水煤漿噴嘴的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、對(duì)水煤漿噴嘴進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。有關(guān)機(jī)理研究表明，液體霧化過(guò)程與相間界面波的發(fā)展和失穩(wěn)機(jī)制有關(guān)。在高速氣流沖擊下，形成的霧化液滴的尺寸分布與We和Oh等霧化準(zhǔn)則數(shù)有關(guān)。
　　對(duì)大容量空氣霧化式水煤漿噴嘴進(jìn)行了流量和霧化特性的實(shí)驗(yàn)研究。撞擊式噴嘴內(nèi)液體撞擊形式主要有液柱撞擊和液滴撞擊。理論表明，使用撞擊件能夠有效地減少?lài)娮扉L(zhǎng)度，同時(shí)提高霧化效果；液滴撞擊以飛濺為主要的碎裂形態(tài)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了氣耗率是決定霧化效果的重要運(yùn)行參數(shù)，對(duì)兩

2、相速度差、相間相互作用有顯著影響，進(jìn)而會(huì)影響霧化質(zhì)量，增加氣耗率能夠使液滴撞擊效率增加，SMD(索太爾平均直徑)減小。實(shí)驗(yàn)得出了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)噴嘴流量特性及霧化質(zhì)量的影響，其中漿孔直徑是影響槍前漿壓的重要參數(shù)；1，2級(jí)氣孔，混合室內(nèi)徑和霧化頭出口孔徑的變化均會(huì)影響氣流量，但影響程度各不相同。霧化頭出口孔徑對(duì)流量的影響最為顯著，而1、2級(jí)氣孔尺寸的影響大于混合室尺寸的影響。通過(guò)噴嘴熱力學(xué)過(guò)程建模，導(dǎo)出噴嘴的各個(gè)極限狀態(tài)方程以及流量特性

3、方程的一般形式，通過(guò)多參數(shù)數(shù)值擬合，得出噴嘴壓力-流量特性的半經(jīng)驗(yàn)公式。粒徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)表明，額定工況下較大的1級(jí)氣孔直徑能夠強(qiáng)化霧化頭的霧化作用，因而有較好的霧化特性，有利于實(shí)現(xiàn)較高的霧化質(zhì)量。
　　對(duì)三通道同軸液膜式噴嘴進(jìn)行了PIV瞬態(tài)流場(chǎng)測(cè)量，得出了霧化角、射流長(zhǎng)度和瞬態(tài)速度場(chǎng)。對(duì)速度場(chǎng)的頻譜分析表明，速度脈動(dòng)的峰值強(qiáng)度均隨頻率增加而下降，且峰值強(qiáng)度與氣體流速密切相關(guān)。在觀(guān)測(cè)意義較大的100 Hz以上的中頻及高頻區(qū)域內(nèi)，各流速下

4、的第一個(gè)中頻強(qiáng)度峰值在一般210-370 Hz附近出現(xiàn)，且出現(xiàn)位置隨氣流速度的增加有向高頻區(qū)域移動(dòng)的趨勢(shì)。在500 Hz以上的頻段，氣流速度增加對(duì)脈動(dòng)特性的影響更為顯著，此頻段內(nèi)的峰值強(qiáng)度隨氣流速度增加出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)。
　　基于Realizable k-ε模型對(duì)撞擊式噴嘴外的兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算輔以自適應(yīng)加密網(wǎng)格，并結(jié)合噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的VOF方法給出的噴嘴出口流動(dòng)的霧化粒徑和初速度等邊界條件。模擬結(jié)果表明，噴嘴外0.05-0.1

5、 m內(nèi)存在氣相膨脹壓縮波系以及液滴的加速區(qū)，之后壓縮-膨脹波的影響基本結(jié)束，氣體壓力接近爐內(nèi)平均水平；不同粒徑的液滴在該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)顯著的變速運(yùn)動(dòng)；粒徑越小的顆粒，對(duì)于氣相的跟隨性越好，在加速區(qū)之后，顆粒速度逐漸下降，在距離噴嘴0.5 m后接近于氣相流速。
　　通過(guò)有限元方法對(duì)典型的燃燒工況不同霧化介質(zhì)的噴嘴的熱應(yīng)力和熱變形進(jìn)行了數(shù)值模擬。霧化介質(zhì)的改變將在噴嘴內(nèi)部溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生變化，由此改變噴嘴內(nèi)的熱應(yīng)力和熱變形分布情況。采用溫度

6、相對(duì)較低的壓縮空氣做霧化介質(zhì)時(shí)，計(jì)算得到噴嘴頂部的最大熱應(yīng)力比采用過(guò)熱蒸汽下降約70 MPa，最小熱應(yīng)力下降約10 MPa。在額定工況下，兩種霧化介質(zhì)的噴嘴的熱變形程度也不同。計(jì)算得出噴嘴的內(nèi)徑變化在10μ m量級(jí)，外徑在0.1衄量級(jí)，因而對(duì)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)尺寸的影響較小。高溫、高負(fù)荷下噴嘴表面熱應(yīng)力升高，同時(shí)熱應(yīng)力的最大值的出現(xiàn)位置向噴嘴內(nèi)表面方向移動(dòng)、噴嘴的整體熱應(yīng)力增加，是造成高負(fù)荷下鍋爐高層燃燒器上的噴嘴易于損壞的重要原因之一。