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大速差射流预燃室生物质燃烧的颗粒轨道法数值模拟
    一摘    要
    本文用颗粒轨道模型对流场复杂的二维大速差射流燃烧室内生物质燃烧进行了数值模拟，给出了包括热态气相流场、温度场和浓度场等在内的各种气相场分布，同时也给出颗粒轨道及其速度，温度、质量等的变化．模拟结果再次揭示了该燃烧室内流动和燃烧的主要物理特征，并着重指出生物质颗粒在燃烧室内的行为对火焰稳定的重要影响．
    用数值模拟方法研究生物质湍流两相流动、传热和燃烧，对生物质燃烧器和炉子的研制、调试、放大和优化设计有重要的意义，国内外已进行了不少研究u，酊．针对新近发明并应i用的大速差射流稳燃的生物质预燃室，我们也已进行了热态生物质两相燃烧的二维数值模拟，、其中对生物质颗粒相的模拟采用了我们自己提出的拉氏一欧拉模型b叫1．为探讨不同的两相流模型和计算方法，使数值模拟更有效地应用于工程实际，发展与实际更接近的三维热态．模拟，本文拟采用一种相对简单的确定性颗粒轨道模型进一步模拟流场夏杂的大速差射**预燃室内的烟生物质燃烧过程．
    二、数学模型
    本文建立的生物质燃烧数学模型由颗粒相轨道模型和气相连续介质模型两大部分组成．
    1．颗粒相轨道模型方程组  在轨道模型中，颗粒的运动方程为：
上式中仅考虑了作用在颗粒上的阻力，其它力则略去不计，ot为颗粒速度的驰豫时间，在有相间质量交换时，
    生物质颗粒在燃烧过程中的质量成分有水分、原煤、焦炭和灰分，其中灰分的质量不变，水分蒸发速率按液藩寰罾蒸发公**给匿董撵霪分辨睦遘率辔摹利囊凌黧瘟麓型给出，焦炭燃填速率由扩散一动力模型给出，它们的详细表达式可见文献[3-5】．此处不同r燕，焦炭燃烧只考虑了一种表面氧化反应；裳壤塞藏应攀型乎麴蜃量篓蓑系数az仿文献f7】的做祛，按不同挥发分含量煤种的快速热解实验结果，取a：一2ai．颗粒模型还假定焦炭的质量损失影响煤粒的直径变化，而水分蒸发和挥发分的析出则影响煤粒的密度变化，在煤粒的能量方程中，同时考虑到颗粒与气体之间的对流传热，颗粒与预燃室热壁之间的辐射传热，以及颗粒自身由于水分蒸发、热解挥发和焦炭燃烧导致的吸放热，
    2．气相场守恒方程组  针对所研究问题中流动和燃烧的特点，我们用k-s湍流模型‘83和magnussen-hjertager改进形式的ebu湍流燃烧模型‘朝对时平均的气棺守恒方程组进行封闭，得到的气相方程在轴对称坐标系中可写成如下的通用形式：
分别对应于连续方程、动量方程、湍能方程、湍能耗散率方程、焓（热焓加化学烩）方程及组分质量浓度方程等lo个穑微分方程，这里假定挥发分的主要成分是ch．．上述各个方程中珞穗岛的表达粪与文献相同，但颗粒源项s¨则采用不同的表达式以对应于颗粒轨遨模型．
    3．定解条件    对颗粒相与气相分别给定初始条件和边界条件．气相在壁面处的条件按无滑移、无渗透和等壁温处理，并辅之以壁函数挣3修正，颗粒的碰壁则初步按无动量损失的弹性碰撞处理，
    三、数值计算方法
    数值计算在总体上采用两相耦合的迭代解法，  其中气相偏微分方程组的求解采用.simple算法，颗粒相常微分的求解采用四阶runge-kutta法，两相耦台迭代求{弹的思始是，用已得到的气相场计算结果或给定的气相迭代初场，去计算颗粒轨道及速度、质量：大速差射流预燃宣生物质燃烧的颗粒轨道法数值模拟和温度等量，由此算**相方程中的颗粒源项并重新进行气相迭代计算，如此往复下去直至收敛．
    用轨道法进行两相流动和燃烧数值求解的关键问题是：(i)颗粒方程沿轨道的积分求解；(ii)确保气相迭代计算的收敛；(iii)两相总体迭代计算的安排．  由于气相流场和温度场变化剧烈（尤其是在回流区），我们在沿轨道对颗粒方程数值积分时，假定网格节点之间的气相速度和温度线性地变化．进一步考虑到颗粒质量和温度的变化也甚为剧烈，故采用变时间步长积分，以控制每一积分步中颗粒质量和温度的变化，例如取时间步长
为预先给定的时间步长．确保气相迭代计算收敛的关键是要设法抑制并消除迭代初始振荡的**．一方面可以选择合适的迭代求解拟线性的差分方程组的方法，另一方面可以调}整迭代中所使用的松弛**，这是求解非线性问题的有效方法之一．鉴于气相守恒方程组的强非线性和方程间的强耦合性，本文计算中对“，t，∥，p和t等变量选取的松弛**均比相应的单相流计算小，如取0.3左右．生物质燃烧的数值计算是丙相耦合极强的问题，一相的计算结果对另一相的计算结果影响甚大．气相本身的求解需要进行迭代，而颗粒相本身的求解则毋需迭代，因此在安排两相耦合迭代计算时，对每一轮气相本身的迭代次数都取得较长（如200次左右），在此基础上再计算颗粒轨道并更新气相守恒方程中的颗粒源项，尔后重新进行气相迭代．两相耦合迭代计算的收敛标准是：(i)气相本身的迭代已收敛；(ii)前后两次两相迭代的最终结果具有满足一定精度要求的重复性．
