可調(diào)軸向葉片結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度計(jì)算與動力場特性分析

王學(xué)文，崔豫泓

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

旋轉(zhuǎn)射流是由于對氣流產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)運(yùn)動而形成的射流，由螺線運(yùn)動應(yīng)用產(chǎn)生且是1種重要的射流運(yùn)動形式[1-4]，并廣泛應(yīng)用于各種工程應(yīng)用場合，諸如水力旋流器[5-6]、徑向水平鉆井[7]、旋風(fēng)除塵[8]以及發(fā)動機(jī)燃料噴注系統(tǒng)和燃燒器[9-10]等。旋轉(zhuǎn)射流應(yīng)用于燃燒室中作為控制火焰的1種手段[11]，當(dāng)氣流切向或經(jīng)旋流葉片軸向進(jìn)入燃燒室，會形成1種流場復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)射流，能促進(jìn)燃料和氧化劑的摻混、提高燃燒效率以及產(chǎn)生回流區(qū)穩(wěn)定火焰，旋流強(qiáng)度的大小對火焰大小、形狀、穩(wěn)定性和燃燒強(qiáng)度均產(chǎn)生重要的影響[12-13]。旋流燃燒除了提高燃燒效率之外，還可減少有害污染物NOx、SOx等的形成，從而提供1種對環(huán)境更清潔的燃料方法[14]。

較之于切向葉片旋流器，軸向葉片旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、阻力損失小、出口速度分布均勻以及調(diào)節(jié)性較好等優(yōu)點(diǎn)[15]，尤其可調(diào)軸向葉片旋流器能靈活調(diào)整旋轉(zhuǎn)射流的強(qiáng)度，對燃燒過程起著重要的作用。另外，旋轉(zhuǎn)射流是高效低氮燃燒技術(shù)的重要基礎(chǔ)，可調(diào)軸向葉片旋流器與空氣分級燃燒技術(shù)相結(jié)合是當(dāng)前降低NOx排放和飛灰殘?zhí)康挠行侄?。為了充分發(fā)揮可調(diào)軸流葉片旋流器的優(yōu)勢，需對可調(diào)軸向葉片旋流器的工作原理及其對燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流的動力場特性進(jìn)行全面細(xì)致的分析。根據(jù)可調(diào)軸向葉片旋流器的工作原理，推導(dǎo)可調(diào)軸向葉片旋流強(qiáng)度的計(jì)算公式。

1 旋流器工作原理及動力場特性分析

可調(diào)軸向葉片旋流器是1個(gè)長度較短的錐形筒，外環(huán)呈錐形，內(nèi)環(huán)呈圓形，中間設(shè)置導(dǎo)向葉片，呈螺線型布置，當(dāng)具有一定軸向速度的流體進(jìn)入葉輪后，在導(dǎo)向葉輪的流道中的流體受到1個(gè)扭曲力的作用，在該力的作用下，流體獲得了一定的旋轉(zhuǎn)動量，賦予了流體微團(tuán)三維速度，除了非旋轉(zhuǎn)射流中存在的軸向和徑向速度之外，旋轉(zhuǎn)射流還具有切向速度，由此使得氣流螺旋前進(jìn)并以螺旋運(yùn)動流出噴嘴。在旋轉(zhuǎn)射流過程中，由于圓筒壁上約束的消失，在離心力或慣性力的作用下，流體微團(tuán)不斷向周圍介質(zhì)中擴(kuò)散。

在不考慮位差和不計(jì)旋流器的流動損失的條件下，對旋流器進(jìn)出口2個(gè)截面的列伯努利方程見式(1)：

式中，p1為進(jìn)口處靜壓，Pa；p為出口靜壓；Pa;ρ為氣流密度，kg/m3；ω1為氣流入口速度，m/s；ωz為旋流器出口氣流軸向速度，m/s；ωθ為旋流器出口氣流切向速度，m/s；k為常數(shù)。

如用H表示流體的全部能量，即總壓可按式(2)計(jì)算:

則旋流器出口壓力(p)可寫成:

由式(3)可計(jì)算渦核區(qū)沿半徑的壓力分布。在渦核中心，即旋轉(zhuǎn)軸心處，r=0，ωθ=0，其壓力值為:

