舰用增压燃油锅炉旋流燃烧器冷态流场数值模拟.pdf

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1、第39卷第3期2010年6月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVoL39No．3JurL2010DOI：10．3963／j．isstr1671-7953．2010．03．042舰用增压燃油锅炉旋流燃烧器冷态流场数值模拟孙世芳，姚寿广。冯祥，肖民(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)摘要：借助Fluent软件，采用realizable}e湍流模型对增压燃油锅炉与常压燃油锅炉旋流燃烧器冷态流场进行数值模拟。得到相应的内部空气流场，对比不同结构参数对燃烧器内回流区的影响，对比分析回流区对重油燃烧流场的影响，得到利于燃烧的适宜结构参数

2、，为该型增压锅炉的设计、改造提供依据。关键词：增压燃油锅炉；realizable如湍流模型；燃烧器；回流区中图分类号：U674．2；TK223．2文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010)03—0147—05相对于常压锅炉，增压锅炉炉膛中空气压力和温度的提高，使燃料在较高密度和温度的助燃空气下燃烧，强化了燃烧过程。由于单位时间内燃料消耗量的增加，增压锅炉单位时间、单位体积内产生的热量远远大于常压锅炉Ll{]。涡轮增压机组利用的是从锅炉内排出的具有一定温度和压力的烟气，因而无需消耗蒸汽，提高了蒸汽装置的经济性。相比于常压锅炉，在相同的蒸汽参数条件下增

3、压锅炉具有体积小，重量尺寸指标低、更好的动态热力特性等优点心]。目前国内外关于燃烧器和炉内流场的试验研究和数值模拟做了大量的工作，但主要集中在煤粉燃烧器和燃气轮机燃烧室方面，对增压燃油锅炉的数值模拟的文献较少。因此，考虑在文献I-3-1的基础上对冷态下增压锅炉燃烧器内流场进行数值模拟，探讨对燃烧最有利的结构参数。1模型建立1．1物理模型增压锅炉的燃烧器包括调风器、稳焰器、喷油器、风口，采用固定切向叶片式调风器、内混蒸汽式喷油器、扩流锥形稳焰器及简单扩口的风口。燃烧器的结构见图l。由于只考虑压缩空气的流动空间，所以对不影响流动的结构在建模过程中做简化处理(见图2

4、)，双燃烧器采用对冲式布置，相关尺收稿日期：2009—07—08修回日期：2009—08—10作者简介：孙世芳(1980一)。男，硕士生。研究方向：增压锅炉的流动燃烧数值模拟。E-mail：ssfln1124@163．com．寸见图3。圈1燃烧器剖视图图2燃烧器结构简图风口J螽量炉膛空间1图3燃烧器布置示意图在gambit中对燃烧器划分网格，见图4。网格以四面体为主，兼有锲型和六面体。为更好地显示稳焰器对流场的影响，对稳焰器处网格进行加密。】47第3期船海工程第39卷a)燃烧器网格b)燃烧器半剖体网络图4燃烧器l网格图燃烧器的结构具有明显的对称性，因此压缩空气

5、流动呈轴向旋转对称分布，为使问题简单化，将燃烧器1作为研究对象。假定压缩空气为理想气体，压力为0．2MPa，且为全面发展的定常紊流流动。1．2数学建模由文献[4]相关知识计算得增压锅炉调风器的旋流数约为1．18，与常压锅炉相比较大，而re-alizable与k-￡模型是志-e双方程模型为提高对高旋流数的适应性而改进的[4]，所以在模拟过程中采用此湍流模型。湍流粘性系数胁为：一旷融譬式中：忌——湍流动能；r湍流耗散率；li,Jl广密度。(1)realizablek-￡方程中湍流粘性比例系数C。不再是常数·；而是一个以角速度旋转的相对坐标系中观察到的平均旋度与应变

6、变化率等量有关，定义为：1．4模型验证相同结构参数及工况下，模拟结果对比见表1。验证结果表明：数值模拟计算结果与文献[3]的结果存在一定得误差，但误差在试验允许的范围内，表明物理模型的建模、数学模型的选取，网格的划分及边界条件的处理方案是可行的。表I模型计算结果对比表文献[3]为单燃烧器流场，文中的燃烧器采用对冲式布置，由于燃烧器流动压缩空气的相互压迫作用，导致流场中的回流区较单燃烧器回流区长度变短，回流区直径增加，模拟结果也显示了这样的结果。2仿真结果分析增压锅炉燃烧器在油类燃烧时要求将一部分助燃压缩空气送人燃油火炬根部，防止和减轻火炬根部燃油因高温缺氧的裂

7、解，同时降低火炬根部位置的温度，以防燃油喷嘴温度过高损坏。根部存在风，使燃油雾化的油滴细而均匀，油滴受热蒸发迅速，与空气混合扩散加快。采用旋流调风器即能满足燃烧所需要的条件，燃烧器内的速度流场见图5。。2薜i(2)式中：A。——模型常数，Ao一4．04；A。、U。——模型参数，取值参考文献[3]。1．3数值分析的定解条件假定压缩空气为不可压缩流体，其参数(密度、粘度、温度、压力)由理想气体状态方程可以求图5燃烧器1内速度矢量得；空气的过量系数取1．15[3

8、，由燃油消耗量求将气流回流同侧边界轴向速度为零的点联结得空气进气量，进而得出进口气流速度；紊流强起来所得

9、的区域即为回流区，可显示回流区的形度、