文丘里濃淡生物質燃燒機的分離特性和阻力特性研究
[摘要] 通過對不同結構尺寸的文丘里管內氣固兩相流動的數(shù)值模擬，研究文丘里濃淡生物質燃燒機的分離特性和阻力特性與文丘里管結構尺寸的關系，為設計和應用新型的濃淡生物質燃燒機提供理論依據(jù)。該濃淡生物質燃燒器將在防止燃燒器區(qū)域結渣，降低氮氧化物(NO。)排放和改善劣質煤著火特性方面發(fā)揮作用。
  文丘里濃淡生物質燃燒機是利用生物質顆粒的慣性比空氣分子大的特點，將一次風粉氣流通過文丘里管后分成中心生物質濃度大，外環(huán)生物質濃度小的兩股氣流，可有效防止燃燒器區(qū)域結焦結渣，降低NO。排放。
1 物理模型
  圖1為文丘里濃淡生物質燃燒機結構。一次風粉氣流進入直徑為Di的圓形入口，在收縮段，生物質顆粒和空氣都向喉口收縮；在擴展段，空氣氣流在前進的過程中向徑向擴展，而生物質顆粒由于密度比空氣大很多，慣性大，較少向徑向擴展。這樣，在出口處就形成中心煤扮濃度高外環(huán)生物質濃度低的分離效果。
通過數(shù)值模擬研究文丘里結構尺寸的5個獨立變量喉口直徑d、喉口段長度三z、穩(wěn)定段長度/4、收縮段角度ai、擴展段角度az對文丘里濃淡生物質燃燒機的分離特性和阻力特性的影響。進出口邊界條件為入口直徑D1-0.357m，出口直徑D2-0.33m，氣固兩相入口速度礦。一28m／s，氣固兩相溫度90℃生物質顆粒粒徑45t/m，生物質顆粒流量0.34kg／s。為了便于分析比較，以d=0.22m，/2-三4-0.2m，al-25。，啦-7。作為標準工況，其它工況都僅改變其中的一個變量。
2數(shù)學模型
2.1氣相流動的數(shù)學模型
  氣相湍流流動采用ke雙方程模型‘”計算，其基本方程組有如下通用形式：
 其中：中為代表各因變量（速度、湍流動能等）的通用變量；D是各變量的擴散系數(shù)；S十是源相；對于不同的變量電n和S十的含意參見文獻[1]。
2.2顆粒相流動的數(shù)學模型
2.3數(shù)值計算方法
  數(shù)值計算方法采用有限容積法離散基本方程。為了提高計算精度，壓力方程、動量方程、湍流動能方程和湍流耗散方程都采用二階離散格式，速度與壓力耦合離散采用SIMPLE算法，顆粒相采用拉格朗日法計算。為了便于比較分析，所有的數(shù)值模擬工況都采用相同間距的網(wǎng)格及與物理模型相同的邊界條件。
3 數(shù)值模擬結果分析
  在數(shù)值計算模型中將文丘里出口分成中心圓(直徑為D2/2)和外環(huán)（內徑為D2/2，外徑為Dz的環(huán)形），濃淡比是指中心圓生物質濃度與外環(huán)生物質濃度的比彳直，出口速度偏差指中心圓平均速度與外環(huán)平均速度的差值。為了便于比較分析，分別用進口氣相動壓頭和進口速度對阻力損失和出口速度偏差進行無量綱化處理，這樣阻力損失和出口速度偏差就分別用阻力系數(shù)和無量綱出口速度偏差表禾。
3.1 喉口直徑d對文丘里特性指標的影響
  圖2為在標準工況下，不同的喉口直徑d對文丘里濃淡生物質燃燒機3個特性指標的影響。由圖2可見，隨著d的增大，阻力損失和出口速度偏差都減小，濃淡比先增大后減小。隨著d的增大，擴展段/，長度變短，氣固兩相在擴展段的混合程度降低，有利于提高濃淡比。此外，當d繼續(xù)增大，文丘里本身對風粉氣流的濃縮效果減弱，從而濃淡比降低。
3.2喉口段長度/2對文丘里特性指標的影響
  圖3為在標準工況下，不同喉口段長度/2對文丘里濃淡生物質燃燒機3個特性指標的影響。隨著三z的增大，阻力損失和出口速度偏差都增大，而濃淡比變化很小。三z對出口速度偏差的影響見圖4。當上z-0時，喉部出口外圍速度比中心速度大，這樣有利于抵消最終的出口速度偏差，出口速庋偏差較小；當/2-0.4m時，喉部出口速度比較均勻，起不到抵消出口速度偏差的效果，出口速度偏差較大。
3.3穩(wěn)定段長度三。對文丘里特性指標的影響
  圖5為在標準工況下，不同穩(wěn)定段長度/4對文丘里濃淡生物質燃燒機3個特性指標的影響。隨著三。的增大，濃淡比降幅較大，出口速度偏差略有下降，阻力損失基本不變。厶增大，使得氣固兩相在穩(wěn)定段混合得更加充分，空氣和生物質在出口處的分布也更加均勻，這樣出口速度偏差和濃淡比都降低。圖6為標準工況下阻力損失在文丘里管各個段的分布情況
3.4收縮段角度ai對文丘里特性指標的影響
  圖7為在標準工況下，不同的收縮段角度ai對文丘里濃淡生物質燃燒機3個特性指標的影響。隨著ai的增大，阻力損失和濃淡比增大，而出口速度偏差變化很小。這是因為at增大，流場變得更加不均勻，阻力損失增大。另外，收縮段對生物質顆粒向管道中心集中的導向作用增強，而對慣性小的空氣流導向作用不明顯，因為，濃淡比增大而出口速度偏差變化很小。
3.5擴展段角度∞對文丘里特性指標的影響
  圖8為在標準工況下，不同的擴展段角度a2對文丘里濃淡生物質燃燒機3個特性指標的影響。隨著a2的增大，阻力損失和出口速度偏差略有增加，濃淡比則光增大后減小。az增大，擴展段三，長度變短，氣固兩相在擴展段的混合程度降低，有利于提高濃淡比。此外，當a2繼續(xù)增大，氣相出口速度的不均勻性也增大，出口中心處的氣流流量大降低了管道中心的生物質濃度，濃淡比降低。
4結論
  (1)對進出口阻力損失影響最大的是喉口段的直徑和長度。當所設計的濃淡生物質燃燒機進出口阻力損失過大日寸，應首先考慮增大喉口段直徑和減小喉口段長度。
  (2)喉口直徑和擴展段角度對濃淡比的影響存在一個極大值，為達到更高的濃淡比，應避免喉口直徑和擴展段角度過大或者過小。

  (3)對出口速度偏差影響最大的是喉口段的直徑和長度。出口速度偏差與進出口阻力損失有著密不可分的關系，一般出口速度偏差大阻力損失也大。文丘里管阻力損失主要就是由于管道內速度場不均勻性引起的。

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