綜合以上推導(dǎo)表明，旋轉(zhuǎn)射流中心處的壓力比射流邊界的低兩倍動壓頭，該動壓頭值按漩渦半徑處的切向速度計(jì)算。

可調(diào)軸向葉片旋流器的工作原理示意如圖1所示，當(dāng)可調(diào)軸向葉片在最前位置即全關(guān)時(shí)，全部氣流通過葉輪，此時(shí)旋流強(qiáng)度最大；當(dāng)可調(diào)旋流器后移時(shí)，葉輪外環(huán)和通道之間就會形成1個(gè)錐形通道，部分氣流直接在錐形通道通過即不參與旋轉(zhuǎn)，使總的氣流旋流強(qiáng)度在逐漸減小，則調(diào)節(jié)旋流器位置時(shí)，其實(shí)在改變錐形通道的體積，直流二次風(fēng)和旋轉(zhuǎn)二次風(fēng)比例得以發(fā)生改變，導(dǎo)致了徑向和軸向壓力梯度的建立，使得氣流反轉(zhuǎn)來影響流場。當(dāng)旋流強(qiáng)度最大時(shí)，切向動能最大，軸向動能最小，軸向壓力梯度大，足以發(fā)生沿軸向的反向流動，進(jìn)而形成中心回流區(qū)，但該種旋流器形成的回流區(qū)較小，只適合揮發(fā)分較高的煤種。

圖1 可調(diào)軸向葉片旋流器工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of the working principle of the adjustable axial vane swirler

旋流強(qiáng)度的大小對旋轉(zhuǎn)射流的特性有較大的影響，Chigier等[16]學(xué)者對旋轉(zhuǎn)射流進(jìn)行深入細(xì)致的研究，當(dāng)旋流強(qiáng)度為1.43時(shí)，旋流器出口軸線附近形成逆壓區(qū)，燃燒器軸線附近壓力降低，前面的高壓氣體不斷補(bǔ)充，沿軸線向前壓力逐漸增加，逐漸趨近于較遠(yuǎn)處下游的大氣壓力。不同旋流強(qiáng)度下燃燒室內(nèi)軸向速度u、切向速度w、徑向速度v的徑向分布如圖2所示。從圖2可看出，隨著旋流強(qiáng)度的增加，切向和徑向的速度值增加，且流動被迫沿著外壁進(jìn)入越來越窄的邊界層，中心軸線附近軸向速度減小，為中心回流區(qū)的形成創(chuàng)造了條件。

圖2 不同旋流強(qiáng)度下燃燒室內(nèi)軸向速度u、切向速度w、徑向速度v的徑向分布Fig.2 Radial distribution of axial velocity u,tangential velocity w,and radial velocity v in the combustion chamber under different swirling intensity

不同旋流強(qiáng)度下的出口回流區(qū)尺寸和形狀圖如圖3所示，隨著旋流強(qiáng)度的增加，回流區(qū)面積逐漸變大，且形狀由長條形轉(zhuǎn)變成橢圓形[17]。

圖3 不同旋流強(qiáng)度下回流區(qū)的形狀Fig.3 The shape of the recirculation zone under different swirling intensity

火焰溫度的徑向分布如圖4所示，x/D=0表示燃燒器出口截面。

圖4 火焰溫度的徑向分布Fig .4 Radial distribution diagram of flame temperature

從圖4可知，燃燒器出口截面溫度分布水平達(dá)到峰值；最高溫度出現(xiàn)在回流區(qū)之外的區(qū)域，回流區(qū)內(nèi)溫度分布較為均勻。觀察發(fā)現(xiàn)，燃燒在x/D= 0.68處完成，燃燒完成后的最高溫度和徑向溫度梯度迅速衰減，在x/D= 1.93時(shí)其最高溫度為310 ℃[18]。

若一般射流的擴(kuò)散角是28 ℃，旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)散角可達(dá)90°以上，進(jìn)而極大程度上改善燃燒的穩(wěn)定性。不同旋流強(qiáng)度下無煙煤煤粉火焰溫度的軸向分布如圖5所示。

圖5 不同旋流強(qiáng)度下無煙煤煤粉火焰溫度的軸向分布Fig .5 Axial Distribution of Smoke Temperature of Anthracite Pulverized Coal Flame under Different Swirl Intensities

