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数值模拟研究二次风旋流强度的可调范围 煤粉在炉内燃烧是否稳定是电厂锅炉运行的经济性和安全性的重要影响因素之一。对于旋流燃烧器，二次风的旋流强度对炉内流场的影响较大，主要表现在燃烧器出口附近中心回流区的形成情况，较好的回流区可使炉内煤粉形成良好的燃烧，不会出现炉内局部温度过高的现象。如果旋流强度过大，形成的回流区稳定性差，容易造成炉内飞边，煤粉气流冲刷水冷壁，燃烧器出口易被烧坏，附近的水冷壁易发生结焦，因此必须对二次风的旋流强度范围进行深入的研究与分析。 由于旋流燃烧器结构复杂，测量手段有限，所以国内外大多数人进行数值模拟研究，并取得了一定的成果[1-7] ，模拟的结果较好地显示了炉内的流场分布。但是这些模拟仅仅是针对单个旋流燃烧器进行的研究，忽略了燃烧器之间的相互作用和炉膛空间大小对燃烧器模拟的影响。只有考虑到这些因素的影响，燃烧器出口附近回流区的变化以及内、外二次风各自的旋流强度范围才能获得更真实的模拟结果。其中，旋流强度Ω为无因次数，即切向动量与轴向动量之比。 以整个炉膛为研究对象，利用Ansys 12.0软件，采用数值模拟的方法对内、外二次风各自的旋流强度进行分析，在模拟过程中保证一二次风的配风量不变，采用对比法分别对内、外二次风旋流强度范围进行数值模拟研究，旨在为该型号燃烧器旋流强度的调整和炉内稳燃提供数据指导和有利的理论依据。 1 模型及计算方法 1.1 模型结构 旋流燃烧器结构如图1所示，燃烧器的中心风和一次风为直流，内、外二次风为旋流，内二次风设计为轴向旋流叶片、外二次风设计为切向叶片旋流。通过对该模型进行数值模拟，研究了炉内稳燃的条件下内、外二次风旋流强度的范围。 图1 旋流燃烧器的结构简图 该模型为前后墙对冲燃烧锅炉，包括整个炉膛以及36个相同结构的旋流燃烧器，前后墙分别布置3层，每层有6个燃烧器且相邻燃烧器的间距相同，如图2所示。由于需要计算旋转流动，为了得到较好的模拟结果，整个模型分为几个区域单独进行划分网格。燃烧器及附近的燃烧区采用加密网格，燃烧区上方和冷灰斗区的网格则较为稀疏。 （a）主视图 （b）左视图 图2 燃烧器布置简图 1.2 计算方法 由于流场局部属于高速旋转流动且具有较大的时均应变力，标准的k-ε模型不能表现出旋转流动，因此湍流模型选择带有旋流修正的realizable k-ε模型。压力方程选择PRESTO格式作为方程的差分离散方法，差分方程选用simple算法。 2 模拟结果分析 2.1冷态模拟与实验的对比分析 旋流燃烧器的入口条件通过电厂实测得到，中心风、一次风、内二次和外二次风的风速分别为18 m/s、22.4 m/s、35 m/s和35 m/s，内二次风的旋流强度Ω1=0.58，外二次风的旋流强度Ω2=0.58。 由于燃烧器结构相同且等距分布，因此只需比较分析相邻两个燃烧器及其附近炉膛的模拟结果，图3为某两个相邻燃烧器的冷态流场模拟结果，其中内、外二次风的旋流强度均为0.58。由图可知，在燃烧器轴线方向上，中心回流区出现在燃烧器出口距离后墙0.8~2.2 m的范围内，其中距离为1.4~2 m区域内的回流现象最为明显。为了验证冷态数值模拟的可行性，进行了相同工况下的冷态试验测量。在燃烧器出口放置长飘带，通过飘带的偏转来观察流场情况。冷态试验发现在距离燃烧器喷口1～2 m的区域内，一次风射流刚度比较强；在距离喷口2～5 m区域内，飘带发生偏转，飘带末端偏离轴线约600 mm。这表明本文冷态数值模拟结果与试验在定性方面是一致的，从而验证了数值模拟方法的可行性。 图 3 燃烧器的冷态流场矢量图 中心回流区的作用是卷吸已经着火的高温烟气并使其进行回流，为燃烧器出口附近的煤粉气流提供着火热和活化能。如果回流区中心与燃烧器出口相距较远，则不能提供稳定的热源，易造成煤粉燃烧不稳定现象。 中心回流区对煤粉着火过程和炉内稳燃起着重要的作用，通过改变中心回流区分析和研究了对内、外二次的风旋流强度。将模拟的结果与冷态实验进行比较分析（见表1），两种数据结果基本吻合，表明模型模拟的结果较为准确，可用于燃烧器内、外二次风旋流流动的模拟分析。 表1 数值模拟与冷态实验的结果对比 项目 数值模拟 冷态实验 中心回流区范围 0.8~2.2 0.5~2 中心稳定回流区范围 1.4~2 1.4~2 几乎无回流范围 3 3 2.2二次风旋流强度对流场的影响 外二次风的作用是提供煤粉完全燃烧需要的空气，同时冷却燃烧器出口及其附近的水冷壁，防止燃烧器被烧坏或水冷壁结焦。该燃烧器的外二次风旋流强度由切向叶片控制，叶片具有开关风门的作用，开度越小，旋流强度越大，形成中心回流区的面积越大，越利于煤粉在炉内与气流充分混合。然而旋流强度过大可能会引起炉内气流产生飞边