四、计算结果与分析
    我们对二维轴对称大速差射流预燃室中一种烟生物质的燃烧过程进行了数值模拟．预燃室的几何形状可参见图2，其中一次风粉**从中心进口进入预燃室，大速差射流从端部开的一个狭窄环缝进入预燃室．计算中取的预燃室直径为0.13(m)，长度为0.8(m)，中心进口直径为0.065(m)，环缝的内外直径分别为0.103(m)和0.105(m)．进口处一次凤粉**的流速为15(m/s)，大速差空气射流的速度为200(m／s)，一次风和射流均为冷风．’一次风粉**中生物质与空气的质量流量之比为0.2，接近于生物质中挥发分完全燃烧的当量比，表1给出所计算的_种烟生物质的工业分析数据．表l生物质工业符析数据(%)
┏━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┓
┃    煤种  ┃    }矿，i  ┃    矿，  ┃    af    ┃    cf    ┃    矿7   ┃
┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫
┃    烟煤  ┃    1.5     ┃    25.4  ┃    28.9  ┃    44.2  ┃    36.5  ┃
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    图1给**相轴向速度“的分布，并画出反流区(“<0)的边界线．为对比起见，同时给出了同样进口条件下冷态单相空气流场的轴向速度分布和反流区边界线．二者在定性上相同，都预示出中心回流区的存在．所不同韵是，热态两相燃烧情况下的流场回流区长度比冷态时缩短近一倍，这主要是由于燃烧使气体受热加速，从图中可以清楚地看到这一点．  颗粒对气流的作用也会使流场回流区长度变短．  中心回流区妁存在相当于一道“屏障”，有可能使一次风冷气流与下游的高温气流分隔开来．
    图2给出不同初始粒径的生物质颗粒在预燃室中的运动轨道．  其中灰。一l2每的颗粒由于其较大的惯性而径直穿越中心回流区，而d{。一70p和dk。- 40v的颗粒受笺流影响较强，在回流区中打个圈就朝径向散布开来，甚至可能与壁面相撞．从颗粒的运动经历来看，中、小颗粒在预燃室头部（该区域约占预燃室总长度的1/8）的停留时间约占总停留时间的一半左右，大颗粒在头部区域停留的时间约占总停留时间的l／砗一1／6．面大部分颗粒在其总停留时间的l／4以内，挥发分就已开始迅速释放．由此可见，气相中电橱流区对颗粒的作用足使得颗粒在预燃室头部停留时间加长，颗粒贝ij在回流区内运动过程申受到加热，迅速释放出挥发分．
    图3和图4给**相温度分布和气相挥发分质量浓度分布，其中引入注旦鳆是中心回流区内气相温度和挥发分浓度都较高，且挥发分浓度沿轴线方向不断降低，这说明煤粉颗粒的挥发分大都释放在流区中，回流区不仅卷吸下游的高温烟气，而且本身就i在进行着剧烈的化学反应，由此可进一步认为，生物质能否进人中心凰流区并受到充分加热赢燃烧，对回流区维持高温乃至火焰稳定有重要的影响．因此如果设想煤质较差（妃贫煤等），预热期较长，若回流区不够长，则进入圆流区中运动韵颗粒就有可能来不及受到充分的加热并燃烧，反过来就会影响回流区中高温区域的形成，从而可能导致火焰的不稳定甚至熄灭．所以从改进气流的回流区结构，尤其是颗粒在流场中的运动特性及其与气流的混合出发，有可能提高难燃煤种的火焰稳定性，
五、结  论
    1．本文对大速差射流预燃室内生物质湍流两榍流动及燃烧过程用颗粒轨道模型进行了数值模拟，给出了热态气相流场、温度场、浓度场分布，以及颖粒辘道、速度、温度蒋囊量变化等结果．预报结果再次揭示了热态条件下燃烧室头部中心回流区及大面积离妪域的
    2．在大速差射流预燃室中，相当数量的生物质颗粒将进人中心回流区，其中惯性较强的颗粒将穿越中心回菰区，心回流区有使颗粒在预燃气靠影响羲强的匍敞会裤毋出回流区甚至碰壁．中
    3．生物质能否进入中心回流区并受到充分加热而燃烧，与大速差射流预燃室的火焰稳定关系极大．
    4．改变流场回流区大小和强度，以及改变颗粒在流场中的运动行为及其与回流气体的混合，有可能提高预燃室的稳燃能力和对不同煤种的适应性，
生物质气化站，

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