從圖5可看出，隨著旋流強(qiáng)度的增大，煙氣溫度峰值出現(xiàn)在燃燒器噴口附近，且整個(gè)回流區(qū)內(nèi)平均溫度較高且比較均一[19]，說明回流區(qū)能極大程度促進(jìn)射流與周圍介質(zhì)的動量、熱量、反應(yīng)物濃度的交換，使燃燒著的高溫?zé)煔夥聪蛄骰厝紵抑?，在煤粉氣流著火前被卷吸至一次風(fēng)內(nèi)，著火的穩(wěn)定性得到提高。有研究表明此種作用對煙煤更加明顯，煙煤的揮發(fā)分很早就被帶進(jìn)火焰，形成難以熄滅的可燃?xì)怏w混合物。

2 可調(diào)軸向葉片旋流器結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度計(jì)算

2.1 旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

在計(jì)算結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度前，需確定旋流葉片的遮蓋度、葉片數(shù)量等參數(shù)，可調(diào)軸向葉片的展開圖如圖6所示。

圖6 可調(diào)軸向葉片展開圖Fig.6 Expanded view of adjustable axial blade

采用式(5)計(jì)算旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù):

其中，k為遮蓋度，無量綱；Sx為1個(gè)葉片在葉片根圓上所遮蓋的弧長，m；Sj為2個(gè)相鄰葉片根部間隔的弧長，m；l為葉片區(qū)長度，m；β為葉片傾角，(°)；C為葉片根圓周長，m；n為葉片數(shù)量；r0為葉片根圓半徑，mm。

當(dāng)葉片傾角不變時(shí)，改變其數(shù)量，從而使旋流器遮蓋度發(fā)生改變。遮蓋度對旋流強(qiáng)度的影響如圖7所示。

圖7 遮蓋度對旋流強(qiáng)度的影響Fig.7 The influence of opacity on swirl intensity

從圖7可看出，旋流強(qiáng)度隨遮蓋度的增加先上升達(dá)到峰值，再逐漸降低后緩慢趨向穩(wěn)定。究其原因，是因?yàn)殡S著遮蓋度的增加，葉片數(shù)量也將增加，葉片間距減小，旋流風(fēng)平均速度增加，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度達(dá)到峰值，但隨著遮蓋度增加到一定程度，葉片后出現(xiàn)渦流區(qū)，從而使得實(shí)際出口截面減小，氣流流經(jīng)旋流器的阻力也將增大，轉(zhuǎn)而旋流強(qiáng)度逐漸降低再緩慢趨向平緩[8]。因此，軸向葉片的遮蓋度(k)一般選取1.1～1.5[20]。通過代入法，將已知數(shù)據(jù)代入公式(5)，可計(jì)算得出其他結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

2.2 結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度計(jì)算公式的推導(dǎo)

旋流強(qiáng)度通常指結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度(S)，一般采用旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)表示，即按平均軸向及切向速度來確定，如此既給設(shè)計(jì)工作帶來方便，又可據(jù)此分析旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋流強(qiáng)度的影響。結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度是表示氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)烈程度的參數(shù)，其計(jì)算公式見式(6):

式中，M為氣流旋轉(zhuǎn)動量矩，kg·m2/s2；M=Qwτrpj；Q為氣流質(zhì)量流量，kg/s；wτ為氣流平均切向速度，m/s；rpj為氣流旋轉(zhuǎn)半徑，m；K=Qwx，K為氣流軸向動量，kg·m/s，wx為氣流平均軸向速度，m/s；L為定性尺寸，m。

化簡式(6)后得:

當(dāng)旋流器全關(guān)時(shí)，旋流器下游無軸心存在，旋轉(zhuǎn)射流直接噴入1個(gè)圓形通道，定性尺寸宜采用L=R?？烧{(diào)軸向葉片的結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度按以下方法推導(dǎo)。

首先推導(dǎo)葉片出口的切向速度，公式見式(8):

式中，Q為氣體流量，m3/h；F1為葉片的出口流通截面積，等效于旋流器的出口截面積，m2；ρ為氣流密度，kg/m3；β為葉片傾角。

葉片的出口流通截面積(F1)由式(9)得出:

