燃油锅炉油滴运动蒸发的数值模拟

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1、第16卷第4期华东船舶工业学院学报(自然科学版)Vo1116No142002年08月JournalofEastChinaShipbuildingInstitute(NaturalScienceEdition)Aug.2002文章编号:1006-1088(2002)04-53-05燃油锅炉油滴运动蒸发的数值模拟马哲树,姚寿广(华东船舶工业学院机械系,江苏镇江212003)摘要:采用颗粒轨道法对选配文丘利型油燃烧器的燃油锅炉炉内油滴颗粒的运动和蒸发过程进行了数值模拟。计算结果表明,油滴的生存空间基本局限于回流区内,油滴不

2、会碰壁。油滴运动表明选配文丘利型油燃烧器的燃油锅炉炉内流场具有强旋流回流特性。关键词:燃油锅炉;数值模拟;颗粒轨道法;文丘利燃烧器;两相流中图分类号:TK223121文献标识码:A0引言近20年以来,多相或两相流动与燃烧的数值模拟已经取得了可观的进展。但是,由于多相流动和燃烧包含了流体流动、传热传质、以及相间质量、动量和能量的相互作用、各相的湍流脉动、各相的化学反应等因素,其中的物理化学过程异常复杂,因此对它的数值模拟离完善、成熟和全面地用于工程设计中的阶段,还有相当大的距离。文献[1]指出在模型发展、计算方法和实验

3、量测等三个方面尚有很多亟待解决的问题。在工程应用中,对于颗粒相运动的模拟,无论是在煤粉气固两相流动与燃烧的总体数值[2]模拟研究中,还是在油雾等气液两相流动与燃烧的数值模拟当中,绝大多数采用颗粒群轨道模型。选配文丘利型油燃烧器的燃油锅炉,其燃烧室内的流动、混合和燃烧过程是包括有旋回流、液相蒸发和[3]气相燃烧的三维湍流气液两相流问题。在这种流场中运动的燃油油滴,受气流的影响将作螺旋式运动;同时,由于气相湍流脉动的影响,油滴存在着空间弥散的趋势;此外,喷入燃烧室的油滴在运动过程中不断地蒸发为气相,其质量逐渐变小直至消失

4、。可见油滴的经历是异常复杂的,牵涉到许多物理化学[1]反应。本文采用颗粒轨道模型来追踪和描述雾化油滴在锅炉炉膛中的复杂经历,即在拉格朗日坐标系下考察油滴的颗粒运动和它们的变化经历。该模型可以同时考虑颗粒在旋流场中作轴向、径向和周向运动时的离心效应和湍流扩散效应。基本思路是:对油滴颗粒在流场中的运动进行受力分析,探讨其运动和经历,然后把结果直接应用到颗粒群的运动和燃烧过程中去。1油滴运动蒸发的数学物理模型用颗粒轨道模型模拟燃烧过程时,必须在每一时间步内对气相场和颗粒相的运动和燃烧进行耦合计算,以保证颗粒相的运动燃烧始终

5、处于非定常的环境中,这样就会导致计算量巨大甚至难以在计算机上实现。考虑到在稳定燃烧过程中,油滴颗粒以大致相同的运动方式运动且维持一定的运动轨迹,可以假定颗粒相从进入炉膛到燃尽的过程是在定常的流场和温度场中进行的,不同时刻从同一喷口喷射入炉膛的某一粒径的颗粒,具有同样的初始条件,有着同样的轨道,从而形成一条颗粒源线,对气相场产生影响。收稿日期:2001-11-19基金项目:行业重点项目(院编99201)作者简介:马哲树(1973-),男,湖北阳新人,南京航空航天大学博士研究生。54华东船舶工业学院学报(自然科学版)20

6、02年在锅炉炉膛的两相流场中,选取一个微元体,使用雷诺平均方法可以推导出油滴颗粒群的动量方程[4]如下55ρk(ρk·vk,i)+(ρk·vk,j·vk,i)=·(vi-vj)+vi·Sk+ρk·Fk,i(1)5t5xjτr,k式中:τr,k———颗粒驰豫时间;Fk,i———第k组颗粒群在i方向所承受的体积力分量。(1)式两端同除以颗粒数密度nk,并经过适当整理后可得到单颗粒动量方程:dvk,imkmk·=(vi-vk,i)+mk·Fk,i+mÛk·(vi-vk,i)(2)dtτr,k式中:mk———第k组颗粒质量分

7、数;mÛk———第k组颗粒质量变化率。在轴对称的柱坐标系下,当忽略体积力,并将变质量影响计入阻力系数之内时,(2)式变为如下用分量表示的方程组:duk1=·(u-uk)dtτrk2dvk1wk=·(v-vk)+(3)dtτrkrkdwk1vk·wk=·(w-wk)-dtτrkrk式中:rk为颗粒轨道的径向位置;u,v,w为气相速度;2ρk·dk24ln(1+B)τrk=·Cd=Cd0·(4)18·μRek·CdBCd0按传热与阻力的相似选取:240.25Cd0=·(1+0.25·Rek)(5)Rek参数B决定于蒸发率

8、,按照下式计算:mÛln(1+B)=(6)π·dk·D·ρl·Nu对燃油液滴运动和蒸发的数值模拟就是基于燃烧室内的空气动力场以及油滴的初始颗粒度和进口速度来求解上述微分方程组。2油滴运动与蒸发的数值求解方法对油滴在燃烧室内的运动规律进行计算时,必须先给出燃烧室气相流场中各个参数的空间分布情况。锅炉炉膛的气相流场很复杂,很难给出合理的粗略估计。本