，：＝Ｄ，Ａ（一％，一）＋Ｇ＋Ｐ，，０Ｉ］／Ｉ如ａ、１Ｌ才１一鱿－Ｊ林如、、凡１ｌ －、ｅｓ、廿！一鱿ａｅｓ｝ ｐＵＡｉｌ儿－Ｊ林ｅｓｌＪ凡了ｗｅ－－、ｐＵＡ，１、！Ｚ从、！姗凡了－－万．，、、、丫十一如ｒ尸、几凡了－－叮．气、！兰、一”、八几Ｊｕｌ／其中：ＸＩ－＼Ｋｏ／ｐ＝ ｙＫ８ｏ－ｔｇ（０ ｝；＝ｌ＋ｔｇ２（０）函数；ＡＰＩ）取为：Ａ（ＰＩ）一１ ０， （１一。ＡＰＩｓ）｝」 对于速度ｖ有：Ａｐｖ。一，ＥＶＥ＋Ａ， ｖ；Ｖ＋，，、、＋，：，、＋ Ｄ＂＋（Ｂ二Ｐ４＋Ｃ０ －Ｐ，）Ａ，，＝ＡＥ＋ＡＷ＋Ａ，＋Ａ，一Ｓ，Ａ毫Ａ９１Ｄ一＿ｊａ － ａ ｌ＿ｗｉ ， ＿ｑａｕ）一、（０）ｎｏＣＪ ０１ｌ＋Ｏｌｌｉｔ ＮＪ｝ＡＡｉ１一（３ｖｎＡｉｌ｝，・：今、；）一其中：Ｂ＂ ＝ ０Ｃ＂＝一△毛ＡＴＩＳ，＝０Ｖ＝ｖ一“ｔｇ（０３７东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析、：一。・：｝％。一）＋｝－Ｆ ，０Ｉ］Ａ 汁 ＤｗＡ〔一％，一）Ａ刀，：一。。：，，，〔〔！｝％％：。一）｝）＋・・Ｇ｝ＶＦ－ Ｆ Ｆ，０，，ＯＩｌ０Ｉｌ１］２声、十ＤＱ＝．．压ａｔ、一Ｊ了Ｚ如－鱿、ＪＤ，，＝．．．ａ十１细、一Ｊ只，Ｆ一（ｐＵＡ声洲／一此！、Ｄｙ＝鱿二、ｌｅｓＦ＝（一（ｐｐＵＡＴＶＡｉ４ ｊＩ无））ｗ、」ｅｓ尹月Ｚ－如、Ｆ，＝（ｐＶｇ ）ｓ，ｒ、Ｄ＝．月Ａ｝ ｒｌｅｓ．．ｅｓ飞、△门Ｊｅｓｅｓｊ其中：。＝阁。一黔（ｅ，一＋＋ｔｇ，（Ｏ）函数，ＡＰＩ）取为：Ａ（ＰＩ）＝１０，（１一０．１叫５．４定解条件１、外边界９ｕ朱Ｋ１＇入可－＿。。，。，一 ＸＴｕ１ ｌ ：＿，，二＿ｂＡ＝ｘ Ｕ＿＿＿＿，、．ＪＪ浏），Ｙｒ７二，、１上二￣一、１３Ｆｔｘ住匹禺册况外毯开创人一＊‘、，。，、二，。，Ｈ 气中，故在外边界上各气流参数相同，取轴向速度ｖ， ＝ ０。如钝体尺寸较小，计算边界取在自由射流核心区域内，因此外边界的边界条件可认为所有参数的垂直通量等于零，即砍。／。ｌａｙ＝ｖ’ ２、进口条件考虑到气流绕过钝体的影响，可将截面定在距钝体顶角一定远的地方（约 一倍于钝体高度），并假定该截面己是充分发展的湍流，流体具有均匀的速度东北电力学院硕十学位论文第５章钝体出口流场的数值分析湍动能及湍动能耗散率亦均匀分布（ ｕ）ｍ一“”、‘，＝ ０ ｋ；。二０．００５ｕ￡二Ｋ ｚ Ｃ ／０．０３３、出「］条件当我们将截面取到足够远时，可以认为出口截面上各变量沿轴线导数为零，即：ａｕ＿ａＫ＝ａＥ＿０ｖ＝０ａｘ ａｘ ａｘ４、对称条件对称边界线实际为一流线，因而有Ｖ＝０５、壁面条件（ １）边壁在边壁附近速度迅速下降，使在这一区域的湍流雷诺数Ｒｐ变小，因此前面适用于高雷诺数流动的Ｋ－。模型将不能应用于壁面附近的流动，有两种情况可以处理这层近壁流动，一种是运用低雷诺数情况下的Ｋ－。方程。但此种处理将增加壁面附近的计算网格，并使计算存贮和时间加大，本人采用另一种方法，即壁面函数法，即对近壁网格节点采用代数方法处理Ｋ和。。本人采用壁面函数法，将近壁的第一个网格节点Ｐ直接布置在旺盛湍流区，近壁影响全部集中在第一内节点控制体内，可得：：、、，一Ｃ， ｐ＇ Ｋ，，或Ｋｐ－Ｔ＂ｃ「Ｃ，．，ｚ Ｉｐ 其中：Ｋ，表示ｐ点的湍流动能，：、为该点的剪切应力・它可以用Ｃｏｕｅｔｔｅ流动解近似代替：Ｔ ｗ．． ＿卜Ｉ二一】＝（ａ ｖ）－咋＼即夕、 一外叭一嵘式中ｕ；＝李ｌｐ （Ｋ，Ｃ．合１Ｉ ２ｙｐｋ ｎ（、一Ｅｙ，卜－全一一一一Ｊｐ— ． ｙ，是ｐ点到壁面的垂直距离，Ｖｐ为近壁点速度，ｋ二０．４为卡门常数。对于３０＜ｙ， ＜１００的情况，Ｅ＝９。由以上各方程就可求得ｐ点处的湍流动能Ｋｐ，计算出Ｔ ；ｏ，加到离散方程的源项中去。东北电力学院硕十学位论文第５章钝体出口流场的数值分析（ ２）钝体斜壁面在斜壁上使用壁面函数时，由于计算中采用的是正交矩形网格，斜壁与网格线相交ｅ角，使用壁面函数时，必须对斜面进行适当的处理，一般采用许多小台阶近似代替斜壁［［３０］，在每一小台阶上再采用避壁面函数，当小台阶取得很多时，即能达到相应的精度要求，故此种处理方法，需划分较多的网格。本文采用文献仁３１」的作者提出的一种处理方法。认为气流流经斜壁时，在斜壁上速度等于零，在邻近斜壁附近区域，变量沿着斜壁方向变化可忽略不计，而主要考虑垂直于斜壁的扩散影响，因此，对斜壁面采用壁面函数时，对应于斜壁的剪切应力是由平行于斜壁的气流速度产生的，该速度可利用参数投影方法，求出速度ｕ， ｖ沿斜壁方向分量而获得。由该分量计算出平行于斜壁的剪切应力系数：，和剪切应力只。在计算速度ｖ，方程中，剪切应力系数：。可由下式确定当ｙ，＞１１．３时，ｔ 几一－ ，尤 Ｐ ．Ｋｚ，二。ｏｓＯ Ｉｌｎ（Ｅｙ；） 当ｙ声‘１１．３时， Ｔ儿一－Ｐｅｖ， ＣＯ５０ ／ｙＰ（ｋ＝０．４１．１式中‘＝ ｐＣｕ Ｋ沙ｐ ／ １ｌｙ，是最靠近斜壁的一个节点到斜壁面的垂直距离，见图５－２．剪切应力只为：Ｆ ＝ｉ，Ｓ斜面上网格面积可由参数投影方法求得，最后把剪切应力分量只ｃｏｓｅ加到ｖ：方程的源项中去。同理，，。方程中的剪切应力系数：ｐｙ可由下式求出，即当杯＞１１．３时，Ｓ ｐｙ一、ｐｃＩＣ４ ．－、Ｋ２ Ｉｖｙ ｓｉｎＯ ／Ｉｎ（Ｅｘｐ）当ｘ二‘１１．３时，２ ｐｙ＝ｂｅｖｙ ｓｉｎＯ ／ｘｐ（ｋ一０．４１）式中Ｘｐ一ｐＣ｝＇，Ｋ２ｘｐｌｗ，ｘ；是最靠近斜壁的一个节点到斜壁面的垂直距离，见图５－３所示。在Ｋ方程中，由于速度ｖ，和，，沿斜壁方向都对剪切应力有影响，故剪切应力系数：ＰＫ为：・，‘一合２ １ 、ｋｐｃＣ｝＂１、Ｋ ２ Ｉｗｘ 一。／Ｉｎ（Ｅｙ；）二，ｓｉｎＯ ／ ｌｎ（Ｅｘ＇，）ｌ 东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析解离散方程时，把剪切应力考虑到源项中去。 虽然这种投影法是对实际流动的一种近似，但在网格不太密的情况下，‘ 能达到工程所需精度１３２１－习入叭玩，产、产／了愁乙：图５－２斜壁速度处理图５－３斜壁速度处理５．５计算结果分析５．５．１程序框图 本文采用ＳＩＭＰＬＥ算法，结合高雷诺数Ｋ一紊流模型、壁面函数法；利用斜交坐标系，计算钝体区域（图５－１中０１），收敛后将所得出ｕ截面速度作为初始速度，利用直角坐标系计算钝体出口〔图５－１中０２）的流场。程序框图如图５－４所示。５．５．２计算结果分析钝体出口流场的计算结果如图５ －５， ５－６， ５－７所示。 １、利用Ｋ一双方程模型对几种不同角度的楔形钝体结构进行流场计算，所得结果与试验基本吻合，模拟是成功的。２、计算流场时，主流区采用Ｋ －。模型，采用壁面函数法处理边界层区域，其收敛性较好（迭代３００次左右就可以很好收敛），计算结果具有很高精度（误差绝对值在１０－１以下）。东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析程序开始ＳＥＴＵＰＯ给部分量设置初值ＧＲＩＤ ａ２ｔ７建众网格系统所必ａｆｔＳＥＴＵＰＩ计算所有的与网格系统有关的在计算过程中保存不变的几何Ｉ｝权给求解变量赋值 ＳＴＡＲＴ没置迭代一ｔ＇７始值及在计ｎ过程中不变的量 ＤＥ１４ＳＥ给密度赋值层次佑达代ＳＥＴＵＰ２主程序ＭＯＯＲ确定广义扩散系数与附加获项 ＤＩＰＬＯＷ选择ＳＯＬＶＥ采用交替方向线迭代法差分格式 与块修正结束求解高敞方程 ３、在ＳＩＭＰＬＥ算法基础上，利用斜交与正交两种坐标系编制通用计算程序， 图５－４程序框图对计算边界不太复杂的流场，具有较好的适用性和通用性。４、计算结果表明，在浓淡燃烧器出口加装钝体，能够形成稳定的回流区钝体出口流场的数值分析使出口湍流强度增加，有利于煤粉着火燃烧。东北电力学院硕士学位论文第５章。旧一一一一氏乃衬三三三三（一一一行三二｝｝。．２一三二三三三三ｔｔ－－，－－．叶三工ｔ－－，ｔ『三一｝一勺｝氏吻一三三三三三一工ｔ叶叶ｔ『｝｝｝三一咔一一曰一叶｝一｝叶｝｝｝｝一｝｝一二｝｝汁一一『。．１一三三三三（，，三｝一叶￣咐一琳｝叶氏ｔ勺时￣ｔ广舫、，￣ｔ之、、，之ｔ－ｔ对一研并ｔ一砂‘卜』￣１￣三｝厂ｔ、、勺ｔ｝｝二｝｝、‘｝二ｔ三｝￣户万￣、毒二、￣、气｝０．１图５－５钝体ｂ／Ｂ＝１／３时的速度场它习１一三三一二ｅ ２巴钊一衬． － 行三｝ｔ 一 日 一ｔ『ｔ一ｔ二三｝『三一ｔ三三三三－『 。２三一 一 一 三三三｝ｔ日１ 口〕（三ｔｔｔ｝ｔｔｔ一｝三 ．一１＋｝嘴琳０，．Ｊ．‘了ｔＴ｝三、、、２叼乌ｔｔ下ｔ、、、它！！碑一（ｔ一￣“广？ｔ、气气、ｔｔｔｔｔ（一讨一ｔｔｌ｝１一产、之三三三二三三二ｔ了工ｔ神ｔｔ叶ｔ｝叶｝尸、之三￣｝｝￣』｝一｝｝ｔ，、扩１｝｝｝、２｝｝一护￣￣｝工ｆ、子犷二、『ｆｆ、、４了护、，１、、‘了＼尸｝尹、１０．１图５６－钝体ｂ／Ｂ＝１ ／２时的速度场东北电力学院硕士学位论文第５章钝体出口流场的数值分析团习皿ｒ了一一一一一一叮了贾竹一一一了下一一一一一门ｌ〔份一一￣￣一叶一一￣一－日 ・ ２万匕士二二二寸份佗二二二二二二竺二二二二贾贾贾」，－一￣甲一甲一份一一万 〔丁竹介，甲甲甲二二二二了了夕了了二了二了了］ ０ 〔了一一介一一一一一￣一一’一’￣￣￣￣￣￣门仁二了二二１叮７了了了介２二货竺二二二井二了１ 。２ 闷 卜丈二二二二二二二二二二二二二二二二二二二护 门ｒ了声神叶讨一－－－－－－－－－－－－－－－日１巧． 」ｒｒ／尸，一一一－一一，，，￣￣￣￣￣￣￣， 门．ｒｒｒｒｆ－／一一一一一一－－」－－－－一‘一‘－０．【工口Ｊ＿１，Ｔ”一、、、、、、、、、、、、、．Ｊ．Ｌ分，１工》于、权￣￣￣一，吞二二二；１ ，【丁２Ｎ、、“￣、一，＊／．ｈ １ Ｌ｛－ 叼．叼Ｓｉｌ【票卜人、‘￣￣“一一，一。尹。奋矛二Ｌ ．－ｒｒ，ｌｄ １ Ｌ ｌｉｔ－－曰。‘Ｉ ｝、、“￣￣￣“一一。，于片，“＜ Ｓ、、、曰｛之之士立艺芝艺兰二二二二二二二二ｒ屯全二二日．１自。夕图５－７钝体ｂ邝＝２／３时的速度场东北电力学院硕＿Ｌ学位论文第６章结论 根据试验和数值计算结果，得出如下结论：一、在装有风扇磨直吹式制粉系统、直流燃烧器切圆燃烧方式的锅炉中， 在一次风管内加装内部装置，可以实现浓淡燃烧。二、采用偏流挡块与开孔隔板相配合的方式，在最佳结构尺寸下，锅炉能 在５０％负荷下断油稳定燃烧，且流动阻力不大。三、一次风口加装波形钝体，增加了一次风射流的扰动，可进一步提高浓 淡燃烧方式的稳定性能。四、本试验结果用于实际设备，具有煤种及负荷适应性强、结构简单、改 造工作量小，运行可靠等优点，是一种较好的低负荷稳燃装置。五、利用Ｋ －￡双方程模型对几种不同角度的楔形钝体结构进行流场计算，所得结果与试验基本吻合，模拟是成功的。六、计算流场时，主流区采用Ｋ一模型，采用壁面函数法处理边界层区域， 其收敛性较好（迭代３００次左右就可以很好收敛），计算结果具有很高精度（误差绝对值在１０－５以下）。七、在Ｓ工 ＭＰＬＧ算法基础上，利用斜交与正交两种坐标系编制通用计算程序，对计算边界不太复杂的流场，具有较好的适用性和通用性。八、计算结果表明，在浓淡燃烧器出口加装钝体，能够形成稳定的回流区， 使出口湍流强度增加，有利于煤粉着火燃烧。东北电力学院硕士学位论文致谢致谢 本文是在辛国华教授的悉心指导下完成的。本人在整个学习期间得到了辛国华教授的精心指导和热情帮助，特别是辛国华教授高尚的人格和严谨的治学态度使本人深受教益，辛国华教授细心、全面地审阅了全文，并提出了许多宝贵意见，对提高论文的水平和质量起到了重要的作用，在此谨向辛国华教授表示由衷的谢意。另外，在试验期间得到了锅炉实验室谷运兴、高晶萍两位老师的无私帮助； 在数值计算方面徐志明博士给予了大力支持；在程序的编制和调试过程中，本人的妻子曲如付出了辛勤的汗水，在此一并表示感谢。Ａ、北电力学院硕士学位论文参考文献参考文献［ｌ］胡荫平、贾鸿样，新型煤粉燃烧器，西安交通大学出版社，１９９３， １２．［２」徐旭常等．燃烧理论与燃烧设备，北京：机械业出版社．１９９０．［３］费祥麟，高等流体力学，西安交通大学出版社，１９８６．［４］Ｙ． Ｔｓｕｊｉ ａｎｄ Ｙ． Ｍｏｒｉｋａｗａ，”ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎ ｐｉｐｅｓ ｗｉｔｈ ｂｅｎｄｓ”．４＂ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｎｅｌｌｍｅｃｔｉｃＴｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｓｏｌｉｄｓ ｉｎ ｐｉｐｅｓ． Ｊｕｎｅ２６－２８．１９７８．［５］Ｙ． Ｋｌｉａｆａｓ ａｎｄ Ｍ． Ｈｏｌｔ，”ＬＤＶ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ａｉｒ－ｓｏｌｉｄｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ９００ ｂｅｎｄ”Ｇｘｐｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｆｌｕｉｄｓ． Ｖｏｌ． ５．１９８７．ｐｐ７３－８５［６］惠世恩等．”水平肋管内气固两相流特性研究”．西安交通大学学报．ＶＯＬ． ２４． １９８８．［７］史峰．‘，大曲率弯道内气固两相流动的ＬＤＶ测量及数值分析”，硕士学位论文，西安交通大学．１［８］施学贵．冷态气一固两相流激光全息实验研究，具有火焰稳定船的直流煤粉９８８．燃烧器．清华大学博士论文．１９８８．仁９〕岑可法，樊建人．煤粉颗粒在气流中受力分析及运动轨迹的研究．浙大学报１９８７， ２１ （６）．［１０１樊建人．气固多相射流的数值模拟．浙大学报．１９８７， ２１ （６）．［１１］樊建人．在脉动气流中煤粉颗粒群运动时阻力系数的数值计算．浙大学报［１２］周力行，李勇．旋流两相流动的ＤＳＭ１９８７， ２０ （６）．－ＰＤＦ两相湍流模型．工程热物理学报．１９９９， ＶｏＬ． ２０． Ｎｏ． ２． ２５２－２５７．［１３〕早川傲朗，佐藤洋平等“管内同轴二相喷流。乱流横造。入人力、”第３４回日本亡九粗。夕夕形了”吞二今之凡毛凡不人集１９９７ （５）［１４〕桥口真宜．”二相流。寸｝ ５Ｊ汁４＇ ｃ ｈ，”第３３回日本－Ｃ＆ｔ｝ ｉｉ ，＊＊ ＋ｉｕｚ，ｚ ／， ４， ｈ， Ｊ＇ ／，集１９９６ （５）。１１５１ ＂正＊田中利幸等”微粉ｔ－ ｈ，粒子。１） ￥ ＇！ ／１｀ ４＇ ｔｔ Ｃ ＿ ５＇）＂ ＂．第３１回日本－Ｃ＆ ｔ－） ｉ ｉｔ０ ＇ｉ ＇Ｙ Ｇ二 ｉ ｉ ｋ ｛， ｋ３｀ ｈ，集１９９４ （５）［１６］气驾尚志等，”１１１１ ｉｆ Ｆｖ；， －Ｙ微粉ｔ－ｈ，Ｉ‘一ｆ ０） ｈ｝ ４＇‘：。”．石川岛播磨技报．１９８７． ２７ （６）［１７」周力行，黄晓晴中国科学Ａ辑，１９８９； （１２） ： １２６２－１２６８［１８１Ｐｏｕｒａｈｍａｄｉ Ｆ． ａｎｄ 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