F1=εn(r1-r0) (9)

式中，r0、r1分別為旋流器的內(nèi)半徑和外半徑，mm；ε為相鄰葉片出口處的平均間距，mm；忽略葉片的厚度，n為葉片的數(shù)目，個(gè)。

相鄰葉片出口處的平均間距(ε)按式(10)計(jì)算:

葉片出口處的氣流軸向速度(ωx)的計(jì)算公式見式(11):

氣流的平均旋流半徑可取為:

將式(8)至(12)和L=R代入式(7)，得:

將r1=250 mm、r0=210 mm、R=250 mm、β=60°的數(shù)據(jù)代入式(13)，計(jì)算得結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度:S=1.597。

當(dāng)旋流器拉開距離a后，此時(shí)旋流器下游有較長的軸心存在，旋轉(zhuǎn)射流的流動區(qū)域?yàn)榘S心的環(huán)形通道，定性尺寸L便不宜采用R，應(yīng)采用適用于環(huán)形通道的定性尺寸[21]，即:

可調(diào)軸向葉片旋流器的結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度的計(jì)算公式推導(dǎo)如下:

當(dāng)移動旋流器過程中，氣流的旋轉(zhuǎn)動量矩保持不變，即:

旋流器出口的軸向動量:

式中，Q1為旋流風(fēng)流量，m3/h；Q2為旋流風(fēng)流量，m3/h；F0為葉片的出口流通截面積，m2。

Q1、Q2的計(jì)算公式分別見式(17)、(18):

Q2=W2F2cosα(18)

式中，W1、W2分別為平均旋流風(fēng)速度、平均直流風(fēng)速度，m/s；F1為葉片的出口流通截面積，m2；F2為直流風(fēng)出口截面積，m2。

葉片出口流通截面積(F1)、直流風(fēng)出口截面積(F2)的計(jì)算公式分別見式(19)、(20):

化簡得:

Q2=W2πcosαtgα(a2tgα+2ar1) (22)

又因?yàn)?W1=W2，則:

2ar1)]2/F0(23)

氣流的總結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度為:

將式(14)至(23)代入式(24)，可得:

將r1=250 mm、r0=210 mm、R=250 mm、α=15°、a=10 mm、β=60°的數(shù)據(jù)代入式(25)，計(jì)算可得結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度:S=0.189。

3 結(jié) 論

基于可調(diào)軸向葉片旋流器的工作原理，對燃燒室內(nèi)旋轉(zhuǎn)射流動力場特性的影響進(jìn)行深度分析，由此推導(dǎo)可調(diào)軸向葉片結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度的計(jì)算公式，結(jié)論如下:

(1)調(diào)節(jié)旋流器位置時(shí)，由于改變氣流軸向動能和切向動能的大小從而導(dǎo)致徑向和軸向壓力梯度的建立，使得氣流反轉(zhuǎn)以影響流場，旋流強(qiáng)度較大時(shí)，切向動能較大，軸向動能最小。

(2)隨著旋流強(qiáng)度的增加，切向和徑向的速度值增加，且流動被迫沿著外壁進(jìn)入越來越窄的邊界層，中心軸線附近軸向速度減小，為中心回流區(qū)的形成創(chuàng)造了條件。

(3)隨著旋流強(qiáng)度的增加，回流區(qū)面積逐漸變大，且形狀由長條形轉(zhuǎn)變成橢圓形。

(4)隨著旋流強(qiáng)度的增大，煙氣溫度峰值出現(xiàn)在燃燒器噴口附近，整個(gè)回流區(qū)內(nèi)平均溫度較高且較均一，說明回流區(qū)促進(jìn)了射流與周圍介質(zhì)傳熱、傳質(zhì)作用，提高了著火穩(wěn)定性。

(5)計(jì)算不同軸向葉片旋流器位置下的結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)采用不同的定性尺寸。

通過對可調(diào)軸向葉片旋流器工作原理分析，能更加直觀地了解旋轉(zhuǎn)射流的特性。通過結(jié)構(gòu)旋流強(qiáng)度的計(jì)算公式推導(dǎo)，為可調(diào)軸向葉片旋流器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)，也讓相關(guān)人員更加深入地了解軸向葉片旋流器的應(yīng)用情況。