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《轻工科技杂志》2015年第五期
1数值模拟的结果分析
在工程上，浓淡煤粉燃烧器的分离特性用燃烧器出口煤粉浓淡比和气相出口速度偏差来衡量，阻力特性用进出口阻力损失来衡量。浓淡比足够高，出口速度偏差越小，进出口阻力损失越小，则燃烧器的性能越好。为了便于分析，本文在数值计算的模型中人为将煤粉浓缩器出口分成虚拟的“中心圆”（直径为D/2）和“外环”（内径为D/2，外径为D的环形），这样浓淡比就是指“外环”煤粉浓度与“中心圆”煤粉浓度的比值，出口速度偏差指“中心圆”平均速度与“外环”平均速度的差值。分别用进口气相动压头和进口速度对阻力损失和速度偏差进行无量纲化处理。这样，阻力损失和速度偏差就分别用阻力系数和无量纲速度偏差表示。
1.1锥角α1对煤粉浓缩器特性的影响图2表示不同的α1对煤粉浓缩器三个特性指标的影响，可见，随着α1的增大，阻力损失和浓淡比都增大，而速度偏差减少。在α1对应段，管内阻力损失主要表现为管内流动摩擦阻力损失压头和固相的悬浮提升阻力损失压头，管内气固两相流动的摩擦阻力计算公式为。由公式（1）（-4）可知，α1增大，其对应段的流动摩擦阻力压头相对是减少的，而固相的悬浮提升阻力压头增大，另外，随α1的增大，该段的流场变得更加不均匀，因此，在各种因素权衡之下，阻力损失增大。由于固相颗粒的径向速度明显增大，见图3-图7，因而对颗粒径向导向作用增强，颗粒径向沿着管壁流动，因此，浓淡比增大。随着αl的增大，出口轴向速度趋于均匀，速度偏差减少。
1.2锥角α2对煤粉浓缩器特性的影响图8表示不同的α2对煤粉浓缩器三个特性指标的影响。可见，随着α2的增大，浓淡比先增大后减少；速度偏差变化不大，先增大后略有减少；阻力损失先减少后有所增大。随α2增大，扩展段(α2对应段)流通区域随之增大，一方面，随着风粉继续向前流动，由于惯性，气相朝中心内圈扩散作用增强，有利用浓淡比的提高，另一方面，气固两相在扩展段的混合程度增大，两个因素权衡的结果是：浓淡比先增大后减少，而速度偏差变化不大。由公式（1）和（2）可知，在其他条件不变的情况下，管内流动的摩擦阻力损失压头与管道长度L成正比，与管道当量直径D成反比，当α2增大，α2对应的长度L变小，当量直径变大，由此可得，α2对应段的摩擦阻力损失压头应该是变小的；然而随着α2增大，在α2对应段容易形成流体与壁面的分离现象，出现回流和旋涡，这些都大大增加了管内的流动阻力。因此，由这两个因素的权衡下，阻力损失先减少而后增大。
1.3喷油管直径D1对煤粉浓缩器特性的影响图9表示不同的D1对煤粉浓缩器三个特性指标的影响。可见，随着直径的增大，浓淡比降低，速度偏差和阻力损失陡然增大。随着D1的增大，管道流通区域减少，当量直径D减少，由公式（1）和（2）可知，其他条件不变时，管道气固两相流的摩擦阻力损失压头与当量直径成反比，D1增大，而气固流通管道当量直径D减少，气固两相流动摩擦阻力损失压头增大，因而阻力损失增大。由于D1的增大，管内当量直径变小，锥形体的α1段对应长度必然减少，导致α1对应段对煤粉颗粒向径向导向作用减弱，所以浓淡比随着D1的增大而减少。随着浓缩器的气固分离效果的降低，风粉都聚集在外环，因而速度偏差增大。
1.4喷油嘴直径D2对煤粉浓缩器特性的影响图10表示不同的D2对煤粉浓缩器三个特性指标的影响。可见随着D2的增大，浓淡比和阻力损失及速度偏差都变化不大，略有增大，而速度偏差减少。随着D2增大，锥角α2对应段变短，气相更容易扩散填充到中心内圈里去，由于中心内圈气相流量的增大，使得外环与中心内圈的速度也趋于均匀，因此速度偏差减少。当D2有一定程度的增大时，由于风粉的气相脱离主流大量扩散到中心内圈，在一定的程度上有利于气固两相分离，因此浓淡比略有增加。显然，D2增大，则管道流通区域当量直径D减少，且α2对应段的长度变短，由公式（1）和（2）可得，气固两相流的摩擦阻力跟当量直径D成反比，长度L成正比，那么D2增大有利于摩擦阻力的减小，然而，α2对应段对气固两相流起着扩展导向作用，扩展段的变短很容易导致流体与壁面的分离现象，出现回流和旋涡，这些都将大大增加整个浓缩器管内的流动阻力，使得阻力损失增大。
1.5稳定段长度L对煤粉浓缩器特性的影响图11表示不同的L对煤粉浓缩器三个特性指标的影响。可见，随着L增大，浓淡比、阻力损失及速度偏差都变化非常大，浓淡比和阻力损失减小，而速度偏差由负值变化为正值，再增大。图中出现了一个极端点，L=0时，速度偏差为负值，这说明中心内圈速度大于外环速度，而浓淡比也出现了一个峰值14.85，阻力损失达到了2。随着L的增大，浓缩器锥形体收缩段（α1对应段）和扩展段（α2对应段）都相应变短，根据前面的分析，合适的收缩段和扩展段长度对气固两相分离是有利的；另外，气固两相流在稳定段混合程度加深，因此浓淡比陡然变小。随L的增大，管道当量直径变大，整个锥形体的长度没有改变，由公式（1）和（2）可得，整个浓缩器管内的流动阻力压头变小，因此摩擦阻力损失急剧变小。由图11可见，随着L的增大，速度偏差由负变为正，呈现单值增大的趋势。这是因为当稳定段为0时，气固两相分离效果明显，固相几乎都聚集在外环，而气相流量几乎也都扩散到中心内圈，导致内圈的速度大于外环的速度。随着L的增大，速度区域均匀，D当L继续增大时，由于气固两相的分离效果降低。气固两相流量几乎都在外环，因此内外的速度偏差又进一步拉大。
2结论
由以上计算分析可得到以下结论：（1）对进出口阻力损失影响最大的是锥体收缩角度α1、稳定段长度L和喷油管直径D1。当所设计的煤粉浓缩器进出口阻力损失过大时，应首先考虑减少锥角α1，增大稳定段长度L及减少喷油管直径D1。（2）除了喷油嘴直径D2对浓淡比的影响很小以外，其他因素对浓淡比的影响都较大。锥角α2对浓淡比的影响存在一个极大值，另外，其他的几个因素在考察的工况中对浓淡比的影响是一致的，都存在单调增减的关系。其中锥角α1和稳定段长度L对浓淡比影响最大。（3）对出口速度偏差影响最大是的锥角α1和稳定段长度L。锥角α2对速度偏差影响存在一个极大值。对燃烧器而言，为达到更高的浓淡比，应避免锥角α1和稳定长度L过大或者过小，均应权衡阻力损失及浓淡比和速度偏差三个因素来设计。
作者：资静斌 单位：化工部长沙设计研究院