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《輕工科技雜志》2015年第五期
1數值模擬的結果分析
在工程上，濃淡煤粉燃燒器的分離特性用燃燒器出口煤粉濃淡比和氣相出口速度偏差來衡量，阻力特性用進出口阻力損失來衡量。濃淡比足夠高，出口速度偏差越小，進出口阻力損失越小，則燃燒器的性能越好。為了便于分析，本文在數值計算的模型中人為將煤粉濃縮器出口分成虛擬的“中心圓”（直徑為D/2）和“外環”（內徑為D/2，外徑為D的環形），這樣濃淡比就是指“外環”煤粉濃度與“中心圓”煤粉濃度的比值，出口速度偏差指“中心圓”平均速度與“外環”平均速度的差值。分別用進口氣相動壓頭和進口速度對阻力損失和速度偏差進行無量綱化處理。這樣，阻力損失和速度偏差就分別用阻力系數和無量綱速度偏差表示。
1.1錐角α1對煤粉濃縮器特性的影響圖2表示不同的α1對煤粉濃縮器三個特性指標的影響，可見，隨著α1的增大，阻力損失和濃淡比都增大，而速度偏差減少。在α1對應段，管內阻力損失主要表現為管內流動摩擦阻力損失壓頭和固相的懸浮提升阻力損失壓頭，管內氣固兩相流動的摩擦阻力計算公式為。由公式（1）（-4）可知，α1增大，其對應段的流動摩擦阻力壓頭相對是減少的，而固相的懸浮提升阻力壓頭增大，另外，隨α1的增大，該段的流場變得更加不均勻，因此，在各種因素權衡之下，阻力損失增大。由于固相顆粒的徑向速度明顯增大，見圖3-圖7，因而對顆粒徑向導向作用增強，顆粒徑向沿著管壁流動，因此，濃淡比增大。隨著αl的增大，出口軸向速度趨于均勻，速度偏差減少。
1.2錐角α2對煤粉濃縮器特性的影響圖8表示不同的α2對煤粉濃縮器三個特性指標的影響。可見，隨著α2的增大，濃淡比先增大后減少；速度偏差變化不大，先增大后略有減少；阻力損失先減少后有所增大。隨α2增大，擴展段(α2對應段)流通區域隨之增大，一方面，隨著風粉繼續向前流動，由于慣性，氣相朝中心內圈擴散作用增強，有利用濃淡比的提高，另一方面，氣固兩相在擴展段的混合程度增大，兩個因素權衡的結果是：濃淡比先增大后減少，而速度偏差變化不大。由公式（1）和（2）可知，在其他條件不變的情況下，管內流動的摩擦阻力損失壓頭與管道長度L成正比，與管道當量直徑D成反比，當α2增大，α2對應的長度L變小，當量直徑變大，由此可得，α2對應段的摩擦阻力損失壓頭應該是變小的；然而隨著α2增大，在α2對應段容易形成流體與壁面的分離現象，出現回流和旋渦，這些都大大增加了管內的流動阻力。因此，由這兩個因素的權衡下，阻力損失先減少而后增大。
1.3噴油管直徑D1對煤粉濃縮器特性的影響圖9表示不同的D1對煤粉濃縮器三個特性指標的影響。可見，隨著直徑的增大，濃淡比降低，速度偏差和阻力損失陡然增大。隨著D1的增大，管道流通區域減少，當量直徑D減少，由公式（1）和（2）可知，其他條件不變時，管道氣固兩相流的摩擦阻力損失壓頭與當量直徑成反比，D1增大，而氣固流通管道當量直徑D減少，氣固兩相流動摩擦阻力損失壓頭增大，因而阻力損失增大。由于D1的增大，管內當量直徑變小，錐形體的α1段對應長度必然減少，導致α1對應段對煤粉顆粒向徑向導向作用減弱，所以濃淡比隨著D1的增大而減少。隨著濃縮器的氣固分離效果的降低，風粉都聚集在外環，因而速度偏差增大。
1.4噴油嘴直徑D2對煤粉濃縮器特性的影響圖10表示不同的D2對煤粉濃縮器三個特性指標的影響。可見隨著D2的增大，濃淡比和阻力損失及速度偏差都變化不大，略有增大，而速度偏差減少。隨著D2增大，錐角α2對應段變短，氣相更容易擴散填充到中心內圈里去，由于中心內圈氣相流量的增大，使得外環與中心內圈的速度也趨于均勻，因此速度偏差減少。當D2有一定程度的增大時，由于風粉的氣相脫離主流大量擴散到中心內圈，在一定的程度上有利于氣固兩相分離，因此濃淡比略有增加。顯然，D2增大，則管道流通區域當量直徑D減少，且α2對應段的長度變短，由公式（1）和（2）可得，氣固兩相流的摩擦阻力跟當量直徑D成反比，長度L成正比，那么D2增大有利于摩擦阻力的減小，然而，α2對應段對氣固兩相流起著擴展導向作用，擴展段的變短很容易導致流體與壁面的分離現象，出現回流和旋渦，這些都將大大增加整個濃縮器管內的流動阻力，使得阻力損失增大。
1.5穩定段長度L對煤粉濃縮器特性的影響圖11表示不同的L對煤粉濃縮器三個特性指標的影響。可見，隨著L增大，濃淡比、阻力損失及速度偏差都變化非常大，濃淡比和阻力損失減小，而速度偏差由負值變化為正值，再增大。圖中出現了一個極端點，L=0時，速度偏差為負值，這說明中心內圈速度大于外環速度，而濃淡比也出現了一個峰值14.85，阻力損失達到了2。隨著L的增大，濃縮器錐形體收縮段（α1對應段）和擴展段（α2對應段）都相應變短，根據前面的分析，合適的收縮段和擴展段長度對氣固兩相分離是有利的；另外，氣固兩相流在穩定段混合程度加深，因此濃淡比陡然變小。隨L的增大，管道當量直徑變大，整個錐形體的長度沒有改變，由公式（1）和（2）可得，整個濃縮器管內的流動阻力壓頭變小，因此摩擦阻力損失急劇變小。由圖11可見，隨著L的增大，速度偏差由負變為正，呈現單值增大的趨勢。這是因為當穩定段為0時，氣固兩相分離效果明顯，固相幾乎都聚集在外環，而氣相流量幾乎也都擴散到中心內圈，導致內圈的速度大于外環的速度。隨著L的增大，速度區域均勻，D當L繼續增大時，由于氣固兩相的分離效果降低。氣固兩相流量幾乎都在外環，因此內外的速度偏差又進一步拉大。
2結論
由以上計算分析可得到以下結論：（1）對進出口阻力損失影響最大的是錐體收縮角度α1、穩定段長度L和噴油管直徑D1。當所設計的煤粉濃縮器進出口阻力損失過大時，應首先考慮減少錐角α1，增大穩定段長度L及減少噴油管直徑D1。（2）除了噴油嘴直徑D2對濃淡比的影響很小以外，其他因素對濃淡比的影響都較大。錐角α2對濃淡比的影響存在一個極大值，另外，其他的幾個因素在考察的工況中對濃淡比的影響是一致的，都存在單調增減的關系。其中錐角α1和穩定段長度L對濃淡比影響最大。（3）對出口速度偏差影響最大是的錐角α1和穩定段長度L。錐角α2對速度偏差影響存在一個極大值。對燃燒器而言，為達到更高的濃淡比，應避免錐角α1和穩定長度L過大或者過小，均應權衡阻力損失及濃淡比和速度偏差三個因素來設計。
作者：資靜斌 單位：化工部長沙設計研究院