水煤漿噴嘴的實驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、對水煤漿噴嘴進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬研究。有關(guān)機(jī)理研究表明，液體霧化過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驗研究。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噴嘴長度，同時提高霧化效果；液滴撞擊以飛濺為主要的碎裂形態(tài)。實驗驗證了氣耗率是決定霧化效果的重要運行參數(shù)，對兩

2、相速度差、相間相互作用有顯著影響，進(jìn)而會影響霧化質(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。實驗得出了各結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對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級氣孔，混合室內(nèi)徑和霧化頭出口孔徑的變化均會影響氣流量，但影響程度各不相同。霧化頭出口孔徑對流量的影響最為顯著，而1、2級氣孔尺寸的影響大于混合室尺寸的影響。通過噴嘴熱力學(xué)過程建模，導(dǎo)出噴嘴的各個極限狀態(tài)方程以及流量特性

3、方程的一般形式，通過多參數(shù)數(shù)值擬合，得出噴嘴壓力-流量特性的半經(jīng)驗公式。粒徑測量實驗表明，額定工況下較大的1級氣孔直徑能夠強(qiáng)化霧化頭的霧化作用，因而有較好的霧化特性，有利于實現(xiàn)較高的霧化質(zhì)量。
　　對三通道同軸液膜式噴嘴進(jìn)行了PIV瞬態(tài)流場測量，得出了霧化角、射流長度和瞬態(tài)速度場。對速度場的頻譜分析表明，速度脈動的峰值強(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)。在觀測意義較大的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)域移動的趨勢。在500 Hz以上的頻段，氣流速度增加對脈動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。
　　基于Realizable k-ε模型對撞擊式噴嘴外的兩相流場進(jìn)行數(shù)值模擬。計算輔以自適應(yīng)加密網(wǎng)格，并結(jié)合噴嘴內(nèi)部流動的VOF方法給出的噴嘴出口流動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)顯著的變速運動；粒徑越小的顆粒，對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。
　　通過有限元方法對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、相對較低的壓縮空氣做霧化介質(zhì)時，計算得到噴嘴頂部的最大熱應(yīng)力比采用過熱蒸汽下降約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。計算得出噴嘴的內(nèi)徑變化在10μ m量級，外徑在0.1衄量級，因而對關(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